Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости

Используемый метод заключается в решении обратной задачи биооптики моря на основе данных спектра коэффициента яркости моря. Нестандартный способ параметризации оптических свойств морской воды реализован в итерационном алгоритме. Показано, что условие постоянства коэффициента яркости на длине волны 4...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2008
Hauptverfasser:	Корчёмкина, Е.Н., Шибанов, Е.Б.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2008
Schlagworte:	Прикладная радиофизика
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10583
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости / Е.Н. Корчёмкина, Е.Б. Шибанов // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 2. — С. 256-262. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10583
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105832025-02-23T17:26:16Z Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости Регіональний аналітичний алгоритм відновлення первинних гідрооптичних характеристик морської води за спектром коефіцієнта яскравості Regional analytical algorithm for seawater inherent optical properties retrieving using spectra of reflectance Корчёмкина, Е.Н. Шибанов, Е.Б. Прикладная радиофизика Используемый метод заключается в решении обратной задачи биооптики моря на основе данных спектра коэффициента яркости моря. Нестандартный способ параметризации оптических свойств морской воды реализован в итерационном алгоритме. Показано, что условие постоянства коэффициента яркости на длине волны 400 нм позволяет стабилизировать работу алгоритма. Построены карты распределения хлорофилла в районе Южного берега Крыма. Полученные величины концентраций соответствуют типичным для прибрежных районов Черного моря в летний период. Використовуваний метод полягає в рішенні зворотної задачі біооптики моря на основі даних спектру коефіцієнта яскравості моря. Нестандартний спосіб параметризації оптичних властивостей морської води, реалізований в ітераційному алгоритмі. Показано, що умова постійності коефіцієнта яскравості на довжині хвилі 400 нм дозволяє стабілізувати роботу алгоритму. Побудовано карти розподілу хлорофілу в районі Південного берега Криму. Одержані величини концентрацій відповідають типовим для прибережних районів Чорного моря в літній період. The method used consists in solving of inverse problem of marine bio-optics on the base of sea reflectance spectrum. Non-standard parameterization of seawater optical properties is realized in iterative algorithm. The condition of reflectance constancy at the wavelength 400 nm is shown to stabilize the algorithm processing. Maps of chlorophyll concentration distribution are plotted for region of South Coast of Crimea. Obtained concentration values are typical for coastal zone of Black Sea in summer period. 2008 Article Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости / Е.Н. Корчёмкина, Е.Б. Шибанов // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 2. — С. 256-262. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10583 551.46.5 ru application/pdf Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Прикладная радиофизика Прикладная радиофизика
spellingShingle	Прикладная радиофизика Прикладная радиофизика Корчёмкина, Е.Н. Шибанов, Е.Б. Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости
description	Используемый метод заключается в решении обратной задачи биооптики моря на основе данных спектра коэффициента яркости моря. Нестандартный способ параметризации оптических свойств морской воды реализован в итерационном алгоритме. Показано, что условие постоянства коэффициента яркости на длине волны 400 нм позволяет стабилизировать работу алгоритма. Построены карты распределения хлорофилла в районе Южного берега Крыма. Полученные величины концентраций соответствуют типичным для прибрежных районов Черного моря в летний период.
format	Article
author	Корчёмкина, Е.Н. Шибанов, Е.Б.
author_facet	Корчёмкина, Е.Н. Шибанов, Е.Б.
author_sort	Корчёмкина, Е.Н.
