Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование загрязнения водных объектов взвешенными веществами по материалам космических съемок

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Исследование загрязнения водных объектов взвешенными веществами по материалам космических съемок"

ВСЕСОЮЗНШ ШЧЖ)-ИССйВДРВАТЕ11ЬСИИЙ ИНСТИТУТ ПО ОХРАНЕ вод

(ВШИВО) .

На правах рукописи

БРУК Владимир Викторович

УД{ 628.394:526.8.041.5

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ВЗВЕШЕННЫМИ ВВДСТВАМИ ПО МАТЕРИАЛАМ КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК

II.00.П -

Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1991

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте по охране вод (ВШИВО).

Научный руководитель - Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Антонов C.B.

Научный консультант - кандидат физико-математических Hayi старший научный сотрудник Красовский Г.Я.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Иванов Н.И., кандидат географических наук Чехин Л.П.

Ведущая организация - Институт радиоэлектроники (ИРЭ) АН УССР.

Защита диссертации состоится 991 г. в

14.00 час, на заседании специализированного совета K-I64.02.01 во Всесоюзном научно-исследовательском институте по охране во; (3I06L8, Харьков, ул.Ьакулина, 6).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИВО.

Автореферат разослан "УО " (/i-^-1лЬ91 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геолого-минералогических

наук, старший научный сотрудник ^/ffiC^fet^ Г.И.Каши

ОЩАЯ ХАРАКГЕРИСГШСА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для решения ряда задач, связанных с фоблемой рационального использования и охраны водных ресурсов, геобходимы своевременные к достоверные опенки эколого-санитар-1ых состояний водных объектов и антропогенного воздействия на ¡их. При этом в ряде случаев существенный интерес представляет тформация о пространственном распределении взвешенных веществ 1а акваториях. Такал информация может быть использована, напри-гер, для решения следующих природоохранных задач:

- выявления диффузных источников загрязнения поверхностных

зод;

- ононтуригания зон влияния точеных И диффузных источников ¡агрязнения;

- выявления направлений транспорта и зон аккумуляции загрязняющих. веществ, бактерий или радионуклидов, сорбированных на ззвешенных частицах;

-определения участков берега или береговых отмелей, подверженных однонаправленным деформациям (абразия или аккумуляция);

- прогноза процессов заиления водоемов и судоходных каналов.

Современная хозяйственная деятельность приводит к значительным объемам поступления в водные объекты антропогенного взвешенного материала. Это обуславливает необходимость поиска высоко- , 1роизродительных методов картографирования пространственного рас-тределения взвешенных веществ на акваториях.

Одним из перспективных методов исследований в этом направлении ярляется анализ материалов космических съемок водных объектов. Очевидными достоинствами данного метода являются возможность юлучения единовременной информации для обширных акваторий, возможность объективной пространственной интерполяции данных о кон-дентрации взвешенных веществ, полученных наземными методами изме-

- 3 -

рений. Вместе с том, до настоящего времени материалы космических съемок применялись для исследования загрязнения поверхностных вод взвешенными веществами только эпизодически для отдельных водных объектов. При этом использовались методы тематической обработки изображений, разработанные в других областях науки, которые не всегда оказываются эффективными при использовании указанных материалов для решения задач охраны вод.

Цель и задачи исследований. Основная цель работы - исследование и разработка методов тематической обработки и тематического анализа материалов космических съемок, полученных в видимом и

ближнем инфракрасном (ПК) диапазоне, для оценки масштабов загряз-

■»

нения водных объектов взвешенными веществами. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1) выявить н обосновать дешифровочныэ признаки замутненных вод на космических изображениях;

2) разработать методики тематической обработки космических изображений водных объектов для выделения областей замутненных

вод,

3) исследовать возможности оценки концентрации.взвешенных ыещест} по параметрам космических изображений,

4) исследовать особенности использования материалов космических съемок при анализе влияния на качество вод источников загрязнения различных типов (сбросы сточных вод, поверхностный сток и др.).

