CC BY
11Результаты подспутниковых экспериментов по верификации данных сканера SeaWiFS в Охотском море
Ю.В. Фефилов ([email protected])
Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт экономики, информации и автоматизированных систем управления рыбного
хозяйства" (ФГУП "ВНИЭРХ")
Введение
При обработке спутниковых данных SeaWiFS по стандартной методике используются единые для всего океана алгоритмы атмосферной коррекции и биооптический алгоритм. Естественно, что использование универсальных алгоритмов может приводить к определенным погрешностям для акваторий, которые по своим условиям отличаются от среднеокеанических [1, 2] Поэтому одна из задач обработки спутниковых данных состоит в разработке региональных алгоритмов, которые обладали бы более высокой точностью по сравнению со стандартными. Для разработки таких алгоритмов необходим анализ основных погрешностей, источниками которых могут быть как неточности задания моделей оптических характеристик, использующихся при восстановлении концентраций оптически активных веществ, так и систематические искажения спектра коэффициента яркости, вызванные различными причинами (неточностями калибровки аппаратуры, погрешностями атмосферной коррекции и т.д.).
Целью данной работы являлось исследование возможности использования данных спутникового сканера цвета океана SeaWiFS для задач мониторинга и прогнозирования промысловой обстановки для Охотского моря.
Для реализации поставленной цели было проведено два подспутниковых эксперимента в июле и октябре 2002 года во время рейсов НПС «Дмитрий Песков» (Сахалинский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии). Задачи экспериментов - получение натурных данных контактных измерений по концентрациям хлорофилла и феофитина с целью верификации спутниковых данных по цвету океана (данные SeaWiFS) для района северо-восточного побережья о. Сахалин.
По результатам эксперимента было показано, что стандартный алгоритм SeaWiFS даёт для исследуемого региона значительные погрешности. Предлагаемый автором
региональный алгоритм восстановления концентрации хлорофилла «а» позволил обеспечить для региона северо-восточного побережья острова Сахалин погрешность не более 40%, что является вполне приемлемым для дистанционных методов определения концентраций оптически активных компонентов в морской воде.
Для сравнения использовались данные контактных измерений концентрации хлорофилла «а», обработанные сотрудниками Сахалинского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (СахНИРО) Л.Ю.Гавриной и Е.Н.Фомиченко. Автор выражает глубокую признательность руководству СахНИРО за предоставленную для статьи информацию.
Методы исследования
Определение концентрации хлорофилла производилось несколькими независимыми способами: спутниковые измерения (спутниковый сканер цвета SeaWiFS), флуоресцентные измерения (флуоресцентный датчик хлорофилла Sea Tech Inc в составе зонда ICTD), контактные пробы.
В ходе подготовительных мероприятий были получены и проанализированы спутниковые карты по температуре поверхности океана и концентрации хлорофилла (приведены на рис. 1), на основании которых был осуществлён более детальный выбор районов исследований. Особое внимание при анализе карт уделялось положению фронтальных зон и районов с повышенными значениями концентрации хлорофилла. Так, было определено, что максимально подходящим районом является район с район ограниченный береговой линией острова Сахалин и меридианом 145° в.д. В целом, выбранный район охватывает весь диапазон концентраций, за исключением самых минимальных, характерных для открытого моря. К востоку от этого меридиана концентрации хлорофилла меняются несущественно и их абсолютные значения невелики. Большие значения концентраций на севере острова объясняются в значительной мере стоком реки Амур и выносом оптически активных веществ.
Контактные измерения концентраций хлорофилла и взвеси проводились на пробах воды, отобранных с поверхности и разных горизонтов. Основное внимание уделялось выполнению синхронных подспутниковых измерений. В безоблачную погоду в момент пролета сканера цвета океана производился отбор проб с нескольких горизонтов в пределах фотического слоя (стандартные горизонты до 50 метров, а так же горизонт с максимальными показаниями датчика флюоресценции).
Рис. 1 Среднемесячные карты концентрации хлорофилла за июль (рисунок справа) и октябрь (рисунок слева) для предварительного анализа построенные с использованием стандартного алгоритма 8еа'^Е8
Количество измерений в течение суток - 4-6. Измерения проводились на системе разрезов через исследуемый район. Выбор разрезов основывался на предварительно полученной спутниковой информации о температуре поверхности океана и цвете вод. Отбор проб на хлорофилл и взвесь производился также во всех участках с пробным тралением. Необходимым условием был отбор проб в районах заведомо отличающихся по продуктивности и районах, удалённых географически. Схема района эксперимента и станций, на которых производились измерения, приведена на рис. 2.
142 143 144 145 146 147
Рис. 2 Схема района проведения эксперимента и выполненных измерений
Время основного отбора проб совпадало со временем прохода спутника, временной интервал 02:00 - 04:00 GMT.