title	Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости
title_short	Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости
title_full	Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости
title_fullStr	Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости
title_full_unstemmed	Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости
title_sort	региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Прикладная радиофизика
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10583
citation_txt	Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости / Е.Н. Корчёмкина, Е.Б. Шибанов // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 2. — С. 256-262. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT korčëmkinaen regionalʹnyjanalitičeskijalgoritmvosstanovleniâpervičnyhgidrooptičeskihharakteristikmorskojvodypodannymkoéfficientaârkosti AT šibanoveb regionalʹnyjanalitičeskijalgoritmvosstanovleniâpervičnyhgidrooptičeskihharakteristikmorskojvodypodannymkoéfficientaârkosti AT korčëmkinaen regíonalʹnijanalítičnijalgoritmvídnovlennâpervinnihgídrooptičnihharakteristikmorsʹkoívodizaspektromkoefícíêntaâskravostí AT šibanoveb regíonalʹnijanalítičnijalgoritmvídnovlennâpervinnihgídrooptičnihharakteristikmorsʹkoívodizaspektromkoefícíêntaâskravostí AT korčëmkinaen regionalanalyticalalgorithmforseawaterinherentopticalpropertiesretrievingusingspectraofreflectance AT šibanoveb regionalanalyticalalgorithmforseawaterinherentopticalpropertiesretrievingusingspectraofreflectance
first_indexed	2025-11-24T02:15:26Z
last_indexed	2025-11-24T02:15:26Z
_version_	1849636187780677632
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 13, № 2, 2008, с. 256-262 © ИРЭ НАН Украины, 2008 УДК 551.46.5 РЕГИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ АЛГОРИТМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ ГИДРООПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКОЙ ВОДЫ ПО ДАННЫМ КОЭФФИЦИЕНТА ЯРКОСТИ Е. Н. Корчѐмкина, Е. Б. Шибанов Морской гидрофизический институт НАН Украины, 2, ул. Капитанская, Севастополь, 99011, Украина E-mail: lisenik@mail.ru Используемый метод заключается в решении обратной задачи биооптики моря на основе данных спектра коэффициента яркости моря. Нестандартный способ параметризации оптических свойств морской воды реализован в итерационном алгоритме. Показано, что условие постоянства коэффициента яркости на длине волны 400 нм позволяет стабилизировать работу алгоритма. Построены карты распределения хлорофилла в районе Южного берега Крыма. Полученные величины концентраций соответствуют типичным для прибрежных районов Черного моря в летний период. Ил. 4. Библиогр.: 9 назв. Ключевые слова: коэффициент яркости, дистанционное зондирование, хлорофилл. Целью дистанционного зондирования яв- ляется определение концентраций примесей мор- ской воды по данным измерений восходящего излучения моря. Наиболее удобной гидрооптиче- ской характеристикой для проведения глобаль- ных дистанционных исследований биооптических свойств поверхностных вод является коэффици- ент яркости моря. Спектр восходящего излучения зависит от взвешенных и растворенных в воде органических веществ, при этом количество не- известных характеристик среды существенно превышает количество измеренных параметров. Оценка характеристик водных масс по данным коэффициента яркости моря представляет собой классическую обратную задачу. При дистанционных спутниковых иссле- дованиях состояния океанских вод на больших акваториях широко использовались так называе- мые эмпирические алгоритмы решения обратной задачи восстановления биооптических характери- стик водных масс [1]. К сожалению, расчеты по простым эмпирическим формулам не дают хоро- ших результатов при исследовании акваторий с небольшой изменчивостью индекса цвета. Кроме того, сопоставление результатов эмпирических алгоритмов с корабельными наблюдениями кон- центрации хлорофилла в Черном море показало их существенное рассогласование [2]. Поэтому создание регионального алгоритма обработки данных цветовых сканеров является актуальной проблемой для Черного моря. Аналитический подход к решению об- ратных задач имеет большую информативность, потому что позволяет восстанавливать не только концентрации оптически активных примесей морской воды, но и особенности их спектров по- глощения, а также величину обратного рассеяния взвеси для зеленой области спектра. Кроме того, при этом повышается точность вычислений бла- годаря использованию большего числа каналов. Анализ данных спутниковых сканеров