Введение к работе
Актуальность проблемы. Возрастание роли океана, как источника
жизненно важных ресурсов обеспечения жизнедеятельности человека,
обусловило повышение активности в эксплуатации потенциальных
возможностей водной среды различными отраслями народного хозяйства. При этом
на первый план постепенно выходят задачи обеспечения экологической
безопасности работ, а также рационального использования и
воспроизводства запасов Мирового океана. Разработка методологии, технических
средств, а также эффективных алгоритмов обработки в реальном масштабе времени
массивов экспериментальных данных, получаемых при комплексном
авиакосмическом мониторинге состояния морей и океанов, является
перспективным направлением в исследовании промысловых популяций, а также в хозяйственном освоении биологических ресурсов Мирового океана.
Состояние океана является решающим фактором, влияющим на климат всей планеты, знание характеристик океанской среды требуется для разработки надежных прогнозов погоды. Комплекс таких характеристик определяется при измерениях физико - химических, океанологических, гидрометеорологических, биологических, и др. параметров как на поверхности, так и в толще водной среды. Требования по точности измерений перечисленных параметров определяют методологию сбора и обработки информации об океане.
Существующие технические средства, обеспечивающие требуемые точности при контактных измерениях, размещены на сети постов наблюдения, включающих как стационарные, так и подвижные: на дрейфующих буях и специализированных научно - исследовательских судах. Однако, большие размеры исследуемых акваторий делают задачу сбора данных чрезвычайно дорогой при использовании уже нескольких одновременно работающих судов. Кроме того, несинхронность собранной информации по времени и пространству не позволяет однозначно интерпретировать полученные результаты при последующей обработке.
В последнее десятилетие у нас в стране и за рубежом получили развитие исследования по дистанционному зондированию состояния морской поверхности с помощью искусственных спутников земли (ИСЗ) как специального морского назначения, так и природноресурсными, а также самолетов - лабораторий. Наряду с очевидными преимуществами от использования таких данных: значительная площадь исследуемых акваторий практически в один момент времени, возможность непрерывного ( до нескольких раз в сутки ) слежения за выбранным районом, авиакосмические данные обладают и специфическими особенностями, связанными с тем, что дистаиционно всегда измеряются только энергетические характеристики либо собственного ( ИК - диапазон) - либо
отраженного и рассеянного морской поверхностью солнечного излучения (видимый диапазон). В тоже время интересующий пользователя набор параметров может иметь очень слабые проявления в зарегистрированном сигнале и, следовательно, не может быть восстановлен с требуемой точностью.
Следует отметить, что поиск районов предполагаемой повышенной продуктивности всегда сопровождается экспериментальной проверкой с -помощью научно-исследовательского судна. В этом плане использование космических методов позволяет получить значительные преимущества при организации и проведении научно - исследовательских рыбохозяйственных экспедиций. Это в первую очередь связано с тем, что из - за неравномерного распределения промысловых гидробиоитов по району промысла, чрезвычайно трудно выйти на основные концентрации даже в районе исследований, если не используется дополнительная информация, поступающая от ИСЗ.
Вместе с тем, только авиакосмические данные не могут заменить весь объем традиционных наблюдений, так как информация, собираемая в промысловой океанографии, в основном используется комплексно. Таким образом, авиакосмическая информация должна рассматриваться как один из новых видов, существенно повышающих качество информационного обеспечения рыбопромыслового прогнозирования, интегрируемый вместе с традиционными потоками прогностической информации. Отсюда возникает проблема согласования методов сбора, обработки и использования авиакосмической океанологической информации совместно с традиционными океанографическими методами прогнозирования состояния промысловой обстановки.
По - существу, требуется создание новой комплексной информационной технологии со всей сопутствующей инфраструктурой, адекватной свойствам изучаемых природных объектов - морских экосистем. Основой подобной технологии должна стать система моделей, методов и средств, в которой достигается оптимальное согласование скорости и объемов получаемой информации требованиям задачи информационного обеспечения рыбопромыслового прогнозирования.