Мзт'одика исследований. Методика исследований, выполненных для решения поставленных задач, включала: визуальный анализ космических снимкап, синтез изображений в условных цветах на проекторе МСП-4с, цифровую обработку изображений на ЭВМ ЕС-1060 с использованием графопостроителя ЕС-7052, натурные исследования на Ладожском озере и Мингечаурском водохранилище, корреляционный и

регрессионный анализ результатов натурных исследований и микрофотометрических измерений, сопоставление материалов дешифрирования космических снимков с литературными и вэдомственными данными.

Научная новизна. В ходе исследований получены следующие научные результаты:

- экспериментально выявлена и теоретически обоснована система дешифровочшх признаков замутненных вод на космических снимках;

- исследованы корреляционные связи между концентрацией взвешенных веществ и параметрами космических изображений водоемов с различным трофическим состоянием;

- разработаны методики идентификации на космических изображениях замутненных вод, выделения различных градаций мутности и оконтуривания зон влияния различных источников загрязнения;

- исследованы особенности использования материалов космических съемок для мониторинга источников загрязнения различных типов. '

Положения, выносимые на защиту:

- методика тематической обработки и анализа материалов космических съемок в видимом и ближнем ИИ диапазонах излучения для картографирования загрязнения водных объектов взвешенными веществами, включающая:

- систему дешифровочных признаков на космических снимках взвешенных веществ от различных типов источников загрязнения;

- методику синтеза в условных цветах изображений акваторий;

- алгоритмическое и программное обеспечение цифровой обработки космических изображений акваторий для восстановления пространственно-временных распределений взвешенных веществ органического и минерального происхождения.

Практическая значимость работы. Полученные в работе резуль-

таты могут быть использованы для решения прикладных задач, связан ных с планированием и оценкой эффективности водоохранных мероприятий местными и региональными органами управления хозяйством, органами охраны природы и крупными водопользователями, а также при реализации природоохранными органами производственных функций:

- государственного контроля за использованием и охраной поверхностных вод;

- выдачи разрешений на захоронение промышленных отходов, на специальное водопользование;

- осуществление государственной экологической экспертизы.

Внедрение результатов работы. Разработанная в диссертации

методика, а также составленные по ней тематические картосхемы ряда водохранилищ и отдельных участков акваторий Азовского и Черного морей, применялись в ряде производственных и проектных организаций (Харьковкоммунпромвод, Укрюжгипроводхоз, Черноморниипроект и др.),для изучения закономерностей загрязнения водохранилищ Волжского и Днепровского каскадов, загрязнения и заиления Краснодарского водохранилища и некоторых других водохранилищ Краснодарского края, для разработки картографических моделей загрязнения Цимлянского, Печенежского и Краснооскольского водохранилищ; она также была использована при изучении закономерностей засоления водных масс оэ. Сасык на Дунай-Днестровской оросительной системе, при разработке проектов дноуглубительных работ на морских каналах и акваториях портов Южный, Поти, а также при организации подводных отвалов грунта.

Исследования, связанные с темой диссертации, проводились во Всесоюзном научно-исследовательском институте по охране вод по планам государственных заказов. В 19С0-1965 г.г. согласно Постановлению ПйГГ СССР, Госплана СССР, ШК Президиума СМ СССР, Президиума АН СССР * 32/30/54/16-02 от 17.02.61 г. была выполнена НИР

- б -

"Разработать методические рекомендации по использованию аэрокос-иической информации о Земле для оценки, прогнозирования, охраны 1 управления водными ресурсами". В 19Б5-1990 г.г. по государственному заказу Госкомприроды СССР выполнялась НИР "Разработать и знедрить методику использования материалов аэрокосмических сье-/юк для выявления влияния точечных и диффузных источников загряз-1ения на качество вод".

Достоверность результатов. Обоснованность научных положений, эыводоп и рекомендаций подтверждав тег сопоставлением результатов тематической обработки и тематического анализа материалов косми-шскйх съемок с теоретическими моделями формирования сигнала, ре-'истрируемого при космической съемке,с литературными и ведомст-¡енными данными о качестве вод и других характеристиках подстила->щей поверхности, а также с результатами натурных экспериментальных исследований на акваториях родных объектов.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссерта-[ии докладывались и обсуждались на следующих совещаниях, семнна-1ах и конференциях:

- 5-е Всесоюзное совещание "Круговорот вещества и энергии в одоемах" (Листвиничное, 1911 г.),

