Введение к работе
Актуальность темы. Разработка аэрокосмических методов дис-танциониого зондирования полей взвешенных веществ в море является актуальной проблемой современных океанографических исследований. Особую ценность представляет накопление и последующий анализ многолетних серий аэрокосмических изображений поверхности моря, необходимых при исследовапии разномасштабной пространственно-временной изменчивости гидрофизических полей и при экологическом мониторинге и контроле за состояігаем водной среды. При обработке спутниковых изображений с целью картирования полей взвешенных веществ в море недостаточное внимание уделялось меіодическим вопросам, что в ряде случаев приводило к ошибочной классификации оптических неоднородностей, ошибочной интерпретации данных и даже к принятию неверных решений.
Дистанциошіьіс методы исследования полей взвешенных веществ в море связаны с созданием региональных баз данных, баз знаний, экспертных систем и разработкой региональных географических информационных систем (ГНС), важной составной пастью которых является блок аэрокосмического мониторинга. Решение природоохранных задач в рамках ГИС соответствует современным тенденциям развития наук о Земле, включая экологию, океанолоппо и гидрологию.
Цель работы состояла в развитии аэрокосмических методов исследования полей взвешенных веществ в море и их использовании для решения научных и практических задач океанографии. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Анализ материалов комплексных наїурньїх экспериментов, установление связи между яркостными неоднородностями изображения морской поверхности и содержанием взвеси.
-
Проведение модельных расчетов яркости излучения моря на верхней границе атмосферы для разных условий освещенности и разной степени загрязнения приповерхностного слоя неорганической взвесью.
-
Разработка методов дешифрирования и интерпретации аэрокосмических данных для выделения зон с повышенным содержанием взвешенных веществ в поверхностном слое моря и оценки концентраций взвеси.
-
Использование разработанных методов для исследования полей взвешенных веществ в различных районах Балтийского и Каспийского морей.
5. Исследование разномасштабной пространственно-временной изменчивости распределения полей взвешенных веществ на основе многолетнего ряда аэрокосмических наблюдений (на примере Невской губы и восточной части Финского залива).
Фактические материалы. В работе использованы:
материалы комплексных спутниковых и судово-самолетных экспедиционных исследований, проведенных в Балтийском, Каспийском и Черном морях при активном участии автора;
многозональные данные оптического диапазона с отечественных искусственных спутников Земли (ИСЗ) за период с конца семидесятых годов по настоящее время (ИСЗ "Метеор-Природа", "Космос", "Океан"; сканеры МСУ-М, МСУ-С, МСУ-СК, МСУ-Э); -фотоснимки высокого разрешения с автоматических космических аппаратов типа "Ресурс-Ф";
эпизодические данные оптического диапазона с ИСЗ "Landsat" (США), JERS-1 (Япония), пилотируемой станции "Союз-22";
данные многозональной аэрофотосъемки аппаратурой МКФ-6;
материалы аэрофотосъемки, с самолетов ИЛ-14 и АН-30;
материалы визуально-инструментальных самолетных наблюдений, СПО ГОИН, в том числе данные спектрофотометрирования водной поверхности и распределения радиационной температуры поверхности моря;
оперативная информация с ИСЗ NOAA;
гидрометеорологические данные, по материалам ГМС СЗУ Росгидромета;
периодические измерения относительной прозрачности вод на, станциях общегосударственной сети наблюдений и контроля (ОГСНК) Росгидромета и экспедиционные судовые материалы института Ленгидропроект (распределение прозрачности и общей концентрации взвеси).
Основігую часть анализируемых спутниковых материалов составили прозрачные дубль негативы с многозональных сканирующих систем МСУ-М, МСУ-С и МСУ-СК. Использовалась также информация ИСЗ в цифровом виде (МСУ-Э, AVHRR, JERS-1) й авиационные данные, представленные в виде фото негативов, карт распределения ннутримассовых загрязнений и трассовых спектрометрических измерений яркости моря.
