CC BY
14ВОДА, ЕЕ СВОЙСТВА. ВОДОПОДГОТОВКА, ПРИМЕНЕНИЕ
WATER, ITS PROPERTIES. WATER PREPARATION, APPLICATION
Статья поступила в редакцию 20.04.13. Ред. рег. № 1617
The article has entered in publishing office 20.04.13. Ed. reg. No. 1617
УДК 630.587:551.46
ВОПРОСЫ ОПТИМАЛЬНОЙ КОРРЕКЦИИ
ПРИ ТРЕХВОЛНОВЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА В ВОДЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТРАЖЕННОЙ РАДИАЦИИ
Р. В. Халафов
Национальное Аэрокосмическое Агентство Азербайджан, AZ1106, Баку, ул. С.С. Ахундова, д. 1 Teл.: 994503247240, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 24.04.13 Заключение совета экспертов: 26.04.13 Принято к публикации: 28.04.13
Показано, что известный трехволновый метод измерений концентрации хлорофилла в морской воде не учитывает влияния нестабильности атмосферного аэрозоля, что вносит неопределенность в результат проводимых дистанционных измерений.
Предложена новая формула совместной обработки результатов фотометрических измерений отраженной от хлорофилла радиации на трех избранных длинах волн, содержащая два коэффициента коррекции влияния атмосферного аэрозоля.
Получены формулы для вычисления величин коэффициентов коррекции в зависимости от выбранных длин волн, при которых результаты совместной обработки значений трех фотометрических отсчетов не зависит от показателей атмосферного аэрозоля.
Ключевые слова: хлорофилл, морская вода, отраженная радиация, фотометр, экосистема.
QUESTIONS ON OPTIMUM CORRECTION UPON THREE-WAVELENGTH MEASUREMENTS OF CHLOROPHYLL CONCENTRATION IN WATER USING THE REFLECTED RADIATION
R.V. Khalafov
National Aerospace Agency 1 S.S. Akhundov str., Azerbaijan, AZ-1106, Baku Tel.: 994503247240, e-mail: [email protected]
Referred: 24.04.13 Expertise: 26.04.13 Accepted: 28.04.13
It is shown, that the known three-wavelength method for measurements of chlorophyll concentration in sea water doesn't take into account the non-stability of atmospheric aerosol, which is resulted with uncertainty in results of held remote measurements.
The new formula for joint processing of results of photometric measurements of reflected from chlorophyll radiation at there wavelengths is suggested, which contains two coefficients designated for correction of effect of aerosol non-stability.
The formulas for calculation of correction coefficients depending on selected wavelengths, upon which the results of joint processing of values of three photometric measurements don't depend on parameters of atmospheric aerosol are suggested.
Keywords: chlorophyll, sea water, reflected radiation, photometer, ecosystem.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05/2 (126) 2013 /in-j © Научно-технический центр «TATA», 2013 lw#
Хорошо известно, что более 50% населения всего мира живет в береговых зонах водных бассейнов или больших озер. Такое состояние размещения земного населения диктует необходимость построения систем контроля одного из важнейших показателей загрязненности морской воды - концентрации хлорофилла в воде. В настоящей работе мы рассмотрим вопросы оптимального построения распределенной сети буйков, предназначенных для измерения хлорофилла в морской воде.
Как указывается в работе [1], одним из эффективных методов осуществления мониторинга состояния экосистем является дистанционное зондирование. При этом согласно [1] дистанционное зондирование в данном случае проявляет себя в качестве эффективного спектрального метода для измерения концентрации хлорофилла в морской воде. Для обоснования и дальнейшего развития данной мысли дадим краткий обзор спектральных методов измерения концентрации хлорофилла в морской воде. Первые попытки измерить хлорофилл в синей и зеленой спектральных зонах [2] не привели к ощутимому успеху, так как излучения в синей спектральной зоне сильно поглощаются растворенным в воде органическим веществом, триптоном и фитопланктоном. Также известны работы [3, 4], в которых предпринималась попытка определить концентрацию хлорофилла путем оценки высоты линии флуоресцентной эмиссии хлорофилла. Однако, как показали дальнейшие исследования, точность этого метода существенно ограничивается изменяющейся эффективностью флуоресценции различных фитопланктонов и изменениями свойств поглощения воды, и в особенности в мутных водных средах.