цвета моря предполагает учет вклада атмосферы в восходящую яркость, поскольку доля сигнала моря в общем сигнале мала. Стандартные методы атмосферной коррекции предполагают равенство нулю яркости моря в инфракрасной части спек- тра. Последующая модельная экстраполяция зна- чения атмосферной дымки в видимую область может приводить к серьезным ошибкам в после- дующем определении коэффициента яркости в коротковолновой области. Данные восходящего излучения на 412 и 443 нм, измеренные со спут- ника, обычно не анализируются [3] вследствие увеличения количества ошибок с уменьшением длины волны. Наличие даже приблизительной оценки особенностей отражения света морем на границе диапазона измерений в синей области позволило бы значительно повысить точность атмосферной коррекции в других спектральных каналах, например, как это было показано в [4]. В качестве параметризации предлагается использо- вать условие постоянства коэффициента яркости на длине волны 412 нм. Выполнение данного ус- ловия возможно, если величина показателя об- ратного рассеяния линейно связана с поглощени- ем на длине волны 412 нм. Это предположение статистически выполняется, по крайней мере, для летнего периода в открытой части Черного моря, что было подтверждено данными Международно- го подспутникового эксперимента [5]. Задачами нашей работы являются созда- ние регионального аналитического алгоритма решения обратной задачи биооптики моря по данным коэффициента яркости и исследование влияния предлагаемой методики коррекции дан- ных на результаты восстановления биооптиче- ских характеристик морской воды. 1. Методика. Экспериментальные иссле- дования проводились на океанографической платформе в Кацивели (44°23’с. ш., 33°59’в. д.) в mailto:lisenik@mail.ru Е. Н. Корчемкина и др. / Региональный аналитический алгоритм… _________________________________________________________________________________________________________________ 257 2002 – 2004 гг. в летний период. Параллельно проводились стандартные биологические опреде- ления по пробам вод с разных горизонтов. В эксперименте на океанографической платформе измерения коэффициента яркости мо- ря проводились с помощью разработанного в ла- боратории отдела оптики МГИ НАН Украины универсального спектрофотометра [6]. В нем предусмотрена возможность измерения углового распределения спектральной яркости восходяще- го излучения моря или яркости небосвода, нор- мированных на спектральную облученность по- верхности моря. Прибор обеспечивает высокую точность измерений в широком спектральном диапазоне, охватывающем всю видимую область спектра. После измерения общего коэффициента яркости поверхности моря в поле зрения канала яркости устанавливается заполненная водой кю- вета с поглощающими стенками и дном для по- лучения в условиях той же освещенности харак- теристик отражения только водной поверхности. Спектры коэффициента яркости поверхности в последующем вычитаются из спектров общего коэффициента яркости с целью определения ко- эффициента яркости воды, что обеспечивает так- же компенсацию приборной погрешности [6]. При помощи универсального спектрофотометра были получены спектры коэффициента яркости в интервале длин волн 390-700 нм с шагом 5 нм. 2. Модель. Для решения обратных задач восстановления оптических свойств морской во- ды по коэффициенту яркости моря необходимо установить взаимно однозначное соответствие между измеренной величиной коэффициента яр- кости и первичными гидрооптическими характе- ристиками. Обычно для этого используется вы- ражение для коэффициента яркости ρ оптически однородного полубесконечного слоя вида a b k b , (1) где bb - показатель обратного рассеяния морской воды; a - показатель поглощения; k - константа, зависящая от индикатриссы рассеяния и условий освещения. И a и bb - суть функции длины вол- ны, которые определяются количественным и качественным составом веществ, растворенных и взвешенных в воде. Точность математического описания оптических свойств морской воды мала вследствие наличия многих определяющих факто- ров и их природной изменчивости. Поскольку диапазоны изменчивости широки, детализация модели путем увеличения числа параметров не приведет к улучшению результатов. Для восста- новления биооптических свойств, содержащихся в морской воде компонентов, необходимо выбрать несколько параметров, являющихся как информа- тивными, так и достаточно общими. Поэтому в качестве параметров модели выбраны общая кон- центрация пигментов фитопланктона, поглоще- ние неживой органикой и рассеяние