Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Теоретическое обоснование и техническая реализация дистанционной пассивной электрофотометрической системы контроля акватории

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Теоретическое обоснование и техническая реализация дистанционной пассивной электрофотометрической системы контроля акватории"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 551.463:519.282

ШЕВЫРНОГОВ Анатолий Петрович

ретическое обоснование и техническая еализация дистанционной пассивной (трофотометрической системы контроля

акватории

11.00.08 — Океанология

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Красноярск 1992

Работа выполнена в Институте биофизики СО АН СССР

Официальные, оппоненты - доктор технических наук

л.с.ситников

(г. Москва)

- доктор физико-математических наук В.Н.ПЕЛЕВИН

(г. Москва)

- доктор физико-математических наук В.М.ОРЛОВ

Ведущая организация - Морской гидрофизический институт

АН Украины (г. Севастополь)

Защита диссертации состоится "27 я МАЯ 1992 г. в I I часов на заседании Специализированного совета Д.002.86.01 по защитам диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте океанологии им.П.П.Ширшова РА (II72I8, Москва, ул.Красикова 23)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН.

Автореферат разослан "/ ^ "<Х I ]J) £/) /I 1992

Ученый секретарь специализированного coasfaTT?^

" ' -'Д iLj-eu..] Т.А.ХУСВД

кандидат биологических наук /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1ЭЛ

тациЯ

-актуальность проблемы. Разработка »методология и технических средств для экспрессного изучения водных объектов на больших пространствах - перспективное направление в исследовании и охране природных ресурсов, в хозяйственном освоении биологических ресурсов Мирового океана. Использование экспрессных оптических дистанционных методов дает возможность изучать крупные природные объекты на новом уровне генерализации, позволявдем судить об объекте исследования как делом, изучать динамику крупных природных образований.

Высокая биологическая продукция в океане связана с динамически активными, прежде всего фронтальными зонами, вшш-чащими апвеллинги и конвергенции. Связь биологической продуктивности океана с размера1,т фронтальной зоны и скоростью ее перемещения весьма значима (Виноградов,1334). Однако, эти процессы недостаточно аффективно прогнозируется, поэтому задача адекватной регистрации крупномасштабных гидрологических явлений в океане является актуальной, как в научной, так и в хозяйственной деятельности.

Основная трудность в изучении крупномасштабных явлений океана заключается в несоответствии размеров,- а также сложности и скорости изменения объекта имеющимся традиционным средствам их изучения.

В наше время достаточно развиты традиционные биологические метода изучения биосферы. Однако, дискретные измерения гидрологических и биологических характеристик недостаточны для полного адекватного представления об их пространственном распределении, необходимы непрерывные измерения биологических параметров с достаточным пространственным разрешением.

Фактически требуется создание новой комплексной информационной технологии, адекватной свойствам изучаемых природных объектов - океанических экосистем. Основной чертой этой технологии должна быть структура» показанная ниже в согласованность скорости и объему получаемой информации во всех ее элементах:

- в применяемых методах обработки информации,

- в конструкции и характеристиках аппаратуры.

__ з —

- в средствах представления обработанной информации.

Таким образом, актуальность работы "Определена:

1. Необходимостью разработки комплексных дистанционных оптических измерительных методов биологических параметров обладающих: :; ..го:/.:; -

- непрерывностью, - . - быстродействием, .

V - возможностьюколичественной гидробиологической интерпретации спектрсфотоыетрических измерений,

- - - возможностью использования аппаратурно-программного комплекса для получения статистически значимого материала.

2. Необходимостью разработки кетодов биологической и гидрологической интерпретации многомерной оптической спектральной информации.

3. Необходимостью разработки бортового слектрофо тоивтри-чесиого комплекса, позволявшего реализовать методы олткчаско-го спектрального анализа природньос гидробиоценозов.

Актуальность указанных проблем неоднократно откечааась в научной печати, решениях конференций, пленумов, семшаров.

Цель, работы. Разработать комплексную информационно технологию изучения крупных водных объектов на основа развития физических и статистических биооптических моделей, тез-нической реализации системы дистанционного пассивного спект-рофотометрического контроля акваторий, позволяемую осуществлять оптический мониторинг водных масс с адекватны:,! их структуре и динамике пространственно-временным разрешением.

