Подходы к исследованию физико-химических свойств водных масс водоемов суши на основе данных сенсора LANDSAT 8

Исследование пространственно-временной изменчивости свойств водных масс – важная как в научном, так и практическом отношении задача. Совместное использование, наряду с натурными измерениями, многоканальных спутниковых снимков может быть полезным для оптимизации проводимых исследований. Это позволит при помощи бесконтактного определения показателей расширить массив получаемых данных за счет приобретения пространственной картины распределения изучаемых свойств.
Цель работы – апробация использования алгоритмов обработки данных дистанционного зондирования Земли, обеспечивающих получение информации о свойствах вод внутренних водоемов.
Для выявления возможности использования данных дистанционного зондирования в целях изучения физико-химических свойств воды водохранилищ Верхневолжья были проведены полевые исследования в летний период 2015 г. Наибольший объем работ был проведен на Иваньковском водохранилище. Сбор подспутниковых образцов воды производился в 9 пунктах после пролета спутника с последующим анализом в лаборатории. Пробы оценивались по 6 показателям (содержание хлорофилла «а», цветность, мутность, БПК5, перманганатная окисляемость, жёсткость) и 12 веществам (сульфаты, хлориды, гидрокарбонаты, кальций, магний, железо общее, фосфаты, фосфор общий, аммоний, нитриты, нитраты, кремний).
Материалы лабораторных исследований были использованы для выявления зависимостей между исследуемыми показателями и числовыми значениями пикселей спутниковых изображений получаемых с сенсора Landsat-8. В результате установлено, что наиболее значительные статистические зависимости с материалами дистанционного зондирования имели мутность, цветность и содержание хлорофилла «а».

Экспериментальные исследования, проведенные нами на ряде водохранилищ Верхневолжья, выявили зависимость цветности и «модуляционного отношения» 2-го и 4-го каналов Landsat-8 (b2-b4)/(b2+b4) с коэффициентом корреляции (r) до 0,86. В ходе работы нами были смоделированы значения показателя цветности для всей поверхности Иваньковского водохранилища. Высокие значения цветности характерны для сильно эвтрофированого Шошинского плеса, крупных заливов и приплотинной области водоема.
По результатам исследования выявлено, что показатель цветности имеет достаточно высокую линейную связь с пермаганатной окисляемостью (r=0,89) и содержанием общего железа (r=0,79). Эти корреляционные связи позволяют дать первичную прогнозную оценку их распределения по растрам цветности.
Для моделирования значений показателя мутности воды применялась несколько модернизированная нами методика, разработанная Pekka Harma [1], которая для сенсора Landsat-8 принимающая следующий вид – b3/(b2+b3+b4). В ходе апробирования методики были получены результаты с коэффициентом корреляции до 0,95. В ходе исследования были получены значения показателя мутности для всей поверхности Иваньковского водохранилища. Наиболее высокие значения мутности характерны для тех же областей, что и для показателя цветности.
Причинами повышенной мутности воды могут быть как присутствие тонкодисперсных неорганических взвесей и соединений, так и наличие органических примесей или живых организмов. Также повышенные значения показателя возможны по причине окисления соединений железа и марганца, что приводит к образованию коллоидов.
По результатам анализа подспутниковых натурных измерений концентраций хлорофилла «а» на Иваньковском водохранилище и значений пикселей, полученных в соответствии с моделью, предложенной Brivio [2], которая для Landsat-8 принимает вид (b2-b4)/b3, выявлены достаточно высокие статистические связи (r до 0,80). По результатам исследования выявлено, что концентрация хлорофилла имеет определенные статистические связи, проявляющиеся в пик развития фитопланктона, с гидрокарбонатами (r до 0,7) и фосфором общим (r до 0,7).
Пространственное распределение содержания хлорофилла «а» наглядно указывает на его повышенные значения в Шошинском плесе, крупных заливах и в приплотинной области Иваньковского плеса. Преимущественно, это области с замедленным водообменном. Например, на Шошинский плес, несмотря на его значительную площадь, приходится не более 17% объема стока водохранилища. Высокие показатели концентрации хлорофилла «а» свидетельствуют об обильном развитии фитопланктона, что зачастую является главной причиной повышенной мутности и цветности водных масс.
