CC BY
75
-------------------------------- © Н.М. Ковалевская, В.В. Кириллов,
Т.В. Кириллова, О.В. Ловцкая, 2009
УДК 57.08
Н.М. Ковалевская, В.В. Кириллов, Т.В. Кириллова,
О.В. Ловцкая
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕЙ КОНЦЕНТРАЦИЙ ХЛОРОФИЛЛА ДЛЯ ЛИМНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ MERIS-ДАННЫХ (НА ПРИМЕРЕ НОВОСИБИРСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА)
Для мониторинга количества хлорофилла, как маркера уровня развития фитопланктона, в Новосибирском водохранилище и озерах Сибири предлагается использовать данные спектрометра MERIS/Envisat.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, хлорофилл, водохранилище, озеро, Сибирь.
Один из важнейших аспектов проблемы экологии водоемов - динамика уровня развития фитопланктона (ФП) -совокупности свободно плавающих микроскопических растительных организмов, водорослей, населяющих моря и поверхностные воды суши.
Пристальное внимание к ФП объясняется способностью составляющих его водорослей влиять на биологическую продуктивность и экологическое состояние водоемов. В морях и океанах практическая направленность изучения ФП определяется в первую очередь промысловыми задачами. Для внутренних водоемов приоритет исследований связан с проблемой эвтрофикации, что требует регулярного наблюдения за водоемом. Между тем статистически достоверные экспериментальные данные свидетельствуют о весьма значительных пространственно-временных вариациях полей распределения основных компонентов, определяющих биопродуктивность и качество природных вод [2]: в общем случае концентрация ФП может меняться в течение нескольких минут/часов в объеме от кубических сантиметров до кубических метров. Очевидно, что в такой ситуации контактные «точечные» измерения с судов оказываются нерепрезентативными. Поэтому возрастает интерес к дистанционному слежению за состоянием озер и водохранилищ, обла-
дающему свойствами экспрессности и пространственной интеграции.
Начиная с 70-х годов прошлого столетия активно разрабатываются методики и технические средства, основанные на дистанционном оптическом зондировании (ДОЗ) полей концентрации хлорофилла, как маркера уровня развития ФП, водных объектов применительно к океаническим и морским акваториям [3]. Применение ДОЗ на внутренних водоемах оказалось более сложным в связи со значительными особенностями гидрооптических характеристик их вод. Поэтому возникла необходимость решения задачи ДОЗ внутренних водоемов как самостоятельной, включающей использование адекватных биооптических алгоритмов, которые были бы чувствительны к видовому составу ФП и обладали высокой точностью в случае водоёмов, характеризующихся значительными концентрациями желтого вещества (gelbstoff) и минеральной взвеси.
Наиболее богатая информация для восстановления концентраций хлорофилла, может быть получена с помощью спектрометра MERIS/Envisat, имеющего 15 спектральных каналов с разрешением 300 м.
Опыт интерпретации МЕЯК-данных продемонстрировал успешность решения задач восстановления концентраций хлорофилла для озер бореального (1) и эвтрофного (2) типов, описываемых следующими биооптическими параметрами, соответственно:
(1.1) Спектр поглощения пигментами ФП определяется на каждой длине волны как экспоненциальная функция от концентрации хлорофилла (Сск)
aJ V - л( ~‘(»,
где аРщ- показатель поглощения пигментами ФП, А, В - коэффициенты для длин волн диапазона 400-750 нм с шагом 2 нм.
(1.2) Спектральная зависимость для показателя рассеяния Ьщт на частицах минеральной и органической взвеси (помимо ФП) определяется по формуле:
443 п
ь™(1> - ь „,(443)(—) ’
где п = 0.705.
MERIS полоса (нм) 412.0 442.0 490.0 510.0 555.0 560.0
Поглощение (м-1) 0.0255 0.0318 0.0241 0.0174 0.00914 0.00914
620.0 664.0 670.0 708.0 753.0 778.0 865.0
0.0150 0.0233 0.0233 0.00300 0.000024 0.00001 0.000001
(2.1) Коэффициенты поглощения пигментами ФП определяются в соответствии с таблицей, диапазон концентраций - от 1 до 120 мг/м3.
