Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Биооптические параметры морской воды 13
1.1 Оптические свойства морской воды 13
1.2 Спектры флуоресценции морской воды, возбуждаемые лазерным излучением 18
1.3 Физические основы лазерной флуориметрии морской воды 26
Глава 2. Методы измерений биооптических параметров морской воды 31
2.1 Физические основы пассивных дистанционных методов зондирования океана 31
2.2 Оптические сканеры, используемые для измерения спектров восходящего излучения (CZCS, SeaWiFS) 37
2.3 Судовой лазерный флуориметр, используемый для исследования спектров флуоресценции морской воды 51
Елава 3. Организация сбора, хранения и обработки биооптической информации в рамках геоинформационной системы 59
3.1 Организация сбора и хранения биооптической информации 59
3.2 Организация обработки биооптической информации в рамках геоинформационной системы 64
3.3 Обработка спектров ЛИФ в прикладных программных комплексах, использование в задачах оптической классификации морских вод и сравнительного анализа со спутниковыми данными 73
Глава 4. Использование методики лиф для проведения подспутниковых измерений и разработки региональных алгоритмов 83
4.1 Алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла— а 83
4.2 Методика сравнения спутниковых и судовых флуориметрических измерений концентрации хлорофилла-а 91
4.3 Разработка региональных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла-а с использованием метода ЛИФ 99
Глава 5. Разработка классификации морских вод по биооптическим параметрам в задачах создания региональных алгоритмов 109
5.1 Построение Q - С диаграмм для морских вод различных типов 109
5.2 Сравнительный анализ региональных алгоритмов для различных типов морских вод 114
Заключение 122
Литература
- Спектры флуоресценции морской воды, возбуждаемые лазерным излучением
- Оптические сканеры, используемые для измерения спектров восходящего излучения (CZCS, SeaWiFS)
- Обработка спектров ЛИФ в прикладных программных комплексах, использование в задачах оптической классификации морских вод и сравнительного анализа со спутниковыми данными
- Методика сравнения спутниковых и судовых флуориметрических измерений концентрации хлорофилла-а
Введение к работе
В настоящее время уделяется большое внимание разработке новых оперативных методов измерения биооптических параметров морской воды. Оптические методы измерения (как активные, так и пассивные) в большинстве своем являются дистанционными и обеспечивают высокую оперативность процесса измерения. Это позволяет получать большие объемы информации об исследуемом объекте в различных пространственных и временных масштабах. Большое внимание к разработке и использованию новых методов зондирования окружающей среды вызвано тем, что прогресс в решении целого ряда глобальных проблем в океанологии, физике и геохимии биосферы определяется возможностью проведения мониторинга океанологических процессов, мониторинга состояния фитопланктонных сообществ и исследования циклов воспроизводства органического вещества в океане в различных пространственных и временных масштабах. Мониторинг состояния планктона, находящегося в верхнем слое океана приобретает все более важное значение, в связи с той ролью, которую играет планктонное сообщество на планете и тем влиянием, которое оказывают различные процессы (природного и антропогенного происхождения) на его развитие и функционирование [1, 2]. Именно антропогенная составляющая этих процессов оказывает все большее влияние на формирование биооптических характеристик верхнего слоя океана. Фотосиптезирующие клетки (каковыми являются клетки фитопланктона) являются не только основой биопродуктивности океана, но и поддерживают определенный баланс в соотношении кислорода и углекислого газа в атмосфере, а так же участвуют в трансформации солнечной энергии в виды энергии, удобные для дальнейшего потребления [3-7]. Этими факторами объясняется важность решения задачи мониторинга планктонных сообществ в океане и разработке новых методов для его проведения.
Известно, какое широкое распространение получили оптические методы для исследования биооптических характеристик морской воды, включая и
5 измерение концентрации хлорофилла-а и других пигментов, содержащихся в фитопланктоне [8-11]- Поставленные задачи мониторинга состояния фитопланктонных систем, а так же углеродных циклов в океане, подразумевают проведение измерений биооптических характеристик верхнего слоя океана в различных пространственных и временных масштабах. Оптические дистанционные методы (активные и пассивные) как нельзя лучше отвечают тем требованиям, которые предъявляются при проведении подобного мониторинга. Можно говорить о том, что начиная с 1978 года осуществляется непрерывный спутниковый мониторинг пространственно - временного распределения хлорофилла-а в верхнем слое океана с использованием пассивных оптических методов, а именно, по измерению спектров восходящего из морской толщи излучения [например, 1.2-13]. Несмотря на явный прогресс в этой области, исследователи сталкиваются с определенными трудностями при интерпретации спутниковых данных по цвету морской поверхности, особенно в случае морских вод, относящихся ко второму типу [14], которые в большей части находятся в шельфовых водах. В случае морских вод, относящихся к первому типу (т.е. вод в которых растворенное органическое вещество производится фитопланктонным сообществом [15-17]) алгоритмы обработки спутниковых данных по цвету морской поверхности дают удовлетворительные результаты при восстановлении концентрации хлорофилла-а. Однако, во многих случаях, шельфовые воды нельзя отнести к первому типу и возникает необходимость проведения работ, связанных с созданием региональных алгоритмов обработки спутниковых данных [18]. Алгоритмов, в которых учитываются специфические биооптические характеристики конкретных районов. В этом случае необходимо проводить подспутниковые измерения как концентрации хлорофилла-а, так и других биооптических параметров морской воды [19]. Обычно при проведении экспериментов по сравнительному анализу спутниковых и судовых измерений, калибровке спутниковых данных используются стандартные методы определения концентрации хлорофилла-а, основанные на отборе проб морской воды, фильтрации и последующем измерении спектров поглощения.
