Определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным
Предлагается метод дистанционного определения концентрации взвеси в морской воде по эффективной длине волны восходящего излучения. Найдена система ортогональных функций, позволяющая по двум измерениям в зеленой части видимого диапазона восстанавливать спектр коэффициента яркости моря. Приведены и...
Saved in:
| Published in: | Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109603 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным / Е.В. Маньковская, Е.Н. Корчёмкина // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 1. — С. 234-240. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109603 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Маньковская, Е.В. Корчёмкина, Е.Н. 2016-12-03T15:14:39Z 2016-12-03T15:14:39Z 2011 Определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным / Е.В. Маньковская, Е.Н. Корчёмкина // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 1. — С. 234-240. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1726-9903 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109603 551.46.5 Предлагается метод дистанционного определения концентрации взвеси в морской воде по эффективной длине волны восходящего излучения. Найдена система ортогональных функций, позволяющая по двум измерениям в зеленой части видимого диапазона восстанавливать спектр коэффициента яркости моря. Приведены и проанализированы эмпирические соотношения для вод Черного моря, связывающие эффективную длину волны с концентрацией взвеси. Пропонується метод дистанційного визначення концентрації суспензії в морській воді по ефективній довжині хвилі висхідного випромінювання. Знайдена система ортогональних функцій, що дозволяє по двох вимірюваннях в зеленій частині видимого діапазону відновлювати спектр коефіцієнта яскравості моря. Приведені і проаналізовані емпіричні співвідношення для вод Чорного моря, що зв'язують ефективну довжину хвилі з концентрацією суспензії. This paper proposes a method of remote determination of the suspended matter concentration in seawater on the effective wavelength of upwelling radiation. The system of orthogonal functions is found, allowing to recover reflectance of the sea using two measurements in the green part of the visible spectrum. Empirical relations linking the effective wavelength with the concentration of suspended matter for the Black Sea waters are presented and analyzed. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Мониторинг прибрежной и шельфовой зон морей Определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным |
| spellingShingle |
Определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным Маньковская, Е.В. Корчёмкина, Е.Н. Мониторинг прибрежной и шельфовой зон морей |
| title_short |
Определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным |
| title_full |
Определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным |
| title_fullStr |
Определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным |
| title_full_unstemmed |
Определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным |
| title_sort |
определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным |
| author |
Маньковская, Е.В. Корчёмкина, Е.Н. |
| author_facet |
Маньковская, Е.В. Корчёмкина, Е.Н. |
| topic |
Мониторинг прибрежной и шельфовой зон морей |
| topic_facet |
Мониторинг прибрежной и шельфовой зон морей |
| publishDate |
2011 |
| language |
Russian |
| container_title |
Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу |
| publisher |
Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| format |
Article |
| description |
Предлагается метод дистанционного определения концентрации взвеси в морской воде по эффективной длине волны восходящего излучения. Найдена система
ортогональных функций, позволяющая по двум измерениям в зеленой части видимого диапазона восстанавливать спектр коэффициента яркости моря. Приведены и
проанализированы эмпирические соотношения для вод Черного моря, связывающие эффективную длину волны с концентрацией взвеси.
Пропонується метод дистанційного визначення концентрації
суспензії в морській воді по ефективній довжині хвилі висхідного випромінювання.
Знайдена система ортогональних функцій, що дозволяє по двох вимірюваннях в
зеленій частині видимого діапазону відновлювати спектр коефіцієнта яскравості
моря. Приведені і проаналізовані емпіричні співвідношення для вод Чорного моря,
що зв'язують ефективну довжину хвилі з концентрацією суспензії.
This paper proposes a method of remote determination of the suspended
matter concentration in seawater on the effective wavelength of upwelling radiation. The
system of orthogonal functions is found, allowing to recover reflectance of the sea using
two measurements in the green part of the visible spectrum. Empirical relations linking
the effective wavelength with the concentration of suspended matter for the Black Sea
waters are presented and analyzed.