В ходе исследования, на основе полученных значений концентрации хлорофилла, проведена оценка трофности, биомассы фитопланктона и первичной продукции отдельных плесов и районов Иваньковского водохранилища. Согласно результатам исследования водохранилище имеет эвтрофный статус, исключение составляют некоторые участки Волжского плеса, характеризующиеся мезотрофным состоянием. Биомасса фитопланктона находится в пределах от 3 до 8,5 г/мЗ, а первичная продукция от 80 до 210 г С/м2год. Наивысшие значения наблюдаются в менее проточном и мелководном Шошинском плесе.
При анализе трофического статуса водоема серьезной проблемой выступает исключительная пространственно-временная изменчивость продукционных характеристик. Известная пятнистость цветения водоема, сильная зависимость продукционных характеристик от сгонно-нагонных явлений и погодных условий требует проведения учащенных наблюдений, анализа данных и соответствующего осреднения получаемых значений. Использование данных дистанционного зондирования позволило решить вопрос пространственного изменения концентраций хлорофилла в водоеме, так как значения концентрации хлорофилла получены не только в дискретных точках, но и смоделированы нами для всей поверхности водоема, в том числе и для труднодоступных мест.
Концептуальный смысл проведенных исследований состоит в попытке использования информации об изменчивости спектральных свойств многоканальных космических снимков в качестве критерия при первичной оценке тех или иных параметров водных объектов. В ходе работы нами установлена тесная зависимость между индексными изображениями, получаемыми на основе многоканальных данных с сенсора Landsat и характеристиками отобранных образцов воды. Взаимная связь спектральных показателей пикселей индексных изображений и натурных измерений в точках отбора проб описывалась уравнениями регрессии. На основании пространственно-непрерывных данных спутниковой съемки, используя полученные уравнения регрессии, были построены карты распределения показателей по всей акватории.
По результатам анализа подспутниковых натурных измерений выявлено, что с достаточно высокой степенью точности возможно определение некоторых оптических показателей состояния водоема. Определенные комбинации спектральных характеристик каналов Landsat имеют высокие и устойчивые зависимости со значениями мутности (до 0,95), содержанием хлорофилла «а» (до 0,8) и цветностью (до 0,86). При определении концентрации хлорофилла «а», по данным Landsat-8, наилучшие результаты были достигнуты при использовании алгоритма предложенного P.A. Brivio, для получения показателя мутности применялась несколько модернизированная нами методика, разработанная Pekka Harma. Для определения показателя цветности использовалось «модуляционное отношение» 2-го и 4-го каналов определенное ходе наших экспериментальных исследований как наиболее подходящее.
По результатам исследования установлено, что для Иваньковского водохранилища, в летний период 2015 г., прослеживается тенденция увеличения показателей цветности, мутности и хлорофилла «а» от верхней части водоема к плотине, что связано с большей проточностью Волжского плеса и более благоприятными условиями для развития фитопланктона в приплотинном участке. При этом максимальные значения отмечены в более застойном по режиму, мелководном, озеровидном Шошинском плесе. В течение всего летнего периода 2015 г. водохранилище имеет, преимущественно, эвтрофный статус, и, частично, мезотрофный в некоторых районах Волжского плеса. Биомасса фитопланктона находится в пределах от 3 до 8,5 г/мЗ, а первичная продукция составляет от 80 до 210 г С/м2 год.
Проведенная попытка оценки некоторых характеристик водных объектов, на основе материалов дистанционного зондирования Земли подтверждает возможность использования данной методики. Следует отметить два прикладных аспекта ее применения: 1) полученные уравнения регрессии могут быть в последствии использованы для определения показателей качества воды водоемов без отбора образцов; 2) предлагаемая методика имеет перспективы применения для оценки пространственного распределения показателей физико-химических свойств воды в сочетании с натурными измерениями.