Отражение, %
400 500 600 700 800
Длина волны,нм
Рис. 1. Отражательный спектр воды с разной величиной концентрации хлорофилла. В области X ~ 700 нм увеличение концентрации хлорофилла приводит к увеличению уровня отраженного сигнала и смещению максимума в сторону больших длин волн Fig. 1. The reflection spectrum of water with different value of chlorophyll concentration. In the zone X ~ 700 increase of chlorophyll concentration leads to increase of the level of reflected signal and to shift of maximum toward larger wavelengths
Дальнейшие исследования в данном направлении [5, 6] показали, что спектр отражения вод, содержащих хлорофилл с концентрацией от 3 до 180 мг/м3, имеет характерный минимум на длине волны 670 нм и максимум на длине волны 700 нм. При этом с увеличением концентрации в воде хлорофилла указанный максимум смещается в сторону больших длин волн (рис. 1). Учитывая это свойство, в ряде работ [6, 7] было предложено использование отношения R705/R670, где Rх - величина отраженного сигнала на
длине волны X; X = (705,670), в качестве показателя концентрации хлорофилла в воде. При этом подразумевалось, что коэффициент поглощения и эффективность флуоресценции хлорофилла являются постоянными величинами. Однако данное предположение в реальном случае не оправдывает себя, и указанные параметры могут изменяться в широких пределах [1]. Указанное обстоятельство создает большую неопределенность при интерпретации результатов дистанционного зондирования хлорофилла в морской воде. С учетом вышесказанного в работах [8, 9] был предложен трехволновый метод измерения концентрации хлорофилла в морской воде. Согласно этому методу концентрация хлорофилла C может быть оценена по формуле
та
C = k [ R-1 (Xi)-R-1 (X 2)] R (X з), (1) |
где k - коэффициент пропорциональности; R(X1); R(X2) и R(X3) - отраженные сигналы на длинах волн Х1, Х2 и Х3 соответственно.
При этом существует особый порядок выбора длин волн Xi, Х2
и X3. Так, например, X1 выбирается в такой щ спектральной зоне, где R(X1) проявляет максимальную чувствительность к поглощению хлорофилла,
однако
также подвержен влиянию поглощения других пигментов; X2 выбирается в такой спектральной зоне, где R(X2) минимально чувствителен к поглощению хлорофилла и максимально чувствителен к поглощению других пигментов. Такой выбор X1 и X2 должен привести к тому, что разность R"1(X1) - R_1(X2) зависит JE только от концентрации хлорофилла. Однако эта разность все же подвержена влиянию изменчивости свойств рассеяния морской воды. При этом длина волны X3 выбирается таким образом, чтобы компенсировать влияние рассеяния морской среды.
Как было показано в работе [1], при выборе длин волн X1 = 650 нм; X2 = 710 нм; X3 = 740 нм удается получить следующее регрессионное уравнение:
C/k = 0,0003Chla - 0,0052 (2)
при R2 = 0,78.
График функции (2) дан на рис. 2, где также приведена регрессионная зависимость для двухволново-го метода. Однако, как нам представляется, трехвол-новой метод и его математическое выражение (1) не учитывает не менее существенный фактор, заключающийся во влиянии нестабильного атмосферного аэрозоля на результат проводимых измерений.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05/2 (126) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Р.В. Халафов. Оптимальная коррекция при трехволновых измерениях концентрации хлорофилла в воде.
Относительный регрессионный показатель
2-1
м i ^ О*
1
500
1500
2500 3500
Chía, мг/м3
Рис. 2. Регрессионные зависимости:
1 - (Л651о - Rio) R740 = 0,0003Chla - 0,0052 при R2 = 0,78, RMSE = 319 мг/м3; 2 - R6510/R740 = 0,0004Chla + 0,4797 при R2 = 0,71, RMSE = 369 мг/м3 Fig. 2. The regression dependences:
1 - (Rao -R7-i0)R740 = 0,0003Chla - 0,0052 upon R2 = 0,78; RMSE = 319 mg/m3 2 - R6510/R740 = 0,0004Chla + 0,4797 upon R2 = 0,71, RMSE = 369 mg/m3
влияет на результат измерения. При этом считаем, что к0 >> И\, т.е. аэрозоль, существующий между морской водой 4 и фотометром 3, не влияет на результат измерения. Следовательно, должны быть приняты меры по устранению влияния атмосферного аэрозоля на результат трехволновых измерений.
С учетом А1 = 650 нм; А2 = 710 нм; А3 = 740 нм, используя известное уравнение Бугера-Бера, сигналы, принимаемые трехволновым фотометром 3, определим следующим образом:
-4M.
R(А,) = ш(А,)1„ (А,)е R(А2) = ю(А2)1„ (А2)е);
R (А 3) = ® (А 3) 10 (Аз) ),
(3)
(4)
(5)
где ю(А,) - альбедо морской поверхности; Я(А) - интенсивность радиации на входе фотометра; т(А,) -оптическая толщина атмосферы; /0(А,) - исходное излучение Солнца; А , - длина волны; / = 1,3.
Уравнение (1) имеет смысл преобразовать в следующем виде, внеся в это уравнение корректировочные коэффициенты 51 и 52:
у = [R-5- (А,)-R-52 (А2)]R(Аз).
(6)
Уравнение (6) может быть записано в следующем виде:
Y =
[ю52 (А2К2 (А2К^) -»5 (А,К1 (А,)е-5(А'^
ю'1(А1 )/„' (А,)е"5'т(А' )m52 (А2)/„2 (А2)е
- 2
Хю(Аз) 1„ (Аз)е
-т(Аз;
(7)
Как видно из полученного выражения (7), первым условием для оптимального выбора коэффициентов 51 и s2 является следующее равенство:
52Т(А 2 ) = 51т(А1 ) .