|
| issn |
1726-9903 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109603 |
| citation_txt |
Определение концентрации взвеси по эффективной длине волны восходящего излучения применительно к спутниковым данным / Е.В. Маньковская, Е.Н. Корчёмкина // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 1. — С. 234-240. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT manʹkovskaâev opredeleniekoncentraciivzvesipoéffektivnoidlinevolnyvoshodâŝegoizlučeniâprimenitelʹnoksputnikovymdannym AT korčemkinaen opredeleniekoncentraciivzvesipoéffektivnoidlinevolnyvoshodâŝegoizlučeniâprimenitelʹnoksputnikovymdannym |
| first_indexed |
2025-11-24T11:37:42Z |
| last_indexed |
2025-11-24T11:37:42Z |
| _version_ |
1850845592386797568 |
| fulltext |
234
УДК 5 5 1 .4 6 .5
Е .В .Маньковская , Е .Н .Корчёмкина
Морской гидрофизический институт НАН Украины, г.Севастополь
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЗВЕСИ
ПО ЭФФЕКТИВНОЙ ДЛИНЕ ВОЛНЫ ВОСХОДЯЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ
Предлагается метод дистанционного определения концентрации взвеси в мор-
ской воде по эффективной длине волны восходящего излучения. Найдена система
ортогональных функций, позволяющая по двум измерениям в зеленой части види-
мого диапазона восстанавливать спектр коэффициента яркости моря. Приведены и
проанализированы эмпирические соотношения для вод Черного моря, связываю-
щие эффективную длину волны с концентрацией взвеси.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : взвесь, дистанционное зондирование, коэффициент яр-
кости, система ортогональных функций, эффективная длина волны.
Информативным параметром для определения концентрации взвеси в
поверхностном слое моря может быть эффективная длина волны для спек-
тра яркости моря λэфф. Соответствующие соотношения получены, например,
в работах [1 – 3].
Эффективная длина волны восходящего излучения λэфф определяется
как средневзвешенная на длину волны спектральная яркость излучения моря
λλλλλλ
λ
λ
λ
λ
dBdB ∫∫ ↑↑=
2
1
2
1
)()(ффэ .
Для ее расчета необходимо знать спектральные значения яркости вос-
ходящего излучения во всем видимом диапазоне.
В случае дистанционного определения λэфф значения )(λ↑B можно
получить по данным спутниковых сканеров цвета океана, например,
SeaWiFS и MODIS-Aqua (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov). Однако количество
спектральных каналов, в которых ошибки атмосферной коррекции мини-
мальны, у этих сканеров мало: 2 канала у SeaWiFS и 3 канала у MODIS-
Aqua. Такое количество величин В↑(λ) для расчета λэфф недостаточно.
Решением проблемы может быть построение системы ортогональных
функций путем расчета ковариационной матрицы и ее собственных векто-
ров для массива измеренных спектров яркости восходящего излучения. Та-
кая система функций позволит восстанавливать спектральные значения яр-
кости восходящего излучения по спутниковым значениям этой величины
лишь в двух-трех каналах. Результаты решения указанной задачи рассмат-
риваются в настоящей работе.
Данные. Измерения коэффициента яркости моря проводились на океа-
нографической платформе Морского гидрофизического института НАН
Украины (Южный берег Крыма, 44°23' с.ш., 33°59' в.д.) в 2002, 2003, 2004,
2008 и 2010 гг. с помощью разработанного в лаборатории отдела оптики
Е .В .Маньковская , Е .Н .Корчёмкина , 2011
235
моря МГИ НАН Украины спектрофотометра [4]. Прибор измеряет в диапа-
зоне длин волн 390 – 700 нм с дискретностью 5 нм спектральную яркость
восходящего из моря излучения, которая нормируется на спектральную об-
лученность поверхности моря. Измеряются также коэффициенты яркости
излучения, отраженного поверхностью моря, которые вычитаются из спек-
тров общего коэффициента яркости моря, и таким образом определяются
коэффициенты яркости водной толщи
surfseaw ρρρ −= . (1)
В табл.1 приведены данные о количестве и времени проведения изме-
рений. На рис.1 показаны спектры коэффициента яркости с наибольшими и
наименьшими значениями в максимуме ρmax, а также осредненный спектр.
Для определения концентрации взвеси были использованы данные из-
мерений глубины видимости белого диска и показателя ослабления направ-
ленного света, полученные на океанографической платформе МГИ НАНУ в
то же время, что и измерения коэффициента яркости моря. Эти величины
концентрации взвеси в работе названы экспериментально определенными.
Глубина видимости белого диска Zσ измерялась в 2002, 2003 и 2004 гг.
Концентрация взвеси (в мг/л) определялась по формуле из [5]:
Т а б л и ц а 1 . Даты и количество измерений коэффициента яркости.
