Сборник тезисов докладов шестнадцатой Всероссийской открытой конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, ИКИ РАН, 2018 год

(http://smiswww.iki.rssi.ru/d33_conf)

Методика определения оптических свойств воды Горьковского водохранилища с высоким пространственным разрешением и результаты ее практического применения

Мольков А.А. (1), Пелевин В.В. (2), Корчёмкина Е.Н. (3), Алескерова А.А. (3), Коновалов Б.В. (2), Федулов В.Ю. (2)
(1) ИПФ РАН, Нижний Новгород, Россия
(2) ИО РАН, Москва, Россия
(3) МГИ РАН, Севастополь, Россия
Исследование оптических свойств вод различных водоемов является классической и до сих пор трудно решаемой задачей гидрооптики. Наибольшие трудности у океанологов возникают при изучении внутренних пресноводных эвтрофных водоемов, характеризуемых высокой пространственно-временной изменчивостью. С развитием и внедрением новых оптических приборов дистанционного и контактного зондирования вод, таких как космические сканеры цвета высокого пространственного разрешения, флуоресцентные лидары, портативные спектрофотометры, а также погружные флуорометры, интерес к внутренним водоемам значительно возрос. Согласно литературным данным исследования по разработке алгоритмов для мониторинга внутренних водоемов с использованием их спутниковых изображений ведутся во множестве стран мира (например, [1-3]). Предлагаемые алгоритмы являются региональными ввиду уникальности гидрооптического режима каждого водоема. В их основе лежат результаты судовых подспутниковых измерений восходящей яркости и лабораторного анализа проб воды, отобранных в нескольких близкорасположенных точках водоема вблизи момента пролета спутника. В результате сбор данных для валидации спутниковых изображений ограничен временной привязкой к пролету спутника и обычно не позволяет зарегистрировать значительные вариации оптических свойств воды ввиду малого охвата площади подспутникового мониторинга.
В настоящей работе предложена к внедрению в практику лимнологического мониторинга оригинальная методика верификации спутниковых данных с помощью дистанционного подспутникового оперативного зондирования, призванная снять упомянутые ограничения.
Ее апробация на примере акватории Горьковского водохранилища была выполнена 21 сентября 2018 г. в период активного цветения на водоеме сине-зеленых водорослей в часовой интервал времени относительно пролета спутника Sentinel 2B. В основе методики лежали непрерывные синхронизованные судовые измерения восходящей яркости моря и концентрации хлорофилла а с помощью спектрометра Ocean Optics USB2000 и заранее откалиброванного по 10 пробам воды [4] (с коэффициентом детерминации R2=0,9) флуоресцентного лидара UFL-9 [5] соответственно. Оба прибора размещались на носу глиссирующего моторного катера, длина которого в 2-3 раза превосходила характерную длину волны развитого ветрового волнения, а скорость составляла около 8м/с. Это обеспечивало стабильность движения, отсутствие качки и брызг в носовой части. Измерения проводились вдоль 5 галсов, пересекающих акваторию вдоль и поперек. Частота измерений приборов составляла 2 Гц, что обеспечило получение данных более, чем в 7000 точках водохранилища с пространственным разрешением около 4м. Для каждой точки по методике [6] восстановлены судовые спектры яркости водной толщи, осуществлено их преобразование в “интегральные” спектры, соответствующие каналам космического сканера, проведено осреднение данных в пределах каждого пикселя спутникового кадра и выполнено их сопоставление со “спутниковыми” спектрами яркости. Установлено качественное совпадение между указанными характеристиками, но вместе с тем обнаружено значительное количественное различие, связанное с атмосферной коррекцией. Для восстановления концентрации хлорофилла а по спутниковым данным был выбран алгоритм [7], обеспечивающий наилучшее совпадение указанной характеристики с данными подспутниковых измерений при концентрациях хлорофилла а от 20 мкг/л и выше, а также совпадение с точностью 30-50% при концентрациях ниже 20 мкг/л. На основе обработки 900 точек для одного из галсов и 600 точек для другого галса, установлена корреляция между “лидарной” и восстановленной по спутнику концентрацией хлорофилла а с коэффициентами корреляции Пирсона 0.71 и 0.89 и среднеквадратичным отклонением (СКО) 4.2 мкг/л и 1.5 мкг/л соответственно. За счет использования большого массива данных полученные значения СКО оказались в 2-3 раза ниже, чем, например, в используемом алгоритме [7], построенном на основе нескольких десятков точек.
Полученные результаты показали перспективность работ по валидации спутниковых измерений по предложенной методике, а такжепродемонстрировали хорошую практическую применимость спутниковых данных для мониторинга качества вод внутренних водоемов на примере одного из них, а именно, Горьковского водохранилища,.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №17-77-10120 (в части разработки регионального алгоритма мониторинга оптических свойств воды Горьковского водохранилища) и соглашения Минобрнауки РФ №14.W03.31.0006 (организация лидарных измерений).

Ключевые слова: Спутниковый мониторинг, изображения Sentinel 2B, коэффициент яркости моря, флуоресцентный лидар УФЛ-9, Горьковское водохранилище, региональный алгоритм
Литература:
  1. Kudela R. M. et al. Application of hyperspectral remote sensing to cyanobacterial blooms in inland waters // Remote Sensing of Environment. 2015. V.167. P.196-205.
  2. Duan H., Ma R., Hu C. Evaluation of remote sensing algorithms for cyanobacterial pigment retrievals during spring bloom formation in several lakes of East China // Remote Sensing of Environment. 2012. V.126. P.126-135.
  3. Alikas K., Kangro K., Reinart A. Detecting cyanobacterial blooms in large North European lakes using the Maximum Chlorophyll Index // Oceanologia. 2010. V.52, N.2. P.237-257.
  4. Palmer S., Pelevin V., Goncharenko I., Kovács A., Zlinszky A., Présing M., Horváth H., Nicolás-Perea V., Balzter H., Tóth V. Ultraviolet Fluorescence LiDAR (UFL) as a Measurement Tool for Water Quality Parameters in Turbid Lake Conditions // Remote Sens. 2013, 5(9), 4405-4422. http://www.mdpi.com/2072-4292/5/9/4405.
  5. Pelevin V., Zlinszky A., Khimchenko E., Toth V. Ground truth data on chlorophyll-a, chromophoric dissolved organic matter and suspended sediment concentrations in the upper water layer as obtained by LIF lidar at high spatial resolution // International Journal of Remote Sensing. 2017. Vol. 38. No. 7. P. 1967-1982. http://dx.doi.org/10.1080/01431161.2016.1274446.
  6. Ли М.Е., Шибанов Е.Б., Корчёмкина Е.Н., Мартынов О.В. Определение концентрации примесей в морской воде по спектру яркости восходящего излучения // Морской гидрофизический журнал. 2015. №6. С.17–33.
  7. Mishra S. and Mishra D.R. Normalized Difference Chlorophyll Index: A Novel Model for Remote Estimation of Chlorophyll—A Concentration in Turbid Productive Waters // Remote Sensing of Environment. 2012. No. 117. P.394-406. http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2011.10.016

Презентация доклада

Дистанционные исследования поверхности океана и ледяных покровов

302