(8)
Рис. 3. Схематическое представление проводимых исследований: 1 - Солнце; 2 - атмосферный аэрозоль; 3 - трехволновый фотометр; 4 - море Fig. 3. Schematic presentation of held researches: 1 - the Sun; 2 - atmospheric aerosol; 3 - three wavelengths photometer; 4 - sea
Схематическое представление проводимых измерений приведено на рис. 3. Как видно из рис. 3, между источником света 1 и морской водой 4 существует слой атмосферного аэрозоля, который существенно
Вторым условием оптимального выбора коэффициентов 51 и 52 является следующее равенство:
52 т(А 2 ) + т(А 3) = 51т(А1 ) + 52 т(А 2). (9)
Известно, что оптическая толщина атмосферного аэрозоля определяется следующей формулой Ангст-рома:
:(А^А-
(10)
где в - аэрозольная мутность атмосферы; а - показатель Ангстрома.
С учетом (8) и (9) получим
s2 А-а = 5,А-а.
(11)
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05/2 (126) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
С учетом (9) и (10) получим
s2 X-a+X-а = ^X-^ S2 X-a
Учитывая (11) в условии (12), получим
или
X-a = Ä1X-a.
Из(14) находим
S = (W X1 )-a
Из (15) и (11) находим
S2 =(Xs/X2 )-a
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
Таким образом, (15) и (16) определяют необходимые значения корректировочных коэффициентов и s2, обеспечивающих независимость величины у от вариаций аэрозольной мутности атмосферы.
Используя (15) и (16), можно получить условие абсолютной независимости у от параметров атмосферного аэрозоля.
Из (15) имеем
ln Sj = -a ln (X 3/ Xj). Из (16) имеем
ln s2 = -a ln (X 3/ X 2). С учетом (17) и (18) окончательно получаем
ln S = a ln (X )
ln s2 ln (X 3/ X 2)
(17)
(18)
(19)
Таким образом, выбор коэффициентов коррекции по условию (19) позволяет обеспечить полную независимость величины у от показателей атмосферного аэрозоля и тем самым уменьшить неопределенность результатов проводимых дистанционных измерений.
В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования:
1. Показано, что известный трехволновый метод измерения концентрации хлорофилла в морской воде не учитывает влияния нестабильности атмосферного аэрозоля, что вносит неопределенность в результат проводимых дистанционных измерений.
2. Предложена новая формула совместной обработки результатов фотометрических измерений отраженной от хлорофилла радиации на трех избранных длинах волн, содержащая два коэффициента коррекции влияния атмосферного аэрозоля.
3. Получены формулы для вычисления величин коэффициентов коррекции в зависимости от выбранных длин волн, при которых результаты совместной обработки значений трех фотометрических отсчетов не зависит от показателей атмосферного аэрозоля.
Список литературы
1. Zimba P.V., Gitelson A.A. Remote estimation of chlorophyll concentration in hyper-eutrophic aquatic systems: Model tuning and accuracy optimization // Aquaculture. 2006. Vol. 256. P. 272-286.
2. Gordon H., Morel A. Remote assessment of ocean color for interpretation of satellite visible imagery. A Review. Lecture notes on coastal and estuarine studies -Layer Meterol. 1983. Vol. 4. Springer-Verlag. New York, 114 p.
3. Neville R.A., Gower J.F.R. Passive remote sensing of phytoplankton via chlorophyll a fluorescence // J. Geophys. Res. 1977. Vol. 82. P. 3487-3493.
4. Doeffer R. Factor analysis in ocean color interpretation. In: Gower, J.F.R (Ed.), Oceanography from Space. Plenum Press, 1981. New York, pp. 339-345.
5. Gitelson A.A. The peak near 700 nm of reflectance spectra of algae and water: relationships of its magnitude and position with chlorophyll concentration // Int. Remote Sens. 1992. Vol. 13. P. 3367-3373.
6. Gitelson A.A., Kondratyev K.Y. Optical models of mesotrophic and eutrophic water bodies // Int. J. Remote Sens. 1991. Vol. 12. P. 373-385.
7. Gitelson A.A. 1993. The nature of the peak near 700 nm on the radiance spectra and its application for remote sensing estimation of phytoplankton pigments in inland waters // Optical Engineering and Remote Sensing. 1971. SPIE. P. 170-179.
8. Gitelson A.A., Gritz U., Merzlyak M.N. Relationships between leaf chlorophyll content and spectral reflectance and algorithms for non-destructive chlorophyll assessment in higher plant leaves // J. Plant Physsiol. 2003. Vol. 160. P. 271-282.
9. Gitelson A.A., Vina A., Ciganda V., Rundquist D.C., Arkebauer T.J. Remote estimation of canopy chlorophyll content in crops // Geophys. Res. Lett. 32 2005, L08403, doi:10.1029/2005GL022688.
10. Vitousek P.M., Mooney H.A., Lubchenco J., Melillo, J.M. Human domination of Earth's ecosystems // Science, New Series. 1997. Vol. 277. P. 494-499.
-sa-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05/2 (126) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