Трудоемкость стандартных методов, отсутствие оперативности делает невозможным проведение подобных измерений на больших площадях и не обеспечивает соответствующей статистики измерений. В районах, где наблюдается большая изменчивость параметров в поверхностном слое, включая и концентрацию фитопланктона, стандартные измерения не могут обеспечить проведение корректного сравнительного анализа и точных калибровок спутниковых данных. Особенно часто подобные ситуации наблюдаются в морских водах второго типа (устьях рек, районах апвеллингов, на мелководном шельфе), т.е. там, где разработанные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла-а по спектрам восходящего из водной толщи излучения требуют особо тщательных калибровок.
С другой стороны, в настоящее время, наблюдается интенсивная разработка активных оптических методов зондирования верхнего слоя океана, в основном лазерных [20-22]. Методы измерения концентрации хлорофилла-а, основанные на измерении спектров флуоресценции морской воды, возбуждаемых лазерным излучением, используются, как для дистанционных измерений (в л ид арных системах) [23-25], так и в судовых прокачиваемых вариантах [26-28]. В обоих случаях метод позволяет проводить оперативные измерения концентрации хлорофилла-а и получать большое количество измерений, обеспечивая, таким образом, необходимое пространственное разрешение. В последних работах по использованию метода лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) показана возможность определения не только концентрации хлорофилла-а, но и параметров, напрямую характеризующих состояние фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона (такие как скорость электронного транспорта при реакции фотосинтеза или соотношение концентраций пигментов в клетке [29, 30]). Использование спектроскопии ЛИФ может позволить не только проводить сравнительный анализ полей концентрации хлорофилла-а, основываясь на большой статистике измерений и хорошем пространственном разрешении, но и
7 решать задачи, связанные с исследованием состояния фотосинтетического аппарата фитопланктона.
Спектры ЛИФ содержат информацию, как о живых клетках фитопланктона, так и об органическом веществе, которое воспроизводится фитопланктонным сообществом и присутствует в морской воде в растворенном и взвешенном состоянии. Это дает возможность использовать метод ЛИФ для исследования углеродных циклов органического вещества и воспроизводства его фитопланктонным сообществом. В задачах мониторинга состояния фитопланктонных сообществ, изучения процессов трансформации и источников происхождения растворенного органического вещества (РОВ) необходимы методы исследования, позволяющие проводить непрерывный мониторинг на больших акваториях. Только такие данные позволяют понять основные особенности процессов трансформации и циклов органики в океане в больших масштабах. Дискретные измерения не дают возможности отследить резкие градиенты величин, особенно в шельфовых зонах, проследить взаимосвязь параметров, характеризующих планктонное сообщество и растворенное органическое вещество на различных временных и пространственных масштабах.
Исследование углеродных циклов органического вещества является одной из фундаментальных проблем в океанологии и геохимии биосферы, поскольку процессы воспроизводства органики и ее превращения в процессе жизнедеятельности организмов определяют функционирование цепи биопродуктивности в океане и накопление источников энергии на нашей планете [6]. Процессы трансформации органического углерода и деірадации живых клеток в устойчивую к биохимическим превращениям часть РОВ, минерализация углерода в глубинных водах или его дальнейшее участие в бактериальном развитии и создании фракций, преобразующихся в органические формы в верхних слоях океана, активно исследуются в настоящее время [31]. Растворенное органическое вещество составляет примерно 90 - 95% от суммарного, остальные 5 - 10% присутствуют в воде в виде взвеси [32, 33] и
8 именно РОВ и фитопланктон играют основную роль при формировании спектров восходящего излучения из морской толщи, т.е. в формировании цвета морской поверхности или ее биооптических параметров [16]. В этом смысле концентрацию РОВ, как и концентрацию пигментов фитопланктона, так же можно отнести к одним из важнейших биооптических параметров. Основным источником производства органического вещества в океане являются фитопланктонные сообщества [32, 33]. РОВ непрерывно трансформируется в процессе своего превращения, причем по данным работ [16, 31-34] сам углерод составляет до 50% от всего РОВ.