Отбор проб воды для анализа на содержание хлорофилла «а» на стандартных горизонтах до 50 метров, а так же на горизонте, где концентрация хлорофилла была максимальной по показаниям флюоресцентного датчика производился пластиковыми батометрами Go Flo объемом 1.7 л с помощью укрепленного на зонде устройства дистанционного отбора проб «Rossette». Отбор проб с поверхности производился с помощью пластикового ведра. Из проб объемом 2 литра хлорофилл «а» был собран на фильтры для дальнейшей обработки в береговой лаборатории.
Исследования по океанографии проведены зондом ICTD#1356 по стандартным методикам. Измерялись температура, электропроводность, рН, хлорофилл «а» и
размерный состав мезозоопланктона на каждой станции. Обработка включала в себя приведение CTD по метровым и стандартным горизонтам в файлы. Определение аномалий температур производилось по СУБД «Средние многолетние характеристики гидролого-гидрохимических параметров шельфовой зоны острова Сахалин» [3, 4], информационную основу которой составляют среднемноголетние значения гидролого-гидрохимических параметров, рассчитанные за период с 1948 по 2000 годы для каждой станции на всех стандартных горизонтах от поверхности до глубины 500 м.
Помимо вышеперечисленных измерений не менее 3 раз в сутки фиксировались параметры, характеризующие условия наблюдений: направление и сила ветра, волнение, наличие пены, облачность.
Обработка данных и результаты сравнения
Обработка данных спутникового сканера цвета SeaWiFS производилась с использованием специализированного пакета программ SeaDAS 4.3, а так же разработанного автором комплекса программ информационной технологии дистанционного определения параметров первичной продуктивности [5]. Были использованы стандартные алгоритмы атмосферной коррекции и расчета концентрации хлорофилла «а».
По данным контактных измерений концентраций хлорофилла были построены карты распределений этих параметров в исследуемом районе. Эти карты были сопоставлены со спутниковыми изображениями, полученными для всего периода наблюдений. Данные контактных измерений концентрации хлорофилла были сопоставлены со спутниковыми данными сканера цвета SeaWiFS.
Минимальная концентрация хлорофилла на поверхности по данным контактных измерений в июле составила 0.01 мг/м3, максимальная 1.33 мг/м3, причём наблюдалось повышение концентрации при движении на север. В октябре минимальная и максимальная концентрации составили соответственно 0.05 мг/м3 и 4.37 мг/м3. Сравнительно высокие концентрации хлорофилла в октябре характерны для данного региона.
Сравнение данных in situ со спутниковыми данными показало, что стандартный алгоритм SeaWiFS даёт для Охотского моря завышенные значения концентрации хлорофилла. Погрешность может превышать 200%. Результаты сравнения приводятся на рисунке 3.
Рис. 3 Сравнение контактных измерений и данных SeaWiFS (стандартный алгоритм)
Анализ спутниковых данных Level 2 показал, что значения нормализованных исходящих излучений по данным спутникового сканера SeaWiFS занижены, а для первого и второго спектральных каналов (412 и 443 нм) в ряде случаев отрицательны. Такие значения яркостей свидетельствуют о значительных ошибках стандартного алгоритма атмосферной коррекции для данного региона, в основе которого лежит допущение, что на некоторой длине волны Я0, лежащей в красной области спектра, излучение, выходящее из-под поверхности предельно мало [6]. Такую длину всегда можно выбрать, поскольку поглощение воды резко возрастает в красной области спектра. Для того чтобы оценить влияние атмосферного аэрозоля и экстраполировать его на видимый участок спектра в стандартном алгоритме атмосферной коррекции используются два инфракрасных канала сканера SeaWiFS с длиной волны 765 и 865 нанометров, следовательно, погрешности атмосферной коррекции максимальны именно для коротковолновых каналов.
Таким образом, ошибки стандартного алгоритма SeaWiFS вызваны в первую очередь ошибками атмосферной коррекции, и биооптический алгоритм, который основан на регрессионном соотношении между концентрацией хлорофилла и R35 — отношением
яркостей излучений третьего и пятого спектральных каналов (490 и 555нм) [7] производит расчеты по искажённым значениям нормализованных яркостей исходящих излучений в этих каналах.
В процессе разработки регионального алгоритма были проанализированы зависимости между концентрацией хлорофилла «а» и соотношением яркостей нормализованного восходящего излучения для двух пар спектральных каналов (490 и 555нм и 510 и 555нм). Зависимости приводятся на рисунках 4 и 5. Из рисунков видно, что в первом случае может быть предложена простая линейная зависимость между логарифмами этих параметров, тогда как во втором рассматриваемые параметры коррелируют слабо.