Таким образом актуальность работы определена: 1. Необходимостью разработки новых и совершенствования существующих методов дистанционного измерения параметров и характеристик водной поверхности и верхнего слоя океана, допускающих:
непрерывное измерение в реальном и квазиреалыюм масштабе времени;
возможность верификации данных дистанционного зондирования;
- возможность использования аппаратно - программного информационно -
измерительного комплекса для получения статистически значимого материала.
2. Необходимостью разработки методов интерпретации многомерной комплексной
авиакосмической информации.
3. Необходимостью разработки автоматизированного информационно
измерительного многоспектралыюго комплекса, позволяющего реализовать
многообразие методов мультиспектралыюго анализа природных гидробиоценозов.
Нель работы. Разработать и создать автоматизированный информационно -измерительный комплекс для мониторинга биологических ресурсов Мирового океана дистанционными авиакосмическими методами.
Конкретными целями проведенной работы являлись:
- определение отраслевых задач, пригодных для решения дистанционными
авиакосмическими методами с учетом океанологических процессов и явлений,
влияющих на распределение и поведение рыбопромысловых объектов Мирового
океана,
синтезирование состава бортовой спутниковой аппаратуры, обеспечиваюшей решение поставленных задач, анализ информационного содержания сигналов измерительных датчиков, предназначенных для дистанционного определения характеристик морской поверхности в различных диапазонах электромагнитного спектра,
- разработка и создание методов измерения параметров верхнего слоя
океана, основанных на комплексном использовании данных дистанционных и
контактных измерений,
- разработка и создание технических и аппаратно - программных
средств для реализации автоматизированного информационно - измерительного
комплекса авиасудового базирования;
экспериментально - производственная проверка в натурных условиях достоверности получаемых информационных материалов с использованием созданного автоматизированного информационно - измерительного комплекса.
Защищаемые положения и их научная новизна.
В диссертационной работе автор защищает следующие научные положения, полученные впервые:
I. Методологию применения комплексной информационной технологии сбора, обработки и использования данных, поступающих от космических, авиационных и судовых датчиков для решения мониторинговых научно -производственных задач отрасли, ее теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение.
2 Разработку, создание, исследование и внедрение в практику экспедиционных работ автоматизированного информационно - измерительного авиасудового комплекса, включающего подсистемы дистанционного измерения
ТЛО, концентрации хлорофилла "а", скорости приводного ветра и глубины залегания слоя скачка термоклина.
-
Возможность использования статистического метода эмпирических ортогональных функций для восстановления характеристик морской среды при спектрорадиометрическом зондировании, ее теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение.
-
Возможность восстановления вертикального профиля концентрации хлорофилла "а" по спектрам нисходящей солнечной освещенности в океане, а также методику и реализацию экспрессного анализа биооптических свойств вод по измерениям спектральной освещенности в океане.
5. Разработку алгоритма определения концентрации хлорофилла по крутизне
спада временной зависимости сигнала флуоресцентного канала авиапидара, а также
возможность измерения глубины залегания слоя скачка термоклина и связанного с
ним слоя повышенной мутности, обусловленного биогенной взвесью по данным
лидарного зондирования.
6. Методику расчета максимальной погрешности определения ТПО по
спутниковым ИК. - измерениям для заранее выбранных районов Мирового океана с
использованием априорных данных по изменчивости атмосферных условий.
Практическое значение работы заключается в создании методов и технических средств дистанционного зондирования океана, позволяющих решать задачи краткосрочного рыбопромыслового прогнозирования и диагностики состояния биооптических характеристик приповерхностного слоя океана.
Разработанные методики проведения судовых, авиационных и космических съемок водных акваторий позволили внедрить в практику экспедиционных работ научно - поискового флота и самолетов - лабораторий отрасли программно - измерительные подсистемы автоматизированного комплекса, использующие эффективные алгоритмы сбора и предварительной обработки данных различных измерительных датчиков в реальном масштабе времени.
При этом комплексная автоматизация процессов сбора и обработки разнородной информации обеспечила проведение непрерывного мониторинга состояния океана в интересующем районе максимально экономичным способом, не требующим высокой квалификации обслуживающего персонала.