Основную часть в интенсивность полосы флюоресценции растворенного органического вещества, при возбуждении лазерным излучением, дает именно лабильная часть РОВ или хромофорное (цветное) РОВ - важная фракция общего РОВ. Это РОВ является посредником в проведении фотохимических реакций в морской воде, определяет количество и качество солнечного света, достигающего фотосинтезирующие клетки фитопланктона, формирует цвет океана, который регистрируется спутниковыми сканерами и служит базой для дистанционного зондирования фитопланктонного сообщества. Эта часть представляет наиболее «легко измеряемую» часть РОВ (т.е. то РОВ, которое можно измерять оперативными методами) [35]. В последние годы публикуется довольно много статей, где используются флуориметрические методы для исследования органического вещества в морской воде (включая и нефтяные углеводороды) [27, 31, 36]. Несмотря на то, что в некоторых работах указывается на низкую корреляцию между интенсивностью сигнала флуоресценции и концентрацией общего РОВ [см. например 37], все большее число авторов используют методику лазерной индуцированной флуоресценции, для исследования динамики концентрации флуоресцирующего РОВ в морской воде [29, 35, 38, 39]. Это особенно относится к районам с высокими концентрациями хлорофилла-а, где концентрации лабильной части РОВ приближаются к значению суммарного РОВ.
В работах [19, 40-43] была показана возможность использования метода ЛИФ для проведения сравнительного анализа концентраций хлорофилла-а, полученных с использованием стандартных алгоритмов восстановления значений концентрации по измерению спектра восходящего из морской толщи излучения со спутника и непрерывными измерениями спектров ЛИФ на морской поверхности. Дальнейшая разработка метода ЛИФ для решения задач сравнительного анализа со спутниковыми данными потребовала как дальнейшей разработки аппаратуры для спектроскопии ЛИФ [44, 45], так и методов обработки спектров ЛИФ для определения биооптических параметров морской воды [46-48]. Проведение подобного анализа позволит решать другую важную задачу — разработку региональных биооптических алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла-а из спутниковых данных о цвете морской поверхности.
Известно, что основные биооптические параметры морской воды (в том числе и спектры восходящего из морской толщи излучения, т.е. цвет морской поверхности) формируются в основном, в результате биологических процессов [32, 37], протекающих в верхнем слое океана. Определяющими величинами здесь являются концентрация фитопланктона (которая тесным образом связана с концентрацией хлорофилла-а), величина общего РОВ и его компоненты, а так же наличие взвешенных частиц. В настоящее время принято деление морских вод на первый и второй классы, в зависимости от источников поступления суммарного органического вещества в воду. Таким образом, воды классифицируются в зависимости от источников формирования биооптических параметров. Если основной вклад в образование растворенного органического вещества вносит планктон, то воды относят к первому типу, если больший вклад дают другие (помимо планктонного сообщества) источники, то такие воды относят ко второму типу [49]. Принимается во внимание именно РОВ, поскольку, в среднем, взвешенная часть органического вещества не превышает 10% от общего содержания органики [50], как было сказано ранее. Принятая выше классификация хотя и носит качественный характер, но является
10 достаточно значимой в многих задачах оптики океана и, в частности, при создании алгоритмов восстановления концентрации пигментов, входящих в состав клеток фитопланктона, из спектров восходящего из морской толщи излучения. Основные алгоритмы разработаны и хорошо себя зарекомендовали именно в водах первого типа [51, 52]. Для вод второго типа необходимо проводить разработку региональных алгоритмов. Однако, в настоящее время не существует оперативных методов определения типов морских вод, и классификация проводится на основе информации о некоторых усредненных значениях поступления органического вещества в рассматриваемый район, с учетом тех процессов, которые там происходят.
