Особенности проявления толстых биогенных плёнок и плёнок ПАВ на мультиспектральных спутниковых изображениях внутреннего водоёма

Детектирование и диагностика зон интенсивного цветения фитопланктона является важней задачей экологического мониторинга водоёмов. Для решения данной задачи перспективными представляются методы дистанционного спутникового зондирования, в частности в оптическом и/или микроволновом диапазонах. Интенсивное цветение на радиолокационных изображениях может проявляться за счёт наличия на поверхности воды биогенных плёнок, приводящих к подавлению мелкомасштабных ветровых волн –ряби. Однако подобные области могут быть связаны и со штилевыми зонами, морской слизью или мусором, нефтяными пленками и пр. Наблюдение зон цветения в оптическом диапазоне основано на анализе вариаций цвета верхнего слоя воды. На данный момент не удается отличать плёнки биогенного происхождения от плёночных загрязнений антропогенной природы, в частности нефтяных, с помощью только микроволновых радиолокаторов без привлечения измерений в других диапазонах спектра электромагнитных волн. Можно полагать, что существует возможность дополнительно использовать оптические/инфракрасные (ИК) датчики и по спектральным характеристикам отраженного от воды излучения отличать плёнки биогенного происхождения от антропогенных загрязнений. Типичные спектры отражения для внутренних водоемов с доминирующим цветением цианобактерий изучались в целом ряде работ (Hu, 2022; Molkov et al., 2019), при этом в литературе в основном представлены спектры от 400 нм до 800 нм, что связано с пиком в спектре отражения вблизи 700 нм и корреляцией его величины с концентрацией хлорофилла-а (Gitelson, 1993). Для задач дистанционного зондирования поверхностного слоя воды, в том числе мониторинга толстых биогенных пленок, представляют интерес и другие диапазоны, которые исследованы слабо, например, коротковолновый ИК (SWIR, длины волн 1-3 мкм), в частности, из-за сильного поглощения излучения водой. Возможность детектирования нефтяных загрязнений в оптическом и инфракрасном диапазонах также обсуждалась в ряде работ (Kram, Laverman, 2007; Zhao et al., 2014), но нам не известны работы по изучению проявлений в этих диапазонах пленок иной природы, включая плёнки ПАВ. Нами выполнен анализ имеющихся данных спутниковых мультиспектральных наблюдений эвтрофированного водоема на примере Горьковского водохранилища, в частности, в ближнем (NIR) и коротковолновом (SWIR) инфракрасном диапазонах, в областях интенсивного цветения фитопланктона, а также в разливах поверхностно-активных веществ (ПАВ) на водной поверхности. Для анализа использовались данные, полученные с помощью Sentinel-2 MSI, а также сопутствующие подспутниковые наблюдения. Проанализированы спектральные контрасты для пленок различной природы и толщины в видимом и NIR/SWIR диапазонах. Показано, что биогенные плёнки на поверхности воды в областях интенсивного цветения фитопланктона могут быть достаточно толстыми и проявляться в виде областей плотной “корки”, которые характеризуются значительными контрастами на изображениях в NIR и SWIR диапазонах. Тонкие биогенные плёнки, которые можно рассматривать как квазимономолекулярные, слабо проявляются в SWIR диапазоне, подобно мономолекулярным плёнкам ПАВ, контрасты которых во всех диапазонах близки 1. В NIR диапазоне контрасты тонких биогенных плёнок более значительны и близки к значениям для немономолекулярных (перенасыщенных) плёнок ПАВ, при этом контрасты последних, в отличие от тонких биогенных пленок, существенны и в SWIR диапазоне. Указанные особенности мультиспектральных изображений биогенных пленок могут быть использованы в качестве дополнительной информации, например, при решении задач дистанционной диагностики пленок, в том числе с использованием микроволновых радиолокаторов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-17-00167) https://rscf.ru/project/23-17-00167/ .