даты
количество
измерений
пределы изме-
нения ρmax
28 июля – 15 августа 2002 г. 91 0,96 – 1,34 %
18 – 29 июля 2003 г. 75 1,0 –1,4 %
31 августа – 13 сентября 2004 г. 41 1,1 –1,4 %
4 – 21 июля 2007 г. 70 1,5 –2,5 %
4 – 13 октября 2007 г. 44 0,84 – 1,49 %
9 – 13 сентября 2008 г. 14 1,6 – 2,6 %,
11 – 17 августа 2010 г. 34 1,44 – 2,02 %
23 – 28 сентября 2010 г. 36 0,97 – 1,4 %
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
350 400 450 500 550 600 650 700
Р и с . 1 .Осредненный спектр коэффициента яр-
кости моря (■), спектры с наименьшим (▲) и
наибольшим (♦) значениями в максимуме.
236
-0,85
взв
59,4 σZC = . (2)
Показатель ослабления направленного света ε измерялся лабораторным
прозрачномером [6] в 2008 и 2010 гг. Концентрация взвеси (в мг/л) рассчи-
тывалась по показателю ослабления в красной области спектра (λ = 640 нм)
по формуле из работы [7]:
42,0)640(4,3
взв
−= εC . (3)
Показатель ослабления в (3) берется при десятичном основании.
Система ортогональных векторов. Для массива измеренных коэффи-
циентов яркости рассчитаны матрица ковариации R[ρ(λi), ρ(λj)] и ее собст-
венные числа и векторы. Проведено разложение функции ρ(λi) по ортого-
нальным векторам:
,)()()(
1
∑
=
Ψ+>=<
n
k
ikkii C λλρλρ (4)
где 〈ρ(λi)〉 – средние значения коэффициента яркости, Ψk(λi) – собственные
векторы ковариационной матрицы, Ck – собственные числа, i = 1,…, n. В
табл.2 приведены значения 〈ρ(λi)〉 и двух первых собственных векторов, ко-
торые вместе описывают 89 % относительной спектральной дисперсии ко-
эффициента яркости.
Средняя по спектру ошибка представления коэффициента яркости m
векторами была определена по формуле из [8]
∑∑
=+=
=
n
k
k
n
mk
k CCmE
11
)( (5)
и составила 10 % для двух векторов, 4 % для трех векторов. Таким образом,
с указанными ошибками могут быть восстановлены спектры коэффициен-
тов яркости моря по данным спутниковых сканеров SeaWiFS (2 спектраль-
ных канала) и MODIS-Aqua (3 спектральных канала).
Поскольку дистанционные измерения в коротковолновой части види-
мого диапазона имеют большую погрешность вследствие неточностей ат-
мосферной коррекции, для восстановления полного спектра предпочтитель-
нее использовать значения на длинах волн в другой области спектра, на-
пример 490 и 555 нм (для сканера SeaWiFS). Восстановленный спектр рас-
считывается по формуле
),()()()( 2211 iiii kk λλλρλρ Ψ+Ψ+>=< (6)
где коэффициенты 1k и 2k определяются из следующих условий:
Ψ+Ψ+>=<
Ψ+Ψ+>=<
).555()555()555()555(
),490()490()490()490(
2211
2211
kk
kk
ρρ
ρρ
(7)
Формулы для расчета 1k и 2k имеют следующий вид:
Ψ
ΨΨ−Ψ
Ψ
Ψ∆−∆=
)490(
)555()490(
)555(:
)490(
)555()490(
)555(
1
12
2
1
1
2k , (8)
)490(
)490()490(
1
22
1 Ψ
Ψ−∆= k
k , (9)
237
где ><−=∆ )490()490()490( ρρ , ><−=∆ )555()555()555( ρρ .
Таким образом, зная спектр коэффициента яркости с достаточной дис-
кретностью, можно определить эффективную длину волны λэфф.
Т а б л и ц а 2 . Средний спектр коэффициента яркости и два первых собственных
вектора.