В настоящей работе, исследуется возможность проведения оптической классификации морских вод по спектрам ЛИФ. Предлагается классифицировать воды по зависимости интегрального параметра спектра флюоресценции растворенного органического вещества (РОВ) - Q [53] от значений относительной интенсивности линии флюоресценции основного пигмента клеток фитопланктона - хлорофилл а-а (концентраций хлорофилла-а). Несмотря на то, что согласно ряду работ [37, 103] параметр Q сложным образом связан с общей концентрацией РОВ, он характеризует флюоресцирующую часть растворенной и взвешенной органики, которая подвержена дальнейшей трансформации в результате процессов разложения и минерализации (лабильную часть РОВ). В работе [37] приведены результаты исследования зависимости интенсивности полосы флюоресценции (в диапазоне длин волн от 450 до 550 нм при возбуждении ультрафиолетовым излучением от 350 до 390 нм) органического вещества для вод различной трофности. Показано, что прямой зависимости между интенсивностью флюоресценции и общим содержанием органического углерода нет, однако, прослеживается зависимость между легко разлагающимися фракциями РОВ - белков и содержащих органический фосфор. Согласно [33] именно на не стойкую, быстро разлагающуюся часть РОВ приходится в среднем 75%, и только 25% на стойкий к разложению водный гумус. Однако, в некоторых работах, показана
11 прямая зависимость между интенсивностью флюоресценции РОВ и его концентрацией [35, 39]. В данной работе, на основе большого числа натурных измерений спектров ЛИФ морской воды, выполненных в различных районах Мирового океана, проводится статистический анализ Q-C диаграмм рассеяния. Предложено провести классификацию типов вод и планктонных сообществ, на основе выделения линейных соотношений между основными биооптическими параметрами. В водах такого типа возможно введение параметра, характеризующего линейную связь между основными биооптическими компонентами спектра ЛИФ и, отвечающим за удельное воспроизводство флюоресцирующей части РОВ, фитопланктонным сообществом.
Вторая задача, поставленная в настоящей работе - исследовать возможность применения методики ЛИФ и подобной классификации по типам морских вод в задачах сравнительного анализа со спутниковыми данными о цвете морской поверхности и разработке региональных алгоритмов восстановления концентрации пигментов по данным о цвете морской поверхности. Решение этой задачи потребовало разработки специальных методик сопоставления спутниковых данных о поверхностном распределении полей хлорофилл а-а и значений концентраций, полученных на разрезах с использованием ЛИФ спектроскопии. Указанная задача потребовала создания и разработки Геоинформационной системы, в рамках которой проводилась точная координатная привязка результатов измерения спектров ЛИФ и гидрологических параметров верхнего слоя океана, измеряемых одновременно со спектрами ЛИФ морской воды. Такая система разрабатывалась коллективом, в работе которого автор принимал участие [54]. Высокое пространственное разрешение при измерении спектров ЛИФ (порядка 200 м) и точность привязки координат в ГИС обеспечили возможность использования спутниковых данных со сканера SeaWiFS с максимальным пространственным разрешением (порядка одного километра), а так же возможность получения нескольких значений концентрации хлорофилла-а (по методу ЛИФ) внутри одного пикселя на двумерном изображении распределения концентраций с SeaWiFS.
12 Разработанная методика применена для создания региональных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла-а по данным сканера цвета морской поверхности - SeaWiFS, установленного на спутнике SeaStar. С использованием метода ЛИФ проведена корректировка алгоритмов восстановления концентраций хлорофилла-а ОС2 и ОС4. Были использованы результаты экспедиционных исследований, проведенных в период 2001-2004 гг. на акватории Охотского, Японского, Восточно-Китайского, Южно-Китайского и Красного морей.
Основные задачи, поставленные в данной работе, сформулированы следующим образом:
Разработать методику использования лазерной индуцированной флуоресценции для подспутниковых измерений концентраций хлорофилла-а и сопоставления их со спутниковыми данными сканеров цвета морской поверхности.
Разработать процедуры, обеспечивающие обработку, привязку к географическим координатам, хранение и накопление спектров ЛИФ, в геоинформационной системе с целью последующего их использования.
Исследовать возможность проведения классификации морских вод по параметрам спектров ЛИФ и использование ее при разработке региональных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла-а из данных сканеров цвета морской поверхности.
Разработать региональные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла-а из спутниковых данных о цвете морской поверхности для некоторых районов мирового океана.
Спектры флуоресценции морской воды, возбуждаемые лазерным излучением
Известно, что при облучении морской воды (мощным лазерным излучением) наблюдается довольно сильный сигнал флуоресценции, который обусловлен как флуоресценцией самой воды, так и органического вещества, находящегося в ней в различных формах [11]. Причем, сигнал флуоресценции органического вещества намного превышает флуоресценцию непосредственно от самой воды [34]. Ранние работы, выполненные рядом авторов [15, 52-54], позволили определить природу этого спектра и выделить составляющие спектра ЛИФ, которые обязаны своим происхождением разным формам органического вещества, присутствующего в морской воде. На рис. 1.2.1 представлен один из примеров спектра флуоресценции морской воды и пример разложения суммарного спектра ЛИФ на компоненты, соответствующие различным сигналам флуоресценции (биооптические компоненты) из которых складывается суммарный спектр ЛИФ, процедура разложения спектра ЛИФ описана в параграфе 3.3.