- Всесоюзный семинар "Технические средства для государстген-ой системы контроля природной среды" (Обнинск, 1961 г.),

- Вторая всесоюзная конференция "^намика и термика рек, в'о-охранилищ и эстуариев". (Москва, 19Ь4 г.),- Всесоюзная конференция "Гидрология 20(Ю г." (Москва, 1965г.),

- 1{онференпия молодых ученых Ш'У "Современные методы геогра-

>

ической картографии" (Москва, 1915 г.),

- XI Всесоюзная научно-техническая коиференгия молодых уче-ых й специалистов Госцентра "Природа" (Москва, 19Ь7 г.),

- Всесоюзная конференция "Математические метод.* в экологи-

ческих и космических исследованиях" (Баку, 1969 г.),

- Всесоюзная конференция "Методы и средства дистанционного зондирования Земли и обработки космической информации в интересах народного хозяйства" (Рязань, 1969 г.),

- Всесоюзный семинар "Технические и программные средства тематической обработки спутниковой информации" (Москва, 1969 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, Ь глав, заключения, списка литературы из 90 наименований, в том числе 22 работ зарубежных авторов, и содержит 116 страниц текста, 12 таблиц и 39 иллюстраций. К диссертации имеется приложение, которое содержит 5 таблиц на И страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В 1-й главе, которая носит обзорный характер, анализируются основные результаты исследований, проведенных в СССР и за рубежом, по оценке возможности использования материалов космических съемок для контроля загрязнения водных объектов взвешенными веществами. Выделены следующие направления исследований в этой-области:

1) экспериментальное и теоретическое обоснование зависимости сигнала, регистрируемого при космической съемке, от концентрации взвешенных веществ;

2) разработка методов предварительной и тематической обработки космических изображений водных объектов;

3) подспутниковые эксперименты в целях количественной оценки концентрации взвешенных веществ;

4) картографирование распределения взвешенных веществ по акваториям конкретных водных объектов.

Проведенный анализ позволил выявить ряд вопросов, недостаточно разработанных для решения проблемы. Во-первых, недостаточ-

- 6 -

но исследованы дешифровочные признаки замутненных под на космических снимках. Как правило, замутненные воды дешифровались по повышенной светлоте фототона на изображениях акваторий. Вместе с тем, ряд других объектов может обладать таким же признаком. Кроме того, не были исследованы возможности идентификации неорганических взвешенных веществ и фитопланктона при использовании материалов многозональной съемки с широкими .спектральными диапазонами, применяемой на отечественных космических носителях.

Во-вторых, применяемые методики тематической обработки изображений акваторий ориентированы на выделение однородных областей зональной яркости. Они не учитывают особенности задач охраны вод, при решении которых более существенный интерес представляют зоны влияния различных источников загрязнения.

В-третьих, регрессионные модели для оценки концентрации взве-иенных веществ по параметрам космических снимков получены только идя материалов, поступающих с зарубежных космических носителей. Региональный характер регрессионных зависимостей, а также разлитая в параметрах отечественной и зарубежной съемочной аппаратуры, ад позволяют применять эти модели для исследований в СССР.

В-четвертых, не проанализированы особенности использования материалов космических съемок для исследования загрязнения погерх-■юстных вод источниками поступления взвешенных веществ различных типов.

Во 2-й главе рассматриваются дешифровочные признаки замут-)енных вод на материалах космических съемок различных еидов, вы-!пленные в ходе визуального анализа космических снимков ряда вод-ых объектов СССР. Для обоснования дешифровочных признаков исполь-юналась различная априорная информация: схемы выпусков сточных ¡од, ведомственные данные о качестве поверхностных и сточных вод, юции, топокарти и карты землепользования, гидрометеорологические

данные, литературные данные о распределении аккумулятивных и абразионных берегов и отмелей и некоторые другие виды информации. Кроме того, в отдельных случаях проводились специальные измерения концентрации взвешенных веществ на отдельных участках акватории.