длина волны
λ, нм
〈ρ(λ)〉, % СКО Ψ1(λ) Ψ2(λ)
390 0,666 0,101 0,135 – 0,054
400 0,700 0,111 0,153 – 0,034
410 0,741 0,114 0,158 – 0,027
420 0,792 0,109 0,155 – 0,038
430 0,857 0,107 0,152 – 0,067
440 0,902 0,114 0,164 – 0,052
450 0,960 0,113 0,164 – 0,061
460 1,019 0,115 0,164 – 0,092
470 1,076 0,115 0,156 – 0,138
480 1,125 0,115 0,149 – 0,161
490 1,153 0,114 0,137 – 0,176
500 1,142 0,117 0,142 – 0,171
510 1,089 0,109 0,148 – 0,104
520 1,033 0,105 0,154 – 0,027
530 1,008 0,102 0,148 – 0,032
540 0,973 0,102 0,139 – 0,040
550 0,905 0,099 0,137 0,015
560 0,821 0,103 0,138 0,077
570 0,721 0,105 0,137 0,137
580 0,620 0,101 0,125 0,149
590 0,503 0,101 0,115 0,182
600 0,395 0,104 0,104 0,216
610 0,329 0,099 0,090 0,218
620 0,284 0,093 0,083 0,204
630 0,251 0,079 0,069 0,175
640 0,228 0,072 0,062 0,157
650 0,205 0,065 0,058 0,140
660 0,185 0,059 0,054 0,119
670 0,173 0,056 0,050 0,114
680 0,166 0,057 0,047 0,112
690 0,156 0,059 0,049 0,118
700 0,147 0,062 0,048 0,126
238
Определение концентрации взвеси. В работах [1 – 3] получены сле-
дующие соотношения для определения общей концентрации взвеси в водах
Черного моря по эффективной длине волны восходящего излучения:
1) 12,51095,9lg эфф
3
взв −⋅= − λC , где Свзв измеряется в мг/л, λэфф в нм.
Районы измерений: Черное и Средиземное моря. Коэффициент корреляции
0,80, число точек n = 58, спектральный диапазон для расчета λэфф составляет
420 – 620 нм [1];
2) 36,181063,3lg эфф
2
взв −⋅= − λC , где Свзв измеряется в мг/м
3, λэфф в нм.
Коэффициент корреляции 0,87, число точек n = 50, 461 ≤ λэфф ≤ 521 нм [2];
Спектральный диапазон для расчета λэфф составляет 390 – 700 нм.
3) 27,101005,2lg эфф
2
взв −⋅= − λC , где Свзв в мг/л, λэфф в нм. Районы из-
мерений: Черное море, Атлантический океан, Мексиканский залив. Коэф-
фициент корреляции 0,87, число точек n = 24, средняя ошибка регрессии
Sy/x = 0,17, 460 ≤ λэфф ≤ 536 нм, 0,099 ≤ Свзв ≤ 3,22 мг/л, спектральный диапа-
зон для расчета λэфф составляет 400 – 600 нм [3];
4) 02,111019,2lg эфф
2
взв −⋅= − λC , где Свзв в мг/л, λэфф в нм. Районы из-
мерений: Черное море, Атлантический океан, Мексиканский залив. Коэф-
фициент корреляции 0,86, число точек n = 24, средняя ошибка регрессии
Sy/x = 0,20, 460 ≤ λэфф ≤ 536 нм, 0,099 ≤ Свзв ≤ 3,22 мг/л, спектральный диапа-
зон для расчета λэфф составляет 400 – 600 нм [3].
Для проверки указанных соотношений были использованы эксперимен-
тальные данные оптических измерений на океанографической платформе
МГИ НАН Украины (всего 62 измерения). В табл.2 содержится информация
по массиву {Свзв, λэфф}.
Наибольшее соответствие расчетных и экспериментальных значений
получено в случае использования уравнения (4) из [3]. На рис.2 приведены
временной ход и регрессия расчетных и экспериментальных значений кон-
центрации взвеси Свзв. Максимальная относительная погрешность составля-
ет 51,6 %, минимальная 0,4 %, средняя 20,1 %. Во многом такие значения
погрешностей получены из-за косвенного определения, а не прямого изме-
рения концентрации взвеси, а также не точного соответствия времени изме-
рения спектра коэффициента яркости и времени измерения глубины види-
мости белого диска или показателя ослабления света.
Выводы. На основе ана-
лиза большого массива дан-
ных натурных измерений ко-
эффициента яркости получена
система ортогональных функ-
ций, позволяющая рассчиты-
вать спектр коэффициента яр-
кости с дискретностью 5 нм
по измерениям в двух спек-
тральных каналах. Это дает
возможность использовать
спутниковые данные в кана-
Т а б л и ц а 2 . Характеристика эксперимен-
тального материала.