На рисунке показан реальный спектр ЛИФ, индуцированный лазерным излучением с длиной волны 532 нм, отснятый во втором этапе кругосветной экспедиции на парусном учебном судне (ПУС) «Надежда» Морского государственного университета им. Г.И. Невельского в 2003-2004 гг. По вертикальной оси отложены относительные интенсивности сигнала флуоресценции, нормированные на максимальный сигнал в спектре, по горизонтальной оси — длины волн в нм. Согласно работам [19, 24, 25] в спектре флуоресценции фитопланктона, кроме пиков хлорофиллов (а, б и с) в зависимости от вида водорослей возможно появление широких полос флуоресценции фикоэретрина с центром в районе 580 нм (Ф), фикоцианина с центром на 650 нм. Кроме этого, нами регулярно обнаруживалась полоса флуоресценции на длине волны 610 нм (Y), которую не удалось сопоставить с известной, по литературным данным, одной из полос флуоресценции пигментов, входящих в состав клеток фитопланктона. При возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм линия флуоресценции фикоцианина с максимумом на длине волны 650 нм, «маскируется» более интенсивной линией комбинационного рассеяния воды.
Для решения задач, поставленных в настоящей работе, производится разложение спектра ЛИФ на составляющие, которые соответствуют широкой линии флуоресценции РОВ (экспоненциальный спад), линии комбинационного рассеяния (КР) воды (аппроксимируется функцией с Гауссовой формой линии), и линии флуоресценции, соответствующее основному пигменту - хлорофиллу-а (Х-а). и дополнительным пигментам — фикоэретрину (Ф) и хлорофшшу-б (X-б). Линия флуоресценции, лежащая в области спектра, которая соответствует флуоресценции хлорофилл а-с, проявлялась в спектрах крайне редко и как очень слабая линия. Анализ поведения этой линии в спектрах ЛИФ вынесен за рамки данной работы. Максимум значения функции Гаусса, которая описывает соответствующую линию комбинационного рассеяния (КР), имеет центр на длине волны 648 нм. Максимум функции, описывающей сигнал флуоресценции хлорофилла-а, соответствует длине волны 675 нм, линии флуоресценции фикоэретрина и пигмента Y, описываются также функциями Гаусса с центрами на длинах волн 580 нм и 610 нм соответственно. Ширины функций Гаусса и их амплитуды являются переменными величинами для различных спектров ЛИФ.
Изменение интенсивности флуоресценции РОВ в области длин волн от зеленого (от 560 нм) к красному (до 740 нм) можно хорошо аппроксимировать экспоненциальным спадом [55]:
Параметры экспоненты определяются типом РОВ, и отражают специфику условий образования РОВ и стадию распада органических соединений, входящих в него. Эта специфика заключается, прежде всего, в удельном воспроизводстве РОВ фитопланктонным сообществом, которое зависит от времени года, типов водорослей и локальных условий в которых развивается фитопланктон (гидрологические, гидрохимические, гидрофизические и т.д. особенности районов). Параметры экспоненты также зависят и от темпов протекания процессов разложения и трансформации органического вещества, вырабатываемого в процессе жизнедеятельности клеток фитопланктона. Процессы деградации, в свою очередь, зависят от внешних условий, в которых находится РОВ [27]. Поэтому показатель экспоненты в (1.2.1) отражает, скорее всего, «качество» РОВ в исследуемом районе.
Необходимо отметить, что вид экспоненты, соответствующей спектру РОВ, имеет характерный для каждого из районов вид. И связано это, прежде всего с той формой органического вещества, которая присутствует в данном районе, а также с процессами деградации лабильной части РОВ в стойкий к процессам разложения гумус [34]. Темпы подобного преобразования РОВ сильно связаны с внешними условиями [27]. По результатам проведенного исследования форм органического вещества, находящегося в морской воде,
Оптические сканеры, используемые для измерения спектров восходящего излучения (CZCS, SeaWiFS)
Спектральное распределение светового потока, выходящего из толщи морской воды, формирующее "цвет" океана, несет информацию о распределении фитопланктона., хлорофилла-а, неорганической взвеси и растворенной органики [72-75]. Концентрации этих элементов в поверхностном слое океана, а также их вертикальные распределения, прямо влияют на прозрачность морской воды, а от значений относительной прозрачности зависит распределение освещенности в морской воде. Относительная прозрачность - обобщающая оптическая характеристика водных масс (неполная и приближенная) - находится в прямой зависимости от спектрального хода коэффициента ослабления света в воде [76]. В целом цвет океана является интегральной спектральной характеристикой поверхностного слоя морской среды. Для осуществления непрерывного мониторинга цвета мирового океана важны оперативные дистанционные методы определения индекса цвета морской воды и его градиентов, которые позволяют качественно и количественно оценивать концентрации хлорофилла-а, растворенной органики и взвесей. Контактное определение хлорофилла-а не может обеспечить перекрытия таких масштабов.