Перечисленные выше источшжи поступления аэрокосмической информации использовались для разработки региональной базы данных по Невской губе и восточной части Финского залива. В нее включены более 300 карт распределения взвешенных веществ за период с 1975 г. по 1993 г., более 100 карт температуры поверхности моря (ТПМ), сопутствующая гидрометеорологическая информация и материалы специализированных судовых наблюдений.
Научная новизна. Для обнаружения зон с повышенным содержанием взвешенных веществ в море и оценки концентраций взвеси по данным дистанционного аэрокосмического зондирования разработаны следующие методы, основанные на учете спектральных характеристик системы вода-атмосфера и региональных особенностей исследуемых акваторий:
метод качественной оценки содержания взвеси с выделением относительных градаций загрязнения моря;
метод количественной оценки пределов вариаций концентраций минеральной взвеси в выделенных зонах, основанный на использовании опорных значений относительной прозрачности вод и концентраций взвеси;
оперативный метод количественной оценки пределов концентраций взвеси в зонах, основанный на использовании среднестатистических значений относительной прозрачности вод и концентраций взвеси на выбранных тестовых участках;
разностный метод оценки концентраций минеральной взвеси в случае локальных загрязнений поверхности моря при ограниченном числе измерений содержания взвеси в пределах пятна загрязнения.
Предложены критерии устранения возможной неоднозначности и ошибочной классификации оптических неоднородностей при дешифрировании и интерпретации спутниковых изображений моря.
Установлено, что при повышенном содержании минеральной взвеси составляющая атмосферы в длинноволновом участке видимого диапазона уменьшается до 10-15% и соответственно увеличивается вклад подповерхностной яркости моря.
Показана целесообразность использования ближнего ИК диапазона для детального исследования зон с высокой (более 60-100 мг/л) концентрацией взвеси. Выявлены и обоснованы оптимальные
условия аэрокосмического мониторинга, полей непоглощающеи взвеси в прибрежных районах. На зашиту выносятся:
методы обнаружения зон загрязнения моря взвешенными веществами и оценки концентраций минеральной взвеси по данным дистанционного аэрокосмического зондирования, основанные на учете спектральных характеристик системы вода-атмосфера и региональных особенностей исследуемых акваторий;
критерии распознавания оптических неоднородностей в системе дно-вода-атмосфера и устранения возможной неоднозначности при дешифрировании и интерпретации на спутниковых изображениях моря зон с различным содержанием непоглощающеи взвеси;
результаты интерпретации аэрокосмических данных при изучении
ПОЛеЙ ВЗВешеННЫХ ВещеСТВ И ЭЛеМеНТОВ ДИНаМИКИ ПОВфХНОСТНЫХ
вод в различных районах Балтийского и Каспийского морей; -результаты исследований разномасштабной пространственно-временной изменчивости распределения полей взвешенных веществ под воздействием различных природных и антропогенных факторов, полученные на основе анализа многолетнего ряда аэрокосмических наблюдений Невской губы и восточной части Финского залива.
Практическая значимость. Диссертация выполнена в рамках научно-исследовательских работ Государственного океанографического института.
Разработанные методы и результаты исследований могут быть использованы при решении научных я прикладных океанографических задач, в частности," при проведении экологического мониторинга поверхности моря и природоохранных мероприятий, при прогнозировании распределения загрязнений в поверхностном слое моря, для оптимизации размещения станций измерений гидрохимических, гидробиологических и других параметров водной среды. Результаты
региональных аэрокосмических исследований поверхности моря могут быть использованы при разработке и верификации экологических и гидродинамических моделей, при решении задач управления водными системами, при создании региональных морских ГИС и экспертных систем.