Основные задача исследования. '

I. Разработка методических основ регистрации спектров яркости водных объектов о цельп их гидрологической и гидробиологической интерпретации, базирующихся на:

- регистрации индексов цвета водных объектов;

- трехволновом методе определения относительной концентрации хлорофилла и взвеси;

- физической модели, .-.связываний . яркость излучения в теневой зоне корабля (пахта) со свойствами океанской вода в внешними уоловиями;

- регрессионном анализе спектров яркости открытой ловерх-

ности океана и в пахте корабля;

- диалоговой классификации и автоматическом картировании;

- классификации спектральных характеристик с использованием непараметризеских методов математической статистики;

2. Разработка и создание бортовото комплекса спектрофо-тометрической аппаратуры с автоматизацией сбора и предварительной обработки информации;

3. Разработка метода типизации и картирования вод с различными оптическими характеристиками го результатам дистанционных спектральных измерений;

4. Разработка математического обеспечения доя:

- реиения задачи определения показателя поглощения в поверхностном слое океана по спектрам яркости, регистрируемым в теневой зоне (шахте) корабля;

- моделирования величин спектральной яркости в шахте корабля при различных условия! освещения и геометрических условиях эксперимента,

- диалоговой классификации спектральных оптических данных и автоматического картирования типов вод, основанных на этой классификации

5. Изучение неоднородности оптических и биологических характеристик в районе меавдрировавия Гольфстрима, на полигонах западной и ваотачкой частей Центральной Атлантики.

Научная иовизна работы. Заклшчается в тем, что впервые создана комплексная информационная технология изучения акваторий на основе:

- развития базовых методов интерпретации дастаниронных спектрофотоиетричесних данных,

- разразботки оптической аппаратуры и систем сбора и обработки спектрофо то метрической информации,

- испытания и применения их в экспедиционных условиях, требущих нового методологического подхода и практических решений.

В частности:

- разработана физическая модель, учитывающая соотношение-• направленной и диффузной радиации, связыващая яркость излучения в шахте корабля со свойствами океанской вода и внешними

_ з __

ч г г» пптэтлоплтг ^оыгшрлЛ оошпгтпн пс

и^ыимипм у ииии 1и<1 ии^ШЦМ у «УМ у МШ^ииАШМ иб^

ра), позволившая оценить влияние их изменчивости на величину регистрируемого сигнала и выработать технические требования на создание специализированного комплекса аппаратуры,

- решена задача определения показателя поглощения в приповерхностном слое океана по измерения« спектров яркости через шахту корабля с учетом соотношения направленной и диффузной радиации, высота Солнца, показавшая возможность экспрессной оценки показателя поглощения на ходу судна при большой изменчивости внешних условий,

- создан автоматизированный комплекс бортовой спектрофо-томэтрической аппаратуры для дистаящонных исследований, позволивший, в сочетании с разработанными методами предварительной и тематической обработки сигнала, реализовать автоматизированное рабочее место океанолога - г дцрооптика.

- разработан новый метод диалоговой классификации спектральных оптических характеристик приповерхностных вэд, позволивший при дефиците опорных данных автоматически-картировать акватория по типам оптических спектральных характеристик,

- выполнено статистическое моделирование и классификация оптических спектральных характеристик приповерхностных вод океана с применением непараметрических методов математической статистики. Применение нового катода позволило оценить гетерогенность вод в западной части тропической Атлантики, - установить статистическую взаимосвязь мезду типаьзи спектральных характеристик и концентрацией хлорофилла, выполнить, картирование вод по типу выделенных епетров.

Практическая значимость работа заключается в созданной согласованной системы методов дистанционного .зондирования океана, которая позволяет исследовать на новом качественной уровне динамику и структуру биоолтачесних характеристик приповерхностного океанического слоя. *

Практическая ценность отдельных элементов работы заключается в следящем:

- регистрация индекса цвета поверхностных вод океана г внутренних водоемов с автоматизацией измерений обеспечивает отслеживание гидрооптических неодаородностей экономичным спо-

собом, не.требущим высокой квалификация обслуживающего персонала;

- использование предложенной трехволновой методики определения относительной концентрации хлорофилла позволяет проводить съемку с самолета акваторий при малой количестве опорных гидробиологических измерений;

- физическая модель, описывакщая связь яркости излучения в шахте корабля со свойствами океанской воды и внешними условиями кокет быть эффективно использована для экспрессного определения показателя поглощения, исходя из известных величин спектральной яркости а внешних условий;