Рассматривались следующие дешифровочные признаки объектов на акваториях: спектрально-яркостные, текстурные, форма ограничивающих контуров, характер распределения яркости. Было установлено, что светлота фототона изображений замутненных вод на космических снимках видимого диапазона может значительно отличаться от фоновой. На позитивных снимках чаще наблюдается увеличение светлоты фототона, реже - его потемнение. На снимках ближнего ИК диапазона отклонения фототона выражены значительно слабее,,в ряде случаев регистрируются только инструментально и практически во всех случаях характеризуются увеличением светлоты.

Наиболее контрастно замутненные воды выделялись на космических снимках оранжево-красного диапазона (ЧББ для многозональных снимков масштаба ^ 1:1 млн, КЗ,.К4 - для МКФ-6 м). Области с наиболее низкими концентрациями взвешенных веществ наблюдались только в коротковолновьк диапазонах съемки (ЧБА и Н2), а области с особенно высокими концентрациями выделялись не только в видимом, но и в ближнем ИК диапазоне (ЧББ,и К5).

■ Для теоретического обоснования выявленных особенностей зонального распределения яркости была рассмотрена модель вертикально однородной водной среды, содержащей следующие оптически активные компоненты: чистая вода, растворенная окрашенная органика взвешенные вещества, рассеивающие и поглощающие свет. Крутизна зависимости коэффициента диффузного отражения (¡ЩО) от концентрации взвешенных веществ { Ч ) в рамках выбранной модели в двухпо-токовом приближении теории переноса излучения определяется выражением:

d Ro = K ' /¡op - 6- 4 ■ a , ^T [ Aop+5Q + (a+&)hJ f

e R0 - 1Щ0 вертикально однородной водной среды, Д0р - пока-тель поглощения чистой водой и растворенными веществами, Q -казатель рассеяния на флуктуация* плотности чистой воды, a v. Ь -ельные (на единицу концентрации) показатели соответственно по-ощения и рассеяния света взвешенными веществами.

Визуальный анализ космических снимков внутренних водоемов, дверженнкх "цветению", позволил установить возможность иденти-кации на многозональных изображениях областей "цветения" и не-ганических взвеченных веществ. Для изображений областей интен-вного "цветения" в отличие от неорганических взвешенных веществ рактерно значительное увеличение светлоты фототона'на снимках ижнего ИК диапазона, проявляющееся в виде светлых полос или пя-н. Такое различив объясняется зависимостью диффузного отражения

вертикального распределения концентрации взвешенных веществ, случае интенсивного развития сине-зеленых водорослей вертикаль-е распределение рзвешенннх веществ имеет клинообразный характер, 1Ичем резко выраженный максимум расположен в непосредственной изости от водной поверхности, что приводит к значительному уве-!чёнию ЗДО в ближнем ИК диапазоне.

Спектрально-яркостньга признаки-могут быть использованы так-1 для идентификации взвешенных веществ и мелководий. Последние, >к правило, наблюдаются только на космических снимках коротко-1Лновых диапазонов (ЧБА, 1(1 и ¡(2).

Текстурные признаки и признаки формы контуров дополняют [ектрально-яркостные признаки при идентификации неорганических ¡репейных веществ, областей "цветения" и мелководий. Для "цве-:ния" характерна нитевидная или пятнистая текстура изображения.

- II -

Для мелководий характерно равномерное распределение светлоты фо тотона по площади акватории, четкие ограничивающие контуры и не изменность их очертаний при повторных съемках (исключая влияние взмучивания).

Таким образом, естественные дешифровочные признаки позволя: в ряде случаев дешифрировать замутненные воды на фоне различных маскирующих факторов. Однако, возможны ситуации, когда достаточ! надеж; :ая идентификация зацутношых вод не возможна без использования априорной информации или тематической обработки изображений (аналоговой или цифровой).

Третья глава посвящена исследованию и разработке методов тематической обработки изображений акваторий.

Для фотографических материалов была разработана методика визуально-инструментальной обработки; при этом для многозональных снимков дополнительно были исследованы возмлжности применения синтеза изображений в условных цветах на многозональных проекторах. Мзтодика визуально-инструментальной обработки включает следующие этапы:

1) оконтуривание береговой линии,

2) дешифрирование областей замутненных вод,

3) выделение различных градаций относительной мутности,

4) выделение на изображении водосборной территории элементов ландшафта и микроводосборов,

5) сопоставление выделенных зон мутности с объектами, дешифрированными на акватории, и с априорной информацией.