Известно, что вариации содержания в морской воде пигментов фитопланктона приводят к изменениям в её цвете, т.е. в спектральном составе диффузно рассеянного солнечного излучения [74]. Следовательно, по спектрорадиометрическим измерениям яркости излучения, выходящего из толщи моря BW{X) потенциально возможно определение концентрации пигментов фитопланктона Cch и его первичной продукции Рв. Однако задача определения Cctl и Рв по дистанционным измерениям восходящего излучения, как и всякая обратная задача, имеет ряд трудностей в её решении.
Первая основная трудность связана с тем, что цвет морской воды определяется не только содержанием в ней фитопланктона Cch, но и содержанием растворенного органического вещества (РОВ), количественно обычно измеряемого его поглощением на фиксированной длине волны хи, и содержанием взвешенного вещества С,, иного, чем фитопланктон (детрит, минеральная взвесь терригенного происхождения). Помимо концентрации взвеси СР определенную роль в формировании цвета воды, т.е. спектра В№(Л), играет и качественный состав взвеси, определяющий индикатрису рассеяния морской воды х{у), ( -угол рассеяния). В реальной ситуации три основных параметра Сск ,Сг.,х0 в той или иной степени коррелированны между собой [77]. Вторая основная трудность решения рассматриваемой обратной задачи, при проведении измерений с космического носителя, заключается в том, что регистрируемое на спутнике излучение в значительной степени формируется атмосферой и в меньшой степени излучением, вышедшим из толщи воды, т.е. для определения BW(X) из полного излучения ВҐ(Л), регистрируемого прибором, нужно вычесть излучение атмосферной дымки и излучение, отражённое поверхностью воды, составляющие, как правило, 90 % суммарного излучения 5,(Я). Поскольку вклад BW{X) в суммарное излучение мал, требуется высокая точность знания атмосферного вклада, что представляет собой определённую трудность в силу значительной пространственно-временной изменчивости аэрозоля. Следовательно, атмосферная коррекция данных спектрорадиометрических измерений должна включать в себя и определение характеристик аэрозоля. Кроме этого, при вычитании из Я,(Я) расчетных величин атмосферного вклада необходимо знание 5,(Я) в абсолютных величинах с достаточно высокой точностью. Иными словами, с высокой точностью должна поддерживаться на орбите абсолютная калибровка данных измерений, что представляет собой непростую техническую задачу.
Рассмотрим существующие подходы к решению проблемы дистанционного определения биопродуктивности океанских вод, как использовавшиеся для прибора CZCS (Coastal Zone Color Scanner), работавшего на спутнике NIMBUS-7 с 1978 по 1986 г, так и использующиеся на данный момент на приборе SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor) спутника SeaStar, общий вид которого представлен на рис. 2.2.1.
Многоканальный сканирующий радиометр SeaWiFS, установленный на спутнике SeaStar имеющий 8 спектральных каналов, предназначен для глобального измерения цвета морской поверхности. На рис. 2.2.2 приведен общий вид сканера, на рис. 2.2.3 его схема. Он покрывает 90% всей морской поверхности каждые 2 дня. Что наглядно демонстрируют рис. 2.2.4 и рис. 2.2.5, где схематически отображены ход орбиты спутника и зона покрытия земной поверхности сканером SeaWiFS спутника SeaStar соответственно. SeaWiFS, в качестве выходных данных, выдает глобальные карты цвета океана разрешением 4.5 км, а так же региональные данные с разрешением 1,13 км в надире. Проект SeaWiFS является доработкой сканера цвета CZCS, и является предшественником для последующих проектов. Схематическое изображение и основные элементы солнечно синхронизованной орбиты представлены на рис. 2.2.6.
Обработка спектров ЛИФ в прикладных программных комплексах, использование в задачах оптической классификации морских вод и сравнительного анализа со спутниковыми данными
Общая схема обработки спектров ЛИФ для выделения флуоресцирующих компонент и определения концентрации хлорофилла-а представлена на рис. 3.3.1, где D — массив данных флуориметра; t — время измерения; / — интенсивность спектра ЛИФ, в отн. ед.; С„ - проводимость; Т- температура; X - географические координаты; S - соленость; Л - диапазон длин волн измерения спектра ЛИФ, в нм.; 7- фильтрованные, сглаженные и восстановленные спектры ЛИФ; К - коэффициенты функций, описывающих органические компоненты; N - шум спектра; F - список флагов, характеризующих качество каждого измерения [42].