- метод многомерного регрессионного анализа спектров яркости, измеренных в шахте корабля, обеспечивает при соответ-ствущем подборе обучащих выборок и переключении статистических моделей, экспрессное определение концентрации хлорофилла с минимальной погрешностью для конкретных условий;

■ - применение катода диалоговой классификации спектральных оптических характеристик с использованием процедуры сингулярного рзаложения матрицы данных обеспечивает разделение типов регистрируемых вод по их спектральным оптическим характеристикам при минимальной опорной привязке измерений с последующим нанесением этих типов вод на карту. Это позволяет акспрессно оценивать аномалии гидрологических характеристик при известных фоновых значениях, либо оценивать пространственную неоднородность объекта, а также позволяет существенно сократить объем опорных гидробиологических и гидрологических измерений; .

- автоматическая классификация спектров яркости поверхностных вод океана, основанная на непараштрических катодах статистического анализа, обеспечивает возможность анализа типов вод по их спектральным оптическим характеристикам, позволяет реализовать иерархическую классификацию разнотипных данных и обнаружение структуры исходных данных.

Результата классификации представлены в виде карты распределения выделенных классов, что позволяет при обеспечении необходимой частоты съемка оценивать динамику составляющих компонент в поверхностном слое океана.

- конструктивные принципы, заложенные в разработанных приборах, рекомендуется использовать при создании измерительно - вычислительных спектрофотометркческих комплексов.

- представляется рациональным использование автоматизированного спектрофотомэтрнческого комплекса для экспрессного определения фронтальных зон, алвеллингов, границ водных масс, прицельной постановки станций, наземной привязка спутниковых измерений и т.д.

Реализация результатов. Представленные исследования выполнены в лаборатории катодов мониторинга экосистем Института биофизики СО АН СССР. Она связаны с планами госбюджетных НЮ? Института (тема 01.Н5 "Изучить экологические последствия загрязнений морских экосистем в различных географических зонах Мирового океана и разработать систему показателей экологического мониторинга океанской среды"- постановление ГКНТ при СМ СССР, Госплана СССР и Президиума АН СССР N475/251/131 от 12.12.80, РАН СССР N10103/227 от 11.02.81 г., раздел 2.2.2 прграммы "Сибирь", тема 4 "Хлорофилл в биосфера" и тема 9 "Техника дистанционных регистрирующих систем" га проблеме "Развитее и использование аэрокосмичвсккх методов изучения природных ресурсов и явлений" и т.д.

Разработанные методы и аппаратура успешно использовались в ряде комплексных корабельных и азиационньос экспедиций и поев о лил л. получить качественно новый материал, существенно дополняющий результаты экспедиций в целом. В том числа в следу-шр авиационных экспедициях:

1. В Курило-Хоккайдский район Тихого океана, 1972г. (использован двухволновой спектрофотометр, определялись индекса цвета в районе течения Куросио).

2. На Красноярское водохранилище, по Екиоев от Красноярска до Дудинки, 1973, 1983, 1934 гг.(использовался многоканальный спектрофотометр МКС-10М и система сбора и обработки информации "Поиск-А", определялись типы вод на основе диалоговой классификации спектров яркости поверхности акваторий).

3. На оэ.Байкал, Каспийское и Черное моря, 3974 г. (использовался 3-х волновой спектрофотометр с автоматизацией измерений, определялась относительная концентрация хлорофилла

5 взвеси, нефтяные загрязнения).

В следувдих комплексных экспедициях на кораблях Академии 1аук ССОР и Госкомгцдромета:

I. 18 рейс НИС "Дмитрий Менделеев" в Западную часть Гихого океана, 1976 г. (использовался многоканальный спектро-[ютокетр MKC-I2 и система сбора и обработки спектрофотометри-зеской информации "Поиск-I", впервые проведена непрерывная зегистрация коэффициентов спектральной яркости на протяжении 5олее 90Ш миль, проведен многомерный регрессионный анализ данных для вычисления концентрации хлорофилла в поверхностном шю океана).

•2. 27 рейс НКСП "Академик ШирЕОв" в Беринговом море и 'эриаяском районе Тихого океана по программа изучения бкос->ерных заповедников, I9SI г. (использовался многоканальный ¡пектрофотомэтр MKC-IO и система сбора и обработки информация ТГоиск-Г\ проведено изучение спектральных оптических харак-"еркстик поверхностных вод океана на полигонах в Беринговом !оре, па разрезе вдоль восточных берегов Японии, на точении lypocira, в Японском коре).