Синтез в условных цветах применяется на этапе дешифрирования замутненных вод. Для выбора оптимального варианта синтеза было предложено использовать расчеты на ЭВМ с использованием в качестве исходных данных результаты микрофтометрических измерений на -"еставлх фрагментах. В качестве критерия качества синтеза

- 12 -

предложенной методике используется величина цветового контрас-между выделяемыми объектами

е - цвет в точке с номером I , принадлежащей классу с

мером К , (к) - число точек в классе К , т. - чис-исследуемых классов, С - средний по классу К цвет и Средний по всем исследуемым точкам цвет, 4 рассто-ие между цветами С, и С , зависящее от выбора метрики цве-. В равноконтрастной системе координат I) V V/

л К О - К, (а Ь/У+^М^/яТ^в)^

- полярная система координат цветности:

- характеристика щетоиого тона

- характеристика насыщенности

'б = (у* / и) ^ -\1 и \ V

ета, К^ и К" - константы.

В целях обеспечения достаточно быстрого, поиска оптимально-по критерию ^ варианта синтеза в разработанной методике едусмотрено применение алгоритма случайного поиска с адапта- ' ей по рассмотренному критерию.

Методика цифровой обработки изображений акваторий разраба-валась применительно к обработке на ЕС ЭВМ космических изобра-ний, полученных в цифровом виде. Методика включает следующие апы:

1) классификация: пода-суша,

2) фильтрапия изображения акватории,

3) дешифриро!анис замутненных под и маскирующих факторов,

4) выделение различных градаций относительной мутности,

5) оконтуривание зон влияния источников загрязнения,

6) построение тематических картосхем водного объекта.

На каждом из перечисленных этапов выявлены особенности цифровой обработки изображений для рассматриваемых задач.

На этапе идентификации замутненных вод, учитывая возможную перекрываемость кластеров, соответствующих различным обучающим выборкам, и отсутствие информации о виде функции распределения значений распознающих признаков, было предложено использовать линейную классификацию, при которой поиск оптимальных классифика торов осуществляется в рамках статистического подхода.

Наиболее существенные преимущества цифровая обработка изображений предоставляет при выделении различных градаций относительной мутности и оконтуривании зон влияния источников загрязнения. На этапе выделения градаций мутности была разработана программа для ЭВМ, реализующая алгоритм кластеризации ИСОШД. Учитывая особенности зонального.распределения яркости изображений акваторий (элементы изображения группируются в пространстве признаков вдоль линий, соответствующих различным видам взвешенных веществ), в разработанной программе предусматривается выполнение кластеризации в 2 этапа. На 1-м этапе выделяются элементы изображения, соответствующие различным типам замутненных вод; при этом в алгоритме используется метрика, характеризующая угловое расстояние между векторами образов. На 2-м этапе выделяются различные градации мутности для каждого типа замутненных вод;-при этом в алгоритме используется метрика, характеризующая евклидово расстояние от точки, соответствующей условно чистой воде.

Для выделения зон влияния различных источников загрязнения предложено использовать алгоритм сегментации, основанный на анализе направлений градиента яркости. Для определения направления

градиента используется анизотропная фильтрация изображения с помощью курсовых градиентных масок. Ставя в соответствие каждому элементу изображения направление градиента яркости в данной точке и объединяя их в ориентированные графы с одинаковой инцидентностью дуг, можно выделить зоны распространения взвешенных веществ от различных источников как ориентированные деревья с корнями в точках источников.

Сочетания обоих рассмотренных алгоритмов позволяет эффективно выделять на изображении акватории как зоны различных градаций концентрации, так и зоны слияния различных источников загрязнения.

В четвертой главе исследуются возможности количественной оценки концентрации взвешенных веществ по параметрам космических изображений. В этих целях были проведены натурные экспериментальные исследования на' акваториях 2-х водоемов: Ладожского озера и Мингечаурского вдхр. В ходе натурных исследований определялись следующие показатели: общая концентрация взвешенных веществ (ВЗ), ее органическая (ВО) и неорганическая (ВН) фракции, прозрачность по диску Секки (ДС); в эксперименте на Мингечаурсиом вдхр. определялась также и глубина водоема. Результаты измерений сопоставлялись методами корреляционного и регрессионного анализа с коэффициентами оптического пропускания СИП) космических снимков в точках, соответствующих станциям отбора проб воды. При эксперименте на Ладожском озере сопоставление проводилось с КП дубль-негативов многозонального изображения масштаба с-о 1;1 млн.(КА-в канале ЧЕА, КБ-ЧЕБ и 2СВ-ЧБВ), а для эксперимента на Мингечаур-ском вдхр. - с Ш дубль-позитивов изображения МКФ-бм (К1, К2, КЗ, К4, ¡£5 и Кб).