Около 5% спектров, измеренных на флуориметре, подлежат предварительной фильтрации, поскольку содержат значительные ошибки измерений. Наиболее распространенной причиной их появления являются наводки и перебои в системе электропитания судна, сбои монохроматора, а также изменение рабочих характеристик лазера в течении непрерывной и длительной эксплуатации. Поэтому процедура обработки предусматривает три основных уровня фильтрации: фильтрация по времени, фильтрация по интенсивности спектра ЛИФ. Предусмотрена также фильтрация по величине гидрофизических параметров (температура и соленость) если в этом возникает необходимость. Из базы данных удаляются только те данные, которые не прошли фильтрацию по всем 3 уровням, для остальных данных создается таблица флагов в двоичном коде (таблица 3.3.1.).
Остановимся теперь более подробно на каждом уровне фильтрации: 1. Фильтрация по времени. Фильтруются все спектры, измеряемые долыие заданного времени Д, так и меньше Altmm (по умолчанию 5 и 1 минута, соответственно). Обычно, спектры с А/ Д, получаются при нестабильной работе лазера. Такие спектры очень сильно растянуты во времени и начало измерений и конец могут соответствовать разным водам, различающимся составом биокомпонент. Также спектры фильтруются по временному интервалу между концом записи одного спектра и началом записи следующего спектра ±2t. Очевидно, что, как минимум, эта величина должна быть положительная. Измерения, имеющие д,/ Д,гт.пи Д2/ Д2/тт получаются при сбое в работе компьютера, входящего в состав флуориметра. Таблица 3.3.1.
Список флагов, характеризующих качество спектра и его обработки. Тип флага Номер 1 бита Описание флага Фильтрация повремени 1 длительность записи спектра выходит за заданный временной диапазон A/in;n Д,г Д (по умолчанию Д/1ш„ -1, Д =5) временной интервал между измерениями спектров меньше критического значения А2( А2(тт (по умолчанию Д2 тга 0)
Фильтрация поинтенсивности 3 количество резких выбросов на спектре больше 3 не пройдена фильтрация по одному из следующих параметров спектра ЛИФ: шум, средняя интенсивность, средняя интенсивность в области КР, корреляция со средним спектром сдвиг спектра больше 1 Онм (сбой монохроматора) не пройдена фильтрация по одному из следующих параметров: температура, соленость
Аппроксимация спектра ЛИФ 7 сбой процедуры аппроксимации спектра ЛИФ шестью органическими компонентами FD, РЕ, PY, RS, СА, СВ
Фильтрация по интенсивности спектров ЛИФ. Данная процедура проводится для всех измерений. Сначала в спектрах ЛИФ проводится фильтрация резких выбросов по интенсивности, которые наблюдаются вследствие нестабильной работы лазера на одном отсчете по длине волны (рис. 3.3.2). Рассматриваемый спектр проходит медианную фильтрацию с окном 3 точки, после чего рассчитывается среднеквадратичное отклонение исходного спектра от фильтрованного. Для фильтрации используется критерий Ъх- 7 Получившийся набор спектров считается исходным для дальнейших процедур (сплошная линия). Если количество выбросов больше 3, то спектр считается не прошедшим фильтрацию.
Дальше фильтрация проходит по следующим рассчитанным параметрам: 2.1. Оценка уровня шума спектров. Шум оценивается, как отношение вариации разности исходного и сглаженного спектров, к вариации сглаженного спектра (пунктирная линия на рис. 3.3.2). NSR = Var(S-S) Var(S) где S -сглаженный по длинам волн спектр; 5 -исходный спектр. Сглаживание спектра, при этом производится фильтром с Гауссовым ядром с шириной 7 нм. Сглаженные спектры сохраняются для дальнейших расчетов.
Среднее значение интенсивности спектра по всему рассматриваемому диапазону длин волн ДА . По умолчанию, ДЛ = 555...740нм (позволяет учесть сбои монохроматора возникающие в ходе измерения отдельного спектра). Среднее значение интенсивности в области КР. По предыдущему параметру не всегда удается отфильтровать сбойный спектр, т.к. средняя интенсивность спектра может не выделяться на общем фоне, но при этом спектр смещен по длинам волн и пик КР находится в другой области диапазона или вообще не наблюдается на спектре.
Корреляция с усредненным спектром по выборке. В заданном массиве спектров рассчитывается среднее значение спектральной функции, после чего рассчитывается коэффициент парной корреляции между каждым, из выборки, спектром и средним значением распределения интенсивности по длинам волн.
Каждый из параметров, для некоторого набора спектров, представляет собой выборку и к ней, для дальнейшего анализа, можно применить разнообразные статистические методы, в том числе, и статистические методы и критерии для фильтрации. Выбросы можно определять автоматически или полуавтоматически, задавая достоверный интервал (рис. 3.3.3). Фильтрация по коэффициенту корреляции делается последней, чтобы влияние сбойных спектров на среднее значение спектральной функции было минимально.