взвесью. Представим поглощение морской воды )(a в виде ),()()()( dmpw aaaa (2) где λ - длина волны; )(wa - поглощение чистой морской воды [7]; )(pa - поглощение взвешен- ными частицами; )(dma - поглощение раство- ренным органическим веществом. В свою оче- редь поглощение взвешенным веществом можно представить как ),()()( phdp aaa (3) где )(da - поглощение детритом; )(pha - по- глощение клетками фитопланктона. Поскольку форма спектра поглощения детрита идентична спектру поглощения растворенным веществом, на основании (3) представим (2) в виде ),()()()( ddmphw aaaa (4) где )(ddma - поглощение неживой органикой. Считается общепринятым, что спектр поглоще- ния растворенным органическим веществом )(dma чаще всего описывается формулой )),(exp()( 0ddmdm Ca (5) где ddmC - поглощение неживой органикой на длине волны λ0, а равно в среднем 0,015 нм -1 . Известно, что значение параметра может суще- ственно отклоняться от среднего. По данным [8] для прибрежных вод используются значения в диапазоне 0,015–0,02 нм -1 . Спектральный показатель )(pha также нельзя считать постоянным, потому что удель- ное поглощение фитопланктона ( )(* pha chlph Ca /)( ) зависит от количества пигментов и соотношения между фотосинтетическими и вспомогательными пигментами в клетке, причем количественные изменения в популяции фито- планктона влияют на спектр удельного поглоще- ния таким образом, что при увеличении содержа- ния пигментов в клетке максимум поглощения на 440 нм сглаживается. Поглощение клетками фитопланктона за- писывается в виде )()( * phchlph aCa , (6) где )(* pha - удельное поглощение, которое также статистически зависит и от chlC . В нашей Е. Н. Корчемкина и др. / Региональный аналитический алгоритм… _________________________________________________________________________________________________________________ 258 работе использовалась функция )(* pha по мо- дели [9] при chlC = 0,75 мг/м 3 . Рассеяние в морской воде формируется за счет рассеяния самой чистой водой и рассеяния на частицах биологической и минеральной взвеси, которое зависит главным образом от их концен- траций и распределения частиц по размерам. Спектральный показатель рассеяния воды хорошо известен, а спектр обратного рассеяния частиц взвеси можно аппроксимировать степенной зави- симостью Ангстрема, тогда модель обратного рас- сеяния морской водой можно представить в виде ),()()( bpbwb bbb (7) где )(bb - общий показатель обратного рассея- ния; )(bwb - показатель обратного рассеяния чистой воды; )(bpb - показатель обратного рас- сеяния частиц взвеси. Для решения обратной задачи предложе- но 3-х параметрическое представление свойств морской воды, основанное на проведенном выше анализе особенностей рассеяния и поглощения. Модель поглощения морской водой приведена к виду )(* 0)()()( eCaCaa ddmphchlw , (8) где )(* pha - удельное поглощение пигментами. Модель обратного рассеяния учитывает свойства чистой воды и частиц взвеси 0 0)()()( bpbwb bbb . (9) Подставляя (8) и (9) в (1), получаем )(* 0 0 0)()( )()( eCaCa bb k ddmchlchlw bpbw . (10) 3. Алгоритм. С математической точки зрения вычисление параметров модели по экспе- риментальным данным сводится к поиску мини- мума выражения 2 1 2)]()([ mef (11) как функции переменных )( 0bpb , ddmC и chlC на всем спектральном диапазоне, т. е. к решению системы уравнений .0 ),,( ;0 ),,( ;0 ),,( ddm ddmchlbp chl ddmchlbp bp ddmchlbp C CCbf C CCbf b CCbf (12) Такая минимизация дает решение мате- матической задачи, не принимая во внимание приближенность модели. Сводя к минимуму от- клонения экспериментальных данных от модель- ных спектров, мы устраняем только случайную погрешность эксперимента, считая модельные представления абсолютно достоверными. Однако модель не описывает и не может описать все воз- можные особенности поглощения и рассеяния растворенных и взвешенных веществ. Полосы поглощения желтого вещества и пигментов фитопланктона перекрываются. При этом большим концентрациям хлорофилла соот- ветствуют большие концентрации растворенной органики только в среднем. Поэтому не всегда возможно определить, чем обусловлена форма спектра коэффициента яркости: наличием желто- го вещества или пигментами фитопланктона. В разработанном алгоритме эта проблема решается путем выделения участков в видимой области; концентрация каждого вещества опреде- ляется на том спектральном участке, где его по- глощение проявляется наиболее существенно по сравнению с влиянием других компонентов. Это дает возможность различить спектры поглоще- ния, основываясь