Результаты проведенных исследований, представленные в диссертации, в настоящее время внедрены на раде промышленных предприятий и институтов страны, получен экономический эффект. Созданные автоматизированные технология рекомендованы для использования при оснащении существующих и вновь строящихся научно - поисковых и научно - исследовательских судов отрасли, а также на плавучих буровых Министерства нефтяной и газовой промышленности.
Реализация результатов.
Разработанные в диссертации методы и аппаратура успешно использовались в ряде комплексных судовых и авиационных экспедиций и позволили получить новые материалы, существенно дополняющие результаты экспедиций в целом. В том числе в следующих авиационных экспедициях:
-
В Курило - Хоккайдском районе Тихого океана (1989, 1990 г.г.) Использованы автоматизированные комплексы для восстановления ТПО по данным ИСЗ NOAA, скорости приводного ветра и концентрации хлорофилла по данным видеополяриметра "Трассер", глубины залегания слоя скачка термоклина по данным авиалидара "Макрель-2".
-
Японское море в районе о.Сахалин (1990, 1991 г.г.).
В следующих комплексных экспедициях на судах Минрыбхоза СССР: 1. 2 рейс научно - исследовательского судна (НИС) "Игнат Павлюченков" в Индийский океан (1988 - 1989 г.г.). Использовался судовой автоматизированный комплекс восстановления ТПО по данным ИСЗ NOAA и система измерения температуры контактными датчиками двух типов, заглубленного ТІ - 1 ГО и датчика измерения поверхностной температуры БИТ, а также элементы программно -измерительного комплекса восстановления первичной биопродуктивности по данным погружного видеосиектрометра "Li-Cor", проведено сравнение карт ТПО, восстановленных по космическим данным с контактными измерениями на полигоне в Индийском океанае.
-
3 рейс НИС "Игнат Павлюченков" в Северную Атлантику (1990 г.). Использовался усовершенствованный судовой комплекс восстановления ТПО по спутниковым данным, дополнявшим материалы гидрологической съемки, проводимой совместно с институтом океанографии в г.Виго (Испания).
-
4 рейс НИС "Игнат Павлюченков" в Центральную Атлантику (1991 г.) Использованы космический комплехс восстановления ТПО и погружной спектрорадиометр "Li - Cor" с программным комплексом Био - Оптик.
Апробашія работы.
Результаты работы докладывались на научных семинарах ВНИРО, ТИНРО, ПИНРО; коллоквиумах Пяавцентра "Океан"; отраслевом Всесоюзном совещании системы Госкомгадромета, Воронеж; семинарах отделов НПО "Планета" Роскомгидромета , Москва; на семинарах кафедр "Системы, устройства и методы геокосмической физики" МФТИ, Долгопрудный; "Физика атмосферы" МГУ, а также на семинарах рабочей группы центра международного сотрудничества Массачусеттского технологического института. Бостон (США).
Основные результаты диссертации докладывались на следующих Всесоюзных и Международных совещаниях н конференциях: ежегодных научных конференциях МФТИ, (1982 - 1985, 1987, 1989 - 1991 г.г.); ХУ Международной конференции по
оптике атмосферы в Томске 1990 г.; Гагаринских научных чтениях, Москва, 1984 г.; Всесоюзной конференции "Проблемы метрологии гидрофизических измерений", Москва, 1990 г.; на 11 Пленуме рабочей группы по оптике океана ( Комиссия АН СССР по проблеме Мирового океана), Красноярск, 1990 г.; Всесоюзной конференции "Рациональное использование биоресурсов Тихого океана", Владивосток, 1991 г.; Всероссийской конференции Международного союза приборостроителей, Туапсе, 1992 г.г.; VI летней школы по исследованию юпросов разоружения в Массачусеттском технологическом институте. Бостон (США), 1993 г.
Публикации-
Результаты исследований, обобщенные в диссертации, опубликованы в статьях, отчетах, тезисах докладов и описаниях авторских свидетельств на изобретения. Общее число работ по теме диссертации, опубликованных автором, составляет 43 наименования.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 233 стр. основного текста, 48 рис., 14 таблиц, список литературы из 217 наименований.