Выполненный корреляционный анализ позволил установить различия в спектральном распределении тесноты корреляционных связей в

случае эксперимента на Ладожском озере (табл.1) и на Мингечаур-ском вдхр. (тр6л.2).

Таблица I.

Матрица коэффициентов парной корреляции между концентрацией взвешенных веществ, прозрачностью по диску Секки и коэффициентами оптического пропускания дубль-негативов по результатам эксперимента на Ладожском озере.

Вз. 0,77 0,€6 0,76

ВО 0,51 0,56 0,61

БН 0,74 0,Ь5 0,65

ДС - 0,54 - 0,67 - 0,72

1/1СА 1/КБ 1/КВ

Таблица 2.

Матрица коэффициентов парной корреляции между концентрацией взвешенных веществ, прозрачностью по диску Секки, глубиной водоема и коэффициентами оптического пропускания дубль-позитивов по результатам эксперимента на Мингечаурском вдхр.

Вз. 0,2 Ь 0,93 0,96 0,76 0,41 0,06

ВО 0,10 0,11 0,10 0,01 0,06 0,03

ВН 0,39 0,4У 0,49 0,20 0,11 0

ДС - 0,64 - 0,63 - 0,60 - 0,£4 - 0,15 - 0,10

ГЛВ - 0,51 - 0,56 - 0,49 - 0,40 - 0,05 - 0,23

К1 К2 КЗ К4_ Кб Кб

В 1-м случае значимые коэффициенты корреляции наблюдались'как для величин Вз и ДС, так и для величин ВО и ВН в каналах съемки видимого и ближнего ИК диапазона. Во 2-м случае для величины НО

отсутствовала значимая корреляция с Ш в каком-либо из каналов съемки, а для величин Вз, ВН, ГЛБ и ДС значимые корреляции наблюдались только с КП снимков сидимого диапазона.

Указанные различия объясняются причинами, связанными с различным трофическим состоянием исследуемых водоемов. На Ладожском озере, которое является ыез°трофнь:м водоемом, исследования проводились на акваториях Волховской и Свирской губ, води которых можно характеризовать как евтрофные. Мингечаурское вдхр. представляет собой олиготрофный водоем, для которого характерно значительное преобладание фракции неорганических взвешенных веществ. Для евтрофных вод в период интенсивного развития фитопланктона характерно клинообразное вертикальное распределение концентрации органических взвешенных веществ с максимумом, расположенным вблизи водной поверхности, в то время как для неорганических взвешенных веществ характерно более глубокое расположение максимума концентрации .

Выявленные различия в характере спектрального распределения тесноты корреляционных связей подтверждают теоретические выводи, сделанные в главе 2, о возможности идентификации органических и неорганических взвешенных веществ на основе сопоставления космических снимков гидимого и ближнего ИК диапазона.

При проведении множественного регрессионного анализа экспериментальных данных в целях исключения влияния мультиколлинеар-' ности независимых переменных применялся метод шаговой регрессии. По результатам эксперимента на Ладожском озере были получены' следующие регрессионные модели:

Вз = - 9,47 + 44,- П5/КА + 1490/КВ (Р = 0,Ь75) ВН = 2,59 - 97,9/КА + 31/пВ (Р = 0,652)

1/ДС = 11,5 - 0,459 • (КБ) - 2,55 • (КА) + 0,582 . (КВ)■ (Я = 0,СЬ7)

Характер нелинейности в уравнениях регрессии для величин Вз и ВН определяется линейным видом зависимости (в пределах фотографической широты) между оптической плотностью и логарифмом экспозицией фотопленки Н:

где Н^ - точка инерции, а ^ - коэффициент контрастности фотопленки. При ^ ^ I связь между величинами 1/НП и Н близка к линейной.