3. 34 рейс ШС "Академик Курчатов" в Юго-Восточнуп :аоть Тихого океана и Атлантику,1982 г. (использовался спекг-'офотокетр МКС-ЮМ и система сбора и обработки информации Поиск-2"» проведено изучение связи спектральных оптических арактериотик поверхностных вод океана с различными ггщробио-огяческвыи характеристиками на Перуанском апвеллинге)

4. 43 рейс НИС "Академик Курчатов" в Атлантику, подс-утниковый эксперимент, 1985 г. (использовался спектророто-етр ШСС-ШД в шахте корабля с системой "Поиск-2").

5. 36 рейс НИС "Академик Вернадский" в Западную часть тлантикя, I9S7 г., (использовался 1ЖС-10" в пахте корабля и кстема сбора и обработай информации "Поиск-3", проведено пс-ледованив пространственного распределения спектральных опти-вских характеристик в энергоактивной зоне Западной Атлантики а тропическом полигоне, с использованием методов классифика-ш, основанных на вепараметрических методах математической гатистики).

6. 40 рейс ПИС "Академик Вернадский" в Северную и Цея-

тральную Атлантику, подспутниковые эксперимента по программе совета "Кнтеркосмос", 1539г. (приманен спектрофотометр МКС-1Ш с измерениями спектров яркости в шахте корабля и распределенная система сбора и обработка - информации ва основе комплексного использования корабельной вычислительной сети, модулей КАЫАК и персональной ЭВМ, проведено изучение изменчивости спектральных оптических характеристик по всему маршрут судна'и на полигонах, получена связь ыевду концентрациями хлорофилла, зоопланктона и матрицей индексов цвета, полученные спектральные данные введены в корабельный банк данных а подготовлены дая передачи в США по линии советско-американского сотрудничества).

Автоматизированная система сбора и обработки спектрофо-токетрической информации "Поиск" демонстрировалась на выставках "Сибирский прибор-ЗЗ" и на ВДНХ СССР в 1982 И 1983 гг. .Постановлением Главного комитета ВДНХ СССР N93.1-11 от 9.12.82 автор награжден бронзовой г,вдааьп (удостоверение N57971).

На звщзту выносятся:

1. Метода расчета, связызаэдие яркость излучения в теневой зоне корабля (шахта) с гидрофизическими характеристиками океанской вода и внепшш условиями, в частности, учитызащш соотношение прямой солнечной и диффузной радиации.

2. Методика определения коэффициента поглощения в приповерхностном слое океана по шахтным дистанционным измерения? спектров яркости на- основе использования многомерной интерполяции модельных данных.

3. Автоматизированный оптико-алектронный комплекс борто вой спектрофотометрической аппаратуры для дистанционных ис следований, предназначенный дая работы в режиме реальног времени.

4. Статистические модели классификации спектральных оп тическш характеристик поверхностных вод с последущпы авто матаческим.каргировашем, позволявшие проводить автоматичес кув и диалоговую типизацию природных вод.

5. Статистические модели прогнозирования концентрат хлорофилла в поверхностных водах Центральной Атлантики на о< нове использования методов регрессионного анализа спектрофс

__ ю —

одатрических измерений в теневой зокэ корабля (шахте).

АпроОацгя работа. Результата доложены и обсуждены:

1. На всесоюзных конференциях, симпозиумах и семина-iax: 3-м Вс. совещания по управляемому биосинтезу и биофизике гопуляций (Красноярск, 1973г.), Вс.методологическом семинаре в ТО ш.Воейкова (Ленинград, 1973 г.), Вс. координационном со-тщанш по исследовании природных ресурсов(пос. Шушенское, 1976г.), Вс. симпозиуме по охране вод Сибири (Новосибирск, [978 г.); Первом Вс. биофизическом съезде (Москва,1982г.), Je. семинаре "Дистанционное зондирование продуктивности био-зферы" (Тыравере,1985 г.), 6-м совещании по спутниковой гидрофизике (Севастополь,1988 г.).