год
количество
измерений
диапазон изменения
λэфф, нм Свзв, мг/л
2002 17 493 – 502 0,52 – 0,94
2003 22 490 – 499 0,40 – 0,60
2004 12 492 – 497 0,47 – 0,76
2008 7 484 – 492 0.34 – 0.54
2010 4 484 – 487 0.37 – 0.58
239
а
б
Р и с . 2 . Сравнение расчетных и эксперименталь-
ных значений концентрации взвеси: временной ход
(а), регрессия (б) (y = 0,71x + 0,25; R2 = 0,53).
лах, наименее подверженных влиянию погрешностей атмосферной коррек-
ции, для восстановления полного спектра коэффициента яркости, а также
других характеристик, таких как эффективная длина волны.
Проанализированы известные из литературы эмпирические зависимо-
сти, связывающие концентрацию взвеси в морской воде с эффективной
длиной волны. Показано, что формула из [3] наилучшим образом описывает
временной ход концентрации взвеси, и ее можно применять при обработке
данных натурных измерений и их анализе. Возникающие погрешности
можно частично объяснить тем, что концентрация не измерялась непосред-
ственно, а была определена по измерениям глубины видимости белого дис-
ка и показателя ослабления света.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Афонин Е.И., Крашенинникова М.А. Статистические связи между оптико-
биологическими характеристиками вод и параметрами восходящего из моря
излучения / Дистанционное зондирование моря с учетом атмосферы / Под ред.
В.А.Урденко, Г.Циммерманн.– Москва-Берлин-Севастополь: ИКИ АН ГДР,
1987.– т.2, ч.2.– С.57-80.
240
2. Шемшура В.Е. Оценка хлорофилла и сестона по цвету морских вод / Дистанци-
онное зондирование моря с учетом атмосферы / Под ред. В.А.Урденко, Г.Цим-
мерманн.– Москва-Берлин-Севастополь: ИКИ АН ГДР, 1987.– т.2, ч.2.– С.80-85.
3. Шемшура В.Е., Владимиров В.Л. Оценка концентрации взвеси в море по глуби-
не видимости белого диска и спектрам восходящего излучения // Океанология.–
1989.– т.29, № 6.– С.946-950.
4. Ли М.Е., Мартынов О.В. Измеритель коэффициента яркости для подспутнико-
вых измерений биооптических параметров вод // Экологическая безопасность
прибрежных и шельфовых зон и комплексное использование ресурсов шельфа.
– Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2000.– С.163-173.
5. Витюк Д.М. Взвешенное вещество и его биогенные компоненты.– Киев: Нау-
кова думка, 1983.– 210 с.
6. Маньковский В.И., Кайгородов М.Н. Лабораторный автоколлимационный про-
зрачномер с переменной базой // 5-я всесоюзная школа «Автоматизация научных
исследований морей и океанов».– Севастополь: МГИ АН УССР, 1980.– С.91-92.
7. Маньковский В.И., Соловьев М.В. Связь показателя ослабления излучения с
концентрацией взвеси в водах Черного моря // Морской гидрофизический жур-
нал.– 2003.– № 2.– С.60-65.
8. Principal manifolds for data visualization and dimension reduction. Lecture notes in
computational science and engineering.– Berlin-Heidelberg-New York, Springer,
2007.– 340 p.
Материал поступил в редакцию 2 5 .1 1 .20 1 1 г .
АНОТАЦІЯ . Пропонується метод дистанційного визначення концентрації
суспензії в морській воді по ефективній довжині хвилі висхідного випромінювання.
Знайдена система ортогональних функцій, що дозволяє по двох вимірюваннях в
зеленій частині видимого діапазону відновлювати спектр коефіцієнта яскравості
моря. Приведені і проаналізовані емпіричні співвідношення для вод Чорного моря,
що зв'язують ефективну довжину хвилі з концентрацією суспензії.
ABSTRACT. This paper proposes a method of remote determination of the suspended
matter concentration in seawater on the effective wavelength of upwelling radiation. The
system of orthogonal functions is found, allowing to recover reflectance of the sea using
two measurements in the green part of the visible spectrum. Empirical relations linking
the effective wavelength with the concentration of suspended matter for the Black Sea
waters are presented and analyzed.
|