По результатам эксперимента на Мингечаурском вдхр. были получены -ледующие регрессионные модели:

Вз = - 6,41 + 13 • КЗ + 39,4 ' Kl + 116 ' К5 + 13,4 • К2 + ,

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали возможность количественной оценки по параметрам космических изображений величин, характеризующих мутность воды: общей концентрации взвешенных веществ и прозрачности по диску Секки. Для мезотрофных водоемов, кроме того, была показана возможность определения органической и неорганической фракций взвешенных веществ.

Пятая глава посвящена вопросам применения разработанных методик для исследования различных видов антропогенного воздействия на водные объекты. Па основе выполненного анализа материалов космических. съемок ряда внутренних водоемов и морей удалось установить возможность использования этих материалов для исследования следующих процессов:

1) загрязнение поверхностных вод промышленными сбросами,

2) вынос загрязненных речных вод в моря и крупные водоемы,

3) береговой поверхностный сток с сельхозугодий и застроен-

-Ц СИП) = I (ty н - )

+6,55 • К4 &-(ДС) = 2,06 - 26,6 • К4

(5 = 0,974) (R = 0,Ь4)

№й территории,

4) переформирование берегов и ложа водохранилищ, абразия юрских берегов,

5) взмучивание донных отложений и подводных отвалов грунта,

6) заиление водоемов, заносимость судоходных каналов.

Для каждого из перечисленных видов антропогенного воздейст-зия были выявлены особенности использования материалов космических съемок: применимость различных видов материалов, оптимальные ¡роки съемки, необходимые виды априорной информации, а также специфические дешифровочные признаки (формы контуров, характер рас-[ределения яркости и некоторые другие).

Особенности тематического анализа космических изображений гри исследовании влияния промышленных сбросор и речного стока :вязаны с тем, что эти источники загрязнения яеляются точечными 1 постоянно действующими. Их локализация заранее известна, и при-кнение космической информации представляет интерес только для ценки масштабов загрязнения. При этом возможно использование ме-одов тематической обработки, применяющихся для небольших фраг-энтов изображения: анализ двумерных гистограмм зональной яркос-и, сегментация по направлению градиента. Дия исследования влия-ия промышленных сбросов применимы только космические снимки вы-окого разрешенияГ"В ряде случаев влияние промышленных сбросов ожно обнаружить только с помощью цифровой обработки изображений, агрязненный речной сток, напротив, можно .наблюдать даже на скверных изображениях среднего разрешения при низуальной обработке.

При исследовании загрязнения диффузными источниками их лока-изация заранее не известна, что обуславливает необходимость ра-зты с большими фрагментами изображений и применения соогветст-ующих методов тематической обработки. При исследовании загрязне-яя береговым поверхностным стоком целесообразно использовать кос-

мическиэ снимки, полученные в период весеннего или дождевых паводков. Для исследования данного вида загрязнрния также, как и в случае загрязнения промышленными сбросами, пригодны только материалы космических съемок высокого пространственного разрешения Дополнительным дешифрованным признаком загрязнения поверхностным стоком является наличие постоянной или временной ручейковой сети на примыкающем участке берега, которая дешифрируется на фотографических изображениях высокого разрешения..Зоны влияния загрязнения поверхностным стоком с сельхозугодий могут дешифрироваться и на космических снимках, полученных в летний период, как области интенсивного развития фитопланктона, примыкающие к участкам берега с развитой ручейковой сетью или расположенные ниже по течению.

При исследовании процессов абразии берегов для тематического анализа необходимо привлечение априорной информации о направлении прибрежных течений. Такая информация позволяет определять по космическим снимкам участки берега с однонаправленной деформацией (абразия или аккумуляция). Если вдоль некоторого участка берега расход взвешенных наносов возрастает, то на этом участке происходит размыв (при отсутствии речных выносов или поверхностного стока), в противном случае - аккумуляция.

При исследовании загрязнения вод вследствие взмучивания донных отложений и подводных отвалоЕ грунта целесообразно использование космических снимков, полученных в период волнения на акваториях. Контуры зон влияния источников загрязнения этого типа-, как правило, отчасти повторяют очертания отмелей или подводных отвалов. Характерным деиифровочным признаком рассматриваемого вида загрязнения является сравнительно равномерное распределение отклонения яркости изображения от фоновой по площади загрязняемой акватории.