Методика сравнения спутниковых и судовых флуориметрических измерений концентрации хлорофилла-а
Для разработки алгоритмов восстановления концентраций хлорофилла-а в конкретных районах осуществляются подспутниковые судовые измерения, которые выполняются как стандартными методами, с использованием отбора проб морской воды и последующим измерением спектров поглощения фитопланктона, так и другими методами, в частности, с использованием флуориметров [7, 101]. Подобные измерения могут служить основой для создания региональных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла-а по данным измерений со сканера SeaWiFS. Чтобы получить надежные алгоритмы восстановления концентраций хлорофилла необходимо иметь достаточно большое число одновременных спутниковых и контактных измерений, выполненных в одном и том же районе [102]. Это связано с тем, что в биооптических алгоритмах используется ряд плохо определенных параметров морской воды. Так, например, в работе [92] при тестировании алгоритмов SeaWiFS использован массив подспутниковых данных SeaBAM содержащий около 900 контактных измерений выполненных в различных районах мирового океана. При этом в некоторых районах количество измерений очень мало для получения надежных соотношений и алгоритмы построены на имеющихся нескольких измерениях.
Перспективным методом для проведения подспутниковых калибровочных экспериментов является метод лазерной индуцированной флуориметрии (метод ЛИФ), который позволяет проводить непрерывные измерения непосредственно по ходу судна с хорошим пространственным разрешением и в отличие от методов, использующих обычную флуориметрию, обеспечивает низкие значения минимально обнаружимых концентраций хлорофилла-а [3, 15-16]. В работах [3, 4, 14, 39, 103] были описаны результаты подобных измерений, которые выполнены с использованием проточного флуориметра для некоторых открытых районов Тихого океана. Практически все воды, в которых были проведены исследования, являлись водами первого типа, с малыми концентрациями хлорофилла-а, где все органическое вещество находящееся в воде, определялось продуктами жизнедеятельности фитопланктона. Но даже для этих вод использование глобальных алгоритмов с рекомендованными коэффициентами регрессий, приводило к завышенным значениям концентраций хлорофилла-а. Воды Охотского моря имеют гораздо большую пространственную изменчивость полей концентраций хлорофилла-а и смешенную структуру типов морских вод. Использование глобальных алгоритмов может привести к еще большим, по сравнению с водами открытого океана, погрешностям в оценках концентраций хлорофилла-а.
Проведем сравнительный анализ судовых и спутниковых данных по концентрации хлорофилла-а, полученных в период с 20 августа по 17 сентября 2001 года в шельфовых водах Охотского моря. Небольшая часть используемых данных получена на западном шельфе о. Сахалин и в открытой части Японского моря. За данный период получено более 12 тысяч спектров ЛИФ. Все спектры привязывались по координатам, определяемым на момент снятия спектров системой GPS. На период работ экспедиции были выбраны данные сканера SeaWiFS [94, 104], содержащие значения интенсивности восходящего излучения на поверхности моря в 8 спектральных каналах, центрированных на длины волн 412, 443, 490, 510, 555, 670, 765 и 865 нм. По ним рассчитывались коэффициенты яркости моря в наиболее информативных первых пяти каналах, входящие в известные глобальные и региональные алгоритмы [9, 92, 93, 105-107]. Для устранения погрешностей, связанных с временной изменчивостью концентрации хлорофилла, судовые данные выбирались в пределах одного часа до и после пролета спутника.
Для дальнейшей обработки из всех судовых данных отбирались только те, которые попали в выбранное временное окно пролета спутника. Таким образом, было выбрано 752 судовых измерения, из которых 161 значение пришлось исключить из расчетов, так как в соответствующих пикселях спутникового изображения отсутствовали данные о концентрации хлорофилла 101 а. На рисунке 4.3.1 они показаны зеленым цветом, маркируются как засвеченные, и в расчетах не используются.
В результате, для сравнительного анализа и построения регионального алгоритма, было получено 591 значение концентрации хлорофилла в 60 пикселях данных SeaWiFS. Участки маршрута судна, где удалось выбрать данные для дальнейшей обработки, представлены на рисунке 4.3.2,
Концентрации хлорофилла-а, восстановленные из спектров ЛИФ, усреднялись в пределах пикселя. Для уменьшения влияния случайных погрешностей, в расчетах использовались только пиксели, где количество спектров ЛИФ было не менее пяти. В выборках по каждому пикселю рассчитывались среднеквадратическое отклонение, коэффициенты асимметрии и эксцентриситета. При доверительной вероятности 95% из расчетов были исключены пиксели с распределением судовых измерений отличным от нормального [108]. Проведение данных процедур позволило оставить 48 пикселей для дальнейших расчетов. Судовые концентрации усреднялись в пределах отдельного пикселя.