2. На конференциях, совещаниях в рамках Сибирского отделения АН СССР: I и 2 научной сессии научно-координационного совета по проблеме "Аэрокосмические исследования природных ресурсов" (Новосибирск, Г978, 1979 гг.),

3. На международных съездах, симпозиумах, совещаниях: Советско - американском совещании по взаимному сотрудничеству для изучения биосферных заповедников (Москва, 1980 г.), международном биофизическом конгрессе (Мексике, 1931 г.), 1-м Мездународаом симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг Мйрового океана (Таллин,1983 г.). Совещания международной рабочей группы scope/unep (Венесуэла, Каракас, 1984 г.). Совещании международной рабочей группы bcope/unep (США, Фербенкс,198б г.), 39 конгрессе МАФ (Финляндия, Хельсинки, 1988 г.), Совещании международной рабочей группы scope/unep, (Иркутск,I9S8 г.). Совещании рабочей группы * Науки о Зеияап в рамках советско-американского сотрудничества по линии совета "Интеркосмос" (Иосква,1988 г., Вашингтон, 1989 г.). Совещания по азрокосшческим методам изучения природных ресурсов (Unesco» (Иасква,1989 г.),Советско-западногерманской совещании "Мониторинг окружающей среда" (Новосибирск, 198Э г.) Советско-американском научном семинаре по изучению океана из космоса (Бостон, 1989 г.),.

4. На 3-ем съезда советских океанологов (Ленинград, 1987

г.).

5. На Пленумах рабочей группы по оптике океана (Комиссия ■

— il —

АН СССР по проблеме Мирового океана): 5-ом (Калининград, 1978 г.), 9-ом (Батуми , 1934г.), 10-ом (Ростов-на-Дону, 1968 г.), 11-ом (Красноярск, 1990 г.).

Личный вклад.- Представленная диссертация - результат обобщения многолетних работ, как лично автора, так и возглавляемого ет коллектива. Личное участие автора заключается в постановке задач, непосредственной разработке алгоритмов, программ, оптических схем приборов, их конструкторской реализации и испытании в морских и авиационных экспедициях. Авторо! организована работа ряда экспедиционных отрядов в комплексных морских и авиационных экспедициях, в ходе которых были испытаны и внедрены разработанные од и его сотрудниками дистанционные методы регистрации спектральных оптических характеристик поверхностных вод океана и внутренних водоемов. Автором, также совместно с сотрудниками, проводилась обработка полученных результатов и их обобщение.'

Ряд работ, выполненных совместно с соавторами, входит в отдельные разделы диссертации. Материалы, вклиненные в раздел 2.5, отражают работу, выполненную в соавторства с членом-корреспондентом АН БССР А.П.Ивановым. В разделе 3.3.2 используются гидрооптические зависимости, подученные научным . сотрудником с:л.Молзинских. Часть материалов, используемых в разделе 3.8.4, получены в соавторстве с научным сотрудником Г.С.Высоцкой. В разработке ашаратурно-программного комплекса, описанного в разделе 4, наиболее активно участвовали научные сотрудники В.В.Четооа и С.Л.Молвинскях. В.В.Чёпеловым основная роль сыграна в разработке и реализации электронной части аппаратуры, а С.Л.Молвинских - в создании програ\м, управляздих спектрофотометрическим комплексом. Экспериментальные материалы, используемые в разделе 5 получены при совместной работе в экспедициях с В.В.Чепкловым, С.Л.Молвшских, В.Б.Кашкшьш.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 научных печатных работы. ^

Структура в объем работы. Диссертация состоит из введв-' яея, четырех глав, выводов после каздой главы, заключения, выводов га работе в целом, списка литературы. Работа содержит 353 стр. основного текста, 74 рис., 15 таблиц, список

штаратуры на 138 наименований.

ЧАСТЬ I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ, ОСНОВАННОЙ НА ПАССИВНЫХ ДИСТАНЦИ01ШЫХ СПЕКТР0Ф0Т0МЕГРИЧ2С1ШХ МЕТОДАХ Реальной.физической основой, позволяющей развивать дистанционные метода изучения водных объектов, является то, что три взаимодействия света со средой изменяется его слектраль-зый состав, интенсивность, направленность, благодаря чему возможно применение физических приборов и методов для реги-втрации этих изменения.

Для выработки требований к методам и аппаратуре дистанционного зондирования водных объектов в первой' части работ, анализируются:

1. Влияние на оптические характеристики поверхностных вод океана основных, значимых с точка зрения гцдрооптихи, компонент: фатопигменгов, ¡¡селтого вещества и взвешенных частиц (ч.2.I).