Взмучивание в районах подводных отвалов грунта удавалось .ешифрировать только на изображениях высокого разрешения при ис-шьзовании цифровой обработки. Взмучивание донных отложений в ¡яде случаев дешифрировалось и при визуальной обработке изобра-¡ений среднего разрешения.

Картографирование пространственного распределения взвешенно веществ от различных источников загрязнения позволяет в ря-!.е случаев оценить также пространственное распределение загряз-шющих веществ, сорбированных на взвешенных частицах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработанные методы тематической обработки и тематичес-сого анализа материалов космических съемок позволяют картографи-зовать зоны распространения взвешенных веществ от различных источников загрязнения поверхностных вод: промышленных сбросов, вы-юса загрязненных речных вод, поверхностного стока с сельхозугодий и застроенной территории, размытия берегов, взмучивания мелководий и а районах подводных отвалов грунта.

2. Синтез изображений в условных цветах повышает достоверность дешифрирования замутненных вод на фене маскирующих факторов {мелководья, облачность, "цветение"). Дня выбора оптимального варианта синтеза целесообразно использовать расчеты на ЭВМ методом случайного поиска с адаптацией по критерию цветового контраста 6 равноконтрастной системе координат цвета.

3. Основное преимущество цифровой обработки изображений акваторий заключается в возможности объективного оконтуриЕания зон распространения взвеси. Кроме того, цифровая обработка позволяет поеысить-достоверность дешифрирования замутненных вод на фоне маскирующих факторов. Для оконтуривания зон распространения взвеси от различных источников загрязнения целесообразно использовать

- 21 -

сочетание 2-х методов сегментации изображений: по признакам зональной яркости и по признакам направления градиента зональной яркости.

4. Количественные оценки распределения концентрации взвешенных веществ могут быть выполнены по материалам космических съемок на основе корреляционных связей между концентрацией взвешенньж веществ и параметрами космических изображений. Для олиготрофных водоемов, возможна оценка только общей концентрации взвеси, а для мезотрофных - также органической И неорганической фракций.

5. Разработанные методы тематического анализа материалов космических съемок позволяют эффективна использовать эти материалы для оценок различного вида антропогенного воздействия на моря и внутренние водоема при обосновании и оценке эффективности водоохранных мероприятий, при экологической экспертизе.

По теме диссертации опубликовано 17 работ. Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Брук В.В., Малыхина И.И., И!умаков Ф.Т., Дружинин Г.В. О корреляционных связях между гидрооптическими и гидрохимическими характеристиками различных типов вод Ладожского озера. /Комплексный дистационный мониторинг озер. - Л.: Наука, 19Е7, С, 6770.

2. Кондратьев К.Я., КрасовскиЯ Г.Я., Брук В.В. Анализ влияния точечных и диффузных источников загрязнения на качество вод по материалам космических съемок. //Л.: Наука, 1986, 24 с.

3. Кондратьев К.Я., Брук В.В., Дружинин Г.В., Егоров Л.К., Мали-хина И.И., Шумаков Ф.Т. Возможности использования космической, информации для изучения процессов загрязнения и еатрофирования озерных систем. // Исследование Земли из космоса. -1968. - Вып. Г 4. С.49-57.

4. Красовский Г.Я,, Брук В.В., Позняк ВЛ. Идентификация загряз-

нений моря по данным космических съемок. // Методы и средства дистационного зондирования Земли и обработки космической информации в интересах народного хозяйства. Тез.докл. Всес.конференции. Рязань, сентябрь 1989 г. - 4.1. - Рязань, 1989. С.94-96.

>, Брук В.В., Шумаков 5.Т. Использование многозональной космической информации для мониторинга загрязнения внутренних водоемов. // Там же. - С.79-61.

. Брук В.В., Сывак О.И. Сегментация изображений акваторий водных объектов. // Технические и программные средства тематической обработки спутниковой информации: Тез.докл.Всесоюзного семинара. Москва, ноябрь, 1989 г. - Москва, 1989. С. 4042,