на известных общих законо- мерностях их поведения. Поглощение желтого вещества будет определяться в синей области спектра, а поглощение пигментов фитопланктона – в области максимума их удельного поглощения. Обратное рассеяние взвесью будет рассчитывать- ся в диапазоне 460 – 650 нм. Математически это выглядит как разделение системы уравнений сле- дующим образом: ,0 ),,( ;0 ),,( ;0 ),,( 395 390 460 420 650 460 2 1 2 1 2 1 ddm bpddmchl chl bpddmchl bp bpddmchl C bCCf C bCCf b bCCf (13) причем минимизация для каждого участка вы- полняется по одной переменной. Остальные па- раметры считаются постоянными в данном участ- ке спектра, что значительно упрощает вычисления. На первом этапе определяется минимум выражения (11) как функции переменной )( 0bpb при λ1 = 460 нм и λ2 = 650 нм, считая в первом приближении концентрации растворенного орга- нического вещества и пигментов равными нулю. Затем, преобразуя выражение (11), минимизиру- ем его как функцию chlC и рассчитываем кон- центрацию пигментов в области 420 - 460 нм на Е. Н. Корчемкина и др. / Региональный аналитический алгоритм… _________________________________________________________________________________________________________________ 259 основе полученного значения рассеяния взве- сью; аналогично находится и значение концен- трации растворенной органики ddmC в области 390 - 395 нм. На втором и последующих этапах значе- ния )( 0bpb определяются, используя величины chlC и ddmC , рассчитанные ранее. Таким обра- зом, получаем итерационный алгоритм, позво- ляющий при заданных a и 0chlC рассчитывать параметры ddmC , )( 0bpb и chlC . Для достиже- ния условия остановки 1i Chl i Chl CC 0,001 тре- буется около 10 итераций. Поскольку спектр поглощения пигмента- ми содержит информацию о биологическом со- стоянии фитопланктона, рассчитывались также и спектры удельного поглощения фитопланктона )(* pha . )( )( )( 1 )( * 0eC a bk C a ddm w e b chl ph (14) 4. Коррекция. Используемая коррекция спектров заключалась в приведении значений коэффициента яркости на концах диапазона из- мерений к постоянным значениям (400)=с1=0,77 %, (700)=с2=0,03 %. При этом величина коэффициента яркости в синей области не имеет существенного значения, так как она мала по сравнению с общим сигналом. Поэтому постоянные значения определялись как средние по всем имеющимся измерениям. Для этого вво- дилось поправочное слагаемое )(C , имеющее спектральный ход, соответствующий спектраль- ному поведению света неба )()()(* C , (15) где ),( ),( )( 212 21 ccb cca C . (16) Коэффициенты a и b вычислялись для каждого полученного спектра по формулам 22 400700 400 1 700 1 a , 2700 700 a b , (17) где )400()400()400( * 400 C ; )700()700()700( * 700 C . 5. Результаты. На рис. 1 представлены результаты сравнения измеренных спектров ко- эффициента яркости с расчетными при выполне- нии коррекции. Модельные спектры хорошо ап- проксимируют экспериментальные данные. По сравнению с результатами расчетов по эмпирическим формулам ОС4 [1] наблюдается лучшая корреляция модельных концентраций пигментов с биологическими данными (рис. 2). Кроме того, численные значения восстановлен- ных концентраций ближе к измеренным биологи- ческими методами. Влияние коррекции на ре- зультаты восстановления проявляется таким об- разом, что модельные значения концентраций численно больше соответствуют биологическим данным, а разброс данных относительно линии регрессии становится меньше. Рис. 1. ♦ - экспериментальный и —– - модельный спектры коэффициента яркости при выполнении коррекции ▲ Рис. 2. Сравнение концентраций пигментов, восстановленных без коррекции (♦, уравнение регрессии у=0,84х+0,35 (—–), коэффициент корреляции R2=0,80); с коррекцией (■, у=0,84х+0,38 (– – –), R2=0,91); эмпирическим методом ОС-4 (●, у=0,47х+0,45 (— ― ―), R2=0,63) с биологически измерен- ной концентрацией хлорофилла 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Chlбиомг/м3 C h l м о д м г/ м 3 400 500 600 700 , нм 0 0,004 0,008 0,012 0,016 Е. Н. Корчемкина и др. / Региональный аналитический алгоритм… _________________________________________________________________________________________________________________ 260 Восстановленные спектры поглощения пигментов фитопланктона имеют форму, харак- терную для поглощения хлорофилла. Кроме того, на них присутствуют локальные максимумы на длинах волн 570 и 412 нм, что заметно по сравне- нию с исходным спектром [9] (рис. 3). Получен- ные дополнительные максимумы должны быть вызваны некоторыми процессами в море, так как