Исходя их сказанного выше, соотношение R35 было взято за основу при разработке регионального алгоритма. Погрешности регионального алгоритма не превышают 40%, что является вполне приемлемым для дистанционных методов восстановления параметров первичной продуктивности. Сравнительные результаты восстановления концентрации хлорофилла с использованием стандартного и предложенного алгоритмов приводятся в таблице 1 и на рисунке 6. Таким образом, даже, несмотря на значительные ошибки атмосферной коррекции, может быть предложена простая зависимость между концентрацией хлорофилла «а» и соотношением нормализованных яркостей в третьем и пятом спектральных каналах SeaWiFS.
Таблица 1
Сравнение значений концентрации хлорофилла (мг/м ), измеренных и рассчитанных с помощью стандартного алгоритма SeaWiFS, а также с помощью предложенного регионального алгоритма
Номер станции Контактные измерения Алгоритм SeaWiFS Погрешность SeaWiFS (%) Регион. алгоритм Погрешность рег. алг.(%)
24 2.99 6.81 128 3.38 13
67 1.17 2.53 117 1.09 7
68 0.98 1.47 49 0.86 12
85 1.62 2.13 31 1.61 1
94 1.34 2.20 65 1.37 3
95 1.30 2.13 64 0.90 31
109 0.65 2.19 237 0.64 2
-0.24 -0.2 -0.16 -0.12 -0.08 -0.04
1д Р35
Рис. 4 Зависимость между концентрацией хлорофилла и соотношением яркостей нормализованного восходящего излучения в двух спектральных каналах (490 и 555нм)
0.5
0.4
0.3
О 0.2
0.1
-0.1
-0.16 -0.12 -0.08
-0.04 1д Р45
0.04 0.08
0
0
Рис. 5 Зависимость между концентрацией хлорофилла и соотношением яркостей нормализованного восходящего излучения в двух спектральных каналах (510 и 555нм)
Рис. 6 Карты концентрации хлорофилла «а» на 18 октября 2002 года, построенные с использованием стандартного алгоритма SeaWiFS (левый рисунок) и предложенного автором регионального алгоритма (правый рисунок)
Выводы
Полученные в ходе работы результаты показали, что стандартный алгоритм SeaWiFS даёт значительно завышенные значения концентрации хлорофилла «а» для Охотского моря (погрешность может превышать 200%), что делает невозможным его использование для данного региона. Основной причиной погрешностей являются ошибки атмосферной коррекции.
В то же время сочетание дистанционных методов определения концентрации хлорофилла с судовыми контактными и флуорометрическими измерениями, а так же гидрологическими и биологическими измерениями позволяет осуществлять региональную настройку спутниковых алгоритмов.
Несмотря на то, что нормализованные яркости восходящего излучения были значительно искажены, из-за ошибок стандартного алгоритма атмосферной коррекции, связь между концентрацией хлорофилла «а» и стандартным соотношением Я35 сохранилась, что сделало возможным использование этой зависимости при разработке регионального алгоритма. Тем не менее, задача атмосферной коррекции для данного региона требует своего решения.
В результате проведенного исследования был предложен алгоритм, обеспечивающий для региона северо-восточного побережья острова Сахалин погрешность не более 40%, что является вполне приемлемым для дистанционных методов определения концентраций оптически активных компонентов в морской воде.
Литература
1. A.A.Romanov, Y.V.Fefilov An analysis and regional adjustment of SeaWiFS bio-optical algorithm for canary upwelling region // Proceedings of 2002 International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS 2002), 24th Canadian Symposium of Remote Sensing /Toronto, Canada 2002, p. 206
2. Романов А.А., Фефилов Ю.В. Учет региональных особенностей атмосферы и акваторий в алгоритмах определения первичной продуктивности по спутниковым данным для района Канарского апвеллинга //Тезисы докладов XII международной конференции по промысловой океанологии (Светлогорск, 9-14 сентября 2002 г.) /Калининград: Издательство АтлантНИРО 2002, с.210-211.
3. Пищальник В.М., Бобков А.О. Океанографический атлас шельфовой зоны острова Сахалин. Часть I. Южно-Сахалинск, изд-во СахГУ, 2000а. -174с.
4. Пищальник В.М., Бобков А.О. Океанографический атлас шельфовой зоны острова Сахалин. Часть II. Южно-Сахалинск, изд-во СахГУ, 2000б. -107с.
5. Романов А.А., Фефилов Ю.В. Разработка пакета прикладных программ отраслевой информационной технологии мониторинга первичной продуктивности океана по спутниковым данным // Биопромысловые и экономические вопросы мирового рыболовства. Аналитическая и реферативная информация. Выпуск 2, Москва, издательство ВНИЭРХ, 2003, с.35-45.
6. Gordon HR, Wang MH A simple, moderately accurate, atmospheric correction algorithm for SeaWiFS., Remote Sens Environ 50: (3) 231-239 DEC 1994
7. O'Reilly JE, Maritorena S, Mitchell BG, et al., Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS. Journal of Geophysical Research -Oceans 103: (C11) 24937-24953 OCT 15 1998