Разработанные в диссертации методы обнаружения с ИСЗ зон загрязнения поверхностного слоя моря взвешенными веществами прошли производственные испытания и неоднократно применялись на практике. Архивные и текущие азрокосмические материалы в 1990 г. были использованы для оценки влияния строительства комплекса защитных сооружений (КЗС) Санкт-Петербурга от наводнений на гидрологическое и экологическое состояние Невской губы. Результаты этих исследований были включены в отчет Международной экспертной комиссии. В 1992 г. разработанные аэрокосмические методы использовались в рамках проведенного управлением Ленморзащита крупномасштабного эксперимента по выявлению возможности влияния маневрирования водопропускными сооружениями КЗС на улучшение качества воды в Невской губе и восточной части Финского залива.
Методическая часть работы использована при составлении научно-производственного издания "Методические указания по комплексному использованию спутниковой информации для изучения морей", Гидрометеоиздат, 1987.
Обоснованность научных положений, выводов, результатов.
Результаты, полученные автором, основаны на анализе большого объема спутниковой и авиационной информации. В общей сложности использовано около тысячи изображений различных районов Балтийского и Каспийского морей.
Экспериментальные данные получены с использованием современных техішческих средств, их обработка проводилась с применением современного математического аппарата на современных ЭВМ.
Количественные оценки концентраций взвеси по материалам дистанционного зондирования моря согласуются с данными судовых измерений.
Результаты региональных исследований, полученные на основе использования разработанных дистанционных методов, не противоречат общим представлениям о гидрологических характеристиках акваторий.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Девятом пленуме рабочей группы по оптике океана Комиссии по проблемам Мирового океана АН СССР (Батуми, 1984), на 16-19 конференциях Балтийских океанографов (Киль, ФРГ, 1988; Норчеппинг, Швеция, 1990; Санкт-Петербург, 1992; Сопот, Польша, 1994), на XI республиканской гидрометеорологической конференции (Вильнюс, 1986), на III съезде советских океанологов (Ленинград, 1987), на III научно-технической конференции "Комплексные геолого-гсо-физические исследования Мирового океана (Геленджик, 1988), на Всесоюзной конференции по методам и средствам дистанционного зондирования и обработки космической информации в интересах народного хозяйства (Рязань, 1989), на международном совещании "Охрана окружающей среды в Балтийском регионе" (Санкт-Петербург, 1989), на международном семинаре "Экологические проблемы больших городов" (Санкт-Петербург, 1992), на международном симпозиуме "Операционализация дистанционного зондирования" (Энсхеде, Нидерланды, 1993), на первом Евразийском симпозиуме по космическим исследованиям и технологиям (Гебз, Турция, 1993), на второй и третьей тематических конференциях "Дистанционное зондирование морей и прибрежных районов"
(Новый Орлеан, США, 1994; Сиэтл, США, 1995), на совещании рабочей группы Европейской Ассоциации Лабораторий Дистанционного зондирования "Мониторинг загрязнений и ГИС" (Прага, Чехия, 1995), на 17 международной конференции по картографии (Барселона, Испшшя, 1995), а также на сессиях Научного совета по космическим исследованиям для народного хозяйства межведомственного координационного совета АН СССР, заседаниях ученого совета ГОИН и СПО ГОИН, научных семинарах лаборатории космической океанографии и аэрометодов СПО ГОИН, на рабочих совещаниях управления "Ленморзащита".
Публикации. По теме диссертации опубликованы 33 работы. Основные результаты изложены в 27 публикациях.
Личный вклад автора в работах выполненных в соавторстве, заключался в непосредственном участии в организации и проведении экспедиционных исследований, в обосновании применяемых методов обработки и анализа натурных данных, проведении расчетов на ЭВМ, интерпретации и обобщении данных дистанционного зондирования. Все научные выводы и результаты, изложенные в .диссертации, получены непосредственно автором.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Работа содержит 113 страниц основного текста, 12 таблиц, 51 рисунок, 5 страниц приложения и список литературы из 178 наименований, в том числе 65 на иностранных языках.