излучение неба не имеет локальных особенностей на данных участках спектра. Известно, что полоса поглощения на 570 нм соответствует поглощению цианобактериями, а пик на 412 нм могут давать различные пигменты, например, продукты распа- да хлорофилла. Рис. 3. Расчетный (—–) и исходный (– – –) [9] спектры погло- щения пигментов Дополнительный максимум на 412 нм в спектре поглощения пигментов не обязательно обусловлен наличием специфических веществ в клетках. Эти вещества могут входить в состав растворенной органики или детрита, но посколь- ку поглощение их жестко задается моделью, то особенности их спектров были восприняты как побочные пики поглощения пигментов. На рис. 4 сравниваются карты распреде- ления концентрации хлорофилла, построенные по спутниковым данным SeaWiFS. Полученные зна- чения соответствуют типичным для исследуемого района [8]. На карте, рассчитанной стандартным методом ОС-4 (рис. 4,а), отсутствует часть дан- ных, соответствующая отрицательным значениям (412). Потеря данных обусловлена принципи- альными сложностями определения характери- стик аэрозоля в коротковолновой области по из- мерениям в инфракрасном диапазоне. Изолинии концентрации пигментов повторяют форму про- бела в данных, так что структура изолиний вос- становленного хлорофилла в этой области скорее обусловлена ошибками атмосферной коррекции, чем распределением хлорофилла в море. Также наблюдается уменьшение концентраций хлоро- филла до 0 - 0,2 мг/м 3 около побережья Ялты. Однако низкие значения концентраций характер- ны только при сгоне, которого не наблюдалось во время подспутникового эксперимента. Использо- вание предлагаемой коррекции позволяет избе- жать потери данных с отрицательными значения- ми в синей области, которые возникают при больших ошибках атмосферной коррекции (рис. 4,б). Структура поля концентраций хлоро- филла более типична для исследуемого района, величины концентраций составляют в среднем 0,7 мг/м 3 . Распределение хлорофилла почти одно- родно в открытой части моря, вблизи берега на- блюдаются несколько максимумов концентрации. Эти максимумы хорошо соответствуют выносу минеральных и органических веществ с город- скими и промышленными стоками. Выводы. Проведение спектральных из- мерений коэффициента яркости в видимом диа- пазоне позволяет решить обратную задачу биооп- тики моря и определить спектры поглощения компонентов морской воды. Предлагаемая мо- дель оптических свойств морской воды дает удовлетворительную оценку концентрации хло- рофилла и поглощения желтым веществом. Получен алгоритм, позволяющий восста- навливать концентрации пигментов фитопланк- тона. Восстановленные величины концентраций хорошо коррелируют с экспериментальными данными. Алгоритм устойчив к случайным ошибкам и слабо подвержен влиянию погрешно- стей модели. По сравнению с эмпирическими алго- ритмами предложенный метод дает лучшее соот- ветствие результатов с данными биологических определений. Предлагаемая коррекция эксперимен- тальных данных позволяет повысить устойчи- вость решения обратной задачи и уменьшить влияние погрешностей измерения на результаты восстановления концентраций примесей морской воды. Проверка подобного преобразования на экспериментальных данных за три года исследо- вания показала, что такое улучшение не является сезонным явлением. Используемое для коррекции постоянство коэффициента яркости при λ=400 нм представляет собой дополнительное условие для уточнения влияния рассеяния атмосферным аэро- золем в коротковолновой области видимого диа- пазона на суммарную восходящую яркость. Спектр поглощения фитопланктона об- наруживает дополнительные максимумы, некото- рые из которых превышают основной максимум поглощения хлорофилла ―а‖. Исследование полу- ченных спектров поглощения фитопланктона по- зволяет определять наличие микроорганизмов, не 360 400 440 480 520 560 600 , нм 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 a * p h м 2 /м г Е. Н. Корчемкина и др. / Региональный аналитический алгоритм… _________________________________________________________________________________________________________________ 261 обнаруживаемых стандартными биологическими методами. Хотя спектры поглощения пигментов получены при модельных допущениях и не могут считаться абсолютно достоверными, они содер- жат дополнительную информацию о поглощении морской воды in situ, которую затруднительно получить стандартными методами вследствие малости поглощения. ______________________________________________ 33,5 33,6 33,7 33,8 33,9 34 34,1 34,2 34.3 