(2.2) Значение показателя экспоненты для btsm то же самое, что и для озер бореального типа (n = 0.705), диапазон показателя рассеяния от 0.25 м-1 до 30.0 м-1. Вычисление концентрации взвешенного вещества (сухого веса) определялось в соответствии с моделью ”Case II watef ’ [1]
Для получения искомых концентраций на основе MERIS-данных были использованы два различных лимнологических алгоритма («бореальный» и «эвтроф-ный»), основанные на ней-росетевых (НС) моделях с обратными связями; обучение НС осуществлялось, как результат моделирования переноса излучения с помощью модуля HydroLight
[4].
Сравнение спутниковых данных с результатами натурных исследований на Новосибирском водохранилище выявило хорошее согласие результатов «эв-
трофного» MERIS-
Рис. 1. Результат «эвтрофного» MERIS- „ і \
моделиро-вания (рис. 1) и моделирования концентрации хлорофилла Г '
(данные от 08.08.08) измеренных юн^нтраций в
диапазоне
Рис. 2. Зависимость между полученными с использованием «эвтрофного» MERIS-моделирования и измеренными концентрациями хлорофилла на Кру-тихинском мелководье (июль-август 2008 г.)
1-33 мг/м3 на отдельных участка водохранилища: Крутихинском мелководье в верховье (рис. 2), основной части акватории и подверженном эвтрофированию заливе р. Мильтюш. Доля объясненной вариации в уравнениях линейной и полиномиальной (второй степени) регрессии составила 73-95 %.
Предварительные результаты свидетельствуют о разнотипной зависимости между расчетными и измеренными величинами для выделенных участков акватории. Необходимо продолжение исследований с целью получения достаточного количества параллельных рядов наблюдений, обеспечивающих статистическую достоверность гипотез о наличии связи. Это позволит использовать MERIS-данные для решения практически важной задачи мониторинга количества хлорофилла, как маркера уровня развития фитопланктона, в Новосибирском водохранилище и озерах Сибири.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Doerffer R., Schiller H. The MERIS Case 2 water algorithm. International Journal of Remote Sensing, 28: 3-4, 2007, pp. 517-535.
2. Kondratyev K. Ya., Pozdnyakov D. V., Pettersson L.H. Water quality remote sensing in the visible spectrum. International Journal of Remote Sensing, Taylor and Francis Ltd: 19:5, 1998, pp. 957-979.
3. Kondratyev K.Ya. and Filatov N.N. (Eds.) Limnology and Remote Sensing: A Contemporary Approach. Springer/PRAXIS, Chichester, U.K., 1999. 395 pp.
4. http://www.sequoiasci.com/products/Hydrolight.aspx EEH
Kovalevskaya N.M., Kirillov V. V., Kirillova T. V.,
Lovtskaya O. V.
COMPUTER SIMULATION OF CHLOROPHYLL CONCENTRATION FIELD FOR LIMNOLOGICAL OBJECTS USING SATELLITE MERIS-DATA (BY THE EXAMPLE OF NOVOSIBIRSK RESERVOIR)
The data of spectrometer MERIS/Envisat is required to use for monitoring of chlorophyll quantity as a marker of phytoplankton growth at the Novosibirsk Reservoir and lakes of Siberia.
Key words: remote sensing, chlorophyll, reservoir, lake, Siberia.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------
Ковалевская Нелли Михайловна - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, Учреждение Российской академии наук Институт водных и экологических проблем СО РАН E-mail: knm@iwep.asu.ru
Кириллов Владимир Викторович - кандидат биологических наук, доцент, заведующий лабораторией, Учреждение Российской академии наук Институт водных и экологических проблем СО РАН E-mail: vkirillov@iwep.asu.ru
Кириллова Татьяна Владимировна - кандидат биологических наук, научный сотрудник, Учреждение Российской академии наук Институт водных и экологических проблем СО РАН E-mail: tkirillova@iwep.asu.ru
Ловцкая Ольга Вольфовна - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, Учреждение Российской академии наук Институт водных и экологических проблем СО РАН E-mail: lov@iwep.asu.ru
А