34,4 44,1 44,2 44,3 44,4 Кацивели Ялта , а) 33,5 33,6 33,7 33,8 33,9 34 34,1 34,2 34,3 34,4 44,1 44,2 44,3 44,4 Кацивели Ялта б) Рис. 4. Распределение концентрации хлорофилла по спутниковым данным за 01.09.04, восстановленные c применением: а) - стандартного алгоритма OC-4 (область с отсутствующими данными заштрихована); б) - предлагаемой методики _____________________________________________________ По спутниковым данным с применением разработанного ранее аналитического алгоритма были восстановлены концентрации примесей морской воды. Построены карты распределения хлорофилла в исследуемом районе. Полученные величины концентраций соответствуют типич- ным для исследуемого района в летний период. 1. O’Reilly J. E., Maritorena S., Mitchell B. G. et al. Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS // J. Goephys. Res. - 1998. - 103. - P. 24937-24953. 2. Суетин В. С., Суслин В. В., Королев С. Н. и др. Оценка изменчивости оптических свойств воды в Черном море летом 1998 г. по данным спутникового прибора SeaWiFS // Морской гидрофизический журн. - 2002. - № 6. - С. 44-54. 3. Суетин В. С., Сычев Е. Н., Суслин В. В. и др. Устранение аэрозольных искажений при анализе данных наблюдений Черного моря цветовым сканером CZCS со спутника Nim- bus-7 // Морской гидрофизический журн. - 1997. - № 4. - С. 71-79. 4. Паршиков С. В., Ли М. Е. Дистанционное зондирование оптически активных примесей с применением коротко- волнового участка спектра // Автоматизированные систе- мы контроля состояния морской среды. - Севастополь: МГИ НАН Украины. - 1992. - С. 65-78. 5. Chami M., Shybanov E. B., Khomenko G. A. et al. Spectral variation of the volume scattering function measured over the full range of scattering angles in a coastal environment // Appl. Optics. - 2006. - 45, No. 15. - Р. 3605-3619. 6. Ли М. Е., Мартынов О. В.. Измеритель коэффициента яркости для подспутниковых измерений биооптических параметров вод // Экологическая безопасность прибреж- Е. Н. Корчемкина и др. / Региональный аналитический алгоритм… _________________________________________________________________________________________________________________ 262 ных и шельфовых зон и комплексное использование ре- сурсов шельфа. - Севастополь: МГИ НАН Украины. - 2000. - С. 163-173. 7. Smith R. C., Baker K. S. Optical properties of clearest natural waters (200 - 800 nm) // Appl. Opt. - 1981. - 20. - Р. 77-184. 8. Чурилова Т. Я., Берсенева Г. П. Поглощение света фито- планктоном, детритом и растворенным органическим ве- ществом в прибрежном районе Черного моря (июль - ав- густ 2002 г.) // Морской гидрофизический журн. - 2004. - № 4. - С. 39-50. 9. Bricaud A., Babin M., Morel A. et al. Variability in the chlo- rophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplank- ton: Analysis and parameterization // J. Geophys. Res. - 1995. - 100. - P. 13321-13332. REGIONAL ANALYTICAL ALGORITHM FOR SEAWATER INHERENT OPTICAL PROPERTIES RETRIEVING USING SPECTRA OF REFLECTANCE E. N. Korchemkina, E. B. Shybanov The method used consists in solving of inverse problem of marine bio-optics on the base of sea reflectance spectrum. Non- standard parameterization of seawater optical properties is realized in iterative algorithm. The condition of reflectance constancy at the wavelength 400 nm is shown to stabilize the algorithm processing. Maps of chlorophyll concentration distribution are plotted for region of South Coast of Crimea. Obtained concentra- tion values are typical for coastal zone of Black Sea in summer period. Key words: reflectance, remote sensing, chlorophyll. РЕГІОНАЛЬНИЙ АНАЛІТИЧНИЙ АЛГОРИТМ ВІДНОВЛЕННЯ ПЕРВИННИХ ГІДРООПТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСЬКОЇ ВОДИ ЗА СПЕКТРОМ КОЕФІЦІЄНТА ЯСКРАВОСТІ О. М. Корчомкіна, Є. Б. Шибанов Використовуваний метод полягає в рішенні зворот- ної задачі біооптики моря на основі даних спектру коефіцієнта яскравості моря. Нестандартний спосіб параметризації оптич- них властивостей морської води, реалізований в ітераційному алгоритмі. Показано, що умова постійності коефіцієнта яскра- вості на довжині хвилі 400 нм дозволяє стабілізувати роботу алгоритму. Побудовано карти розподілу хлорофілу в районі Південного берега Криму. Одержані величини концентрацій відповідають типовим для прибережних районів Чорного моря в літній період. Ключові слова: коефіцієнт яскравості, дистанційне зондування, хлорофіл. Рукопись поступила 7 февраля 2008 г.

Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости

Institution

Ähnliche Einträge