2. Характер оптического сигнала при дистанционном зондировании и влияние на него флуктуацяй яркости поверхности, скорости ветра и пенных образований на поверхности вода (ч.2.2).

3. Различные методики определения коэффициента яркости (НЯ)-и коэффициента диффузного отражения (КДО) (ч.'2.3).

Измерения яркости в теневой зоне (шахте) корабля в условиях морских экспедиций выявили устойчивость формы спектра к изменению внешних условий. Отсвда стала очевидной перспективность такого подхода пра дистанционном зондировании поверхностного слоя океана и, как следствие, необходимость в разработке катодов расчета, позволяющих связать яркость в шахте с различными внешними условиями и свойствами среда.

Спектральная яркость в теневой зоне (шахте) корабля н ев связь с показателей поглощения

При регистрации яркости в теневой зоне корабля (через шахту), основная часть светового потока, прежде чем попасть в объектив спектрального прибора, проходит путь через воду значительно больший, чем при регистрации спектральной яркости на открытой поверхности океана. Схема регистрации яркости в шах-

те корабля создает аффект "многоходовой кювета" (см.рис.1 Излучение при атом подвергается значительной спектральн фильтрации. В результате, по атому спектру легче улови небольшие изменения в поглощательной способности вода, чем 1 обычно измеряемому спектральному коэффициенту яркости мор: Нами выполнена разработка методов расчета, устанавливали; каличестввнвуи связь между спектральной яркостью восходяще: излучения, спектральными свойствами воды и внешни условиями.

Яркость в шахте корабля от направленной солнечной радиации

Свет, проникающий в шахту, формируется как прямым со. нечным излучением, так и излучением небосвода. Рассмотр: вначале влияние направленной радиации. Если пренебречь рази тием излучения, ю в рамках приближения квазиоднократно: рассеяния теории переноса яркость в точке С шахты, сфоршр1 ванная элементарным объемом иэ'йь, о сведенного лучами из то ки А на поверхности вода, будет равна

1 -[(к^и)<и+Ь)] вВ«Пг " г^сИг"^* {1>

Здесь спектральная освещенность от солнечных лучей : поверхности моря, паданцах под.углом р.

1 (Чд<{Нр>)г (а1пф-ф>)г

(Чд<р+ф>)г (в1п({5-Кр>)£

- френелевский коэффициент пропускания поверхности, где ф - угол прелошения, связанный с р соотношением в1п(ф) -

ств и к - спектральные показатели рассеяния в задеюа полусферу и поглощения! 1_ - н/со«р

Очевидно, полная яркость в точке С от прямого солне ного излучения

С 1+С05<ф)

. .ч-**-,"], <3,

Вб1г -*-] " <3>

Ьл»1п

Рис.1 Прохождение диффузного света в шахту корабля I - сечение кораЪля; 2 - тахта; 3 - поверхность даря; I - высота; водного столба; ь -полуширина корабля.

1 + Ь

"пЦл--ГдТр--<4>

Яркость в пахте корабля, формируемая пзлучетшеи нвбоовода Теперь переем к расчету яркости в вахте,- формируемой излучением небосвода. Нетрудно показать (рис.1), что при указанных ранее допущениях, яркость в точке 0, сформированная элементарным объемом ,• освеженного лучами из площадки 48» Ьудет

= —| ВМ£ * пг(со5(ф))ге - "«1&1Н <5>

их:

Здесь вdif = тс - спектральная яркость небосвода, которая полагается постоянной в любой его точке (Еан - освещенность от небосвода на поверхности воды)! П, » 1,34 -показатель преломления водал 1-г«= г2! согф - ь/п элементарная площадка аэ, как видно из рис.1. равна аз»а<ь,г>г<1г1 где угол

Д(Ь,г) «» Еагссаг

И'"*]]

(6>

Коэффициент 2 поставлен потому, что свет на площадку «ю поступает не только с левого, но и с симметричных участко правого борта.

Очевидно, полная яркость в точке С от излучения всего небосвода

г (Ь) пах

Р1* г , <Ы

га<ь,г>в I

О - ь-в - б - ----- <81

В^ - е " шla■, / БсИг | 8 ¿г 17»

■ д <

Г гТГГ

Здесь, как нетрудно видеть из рис.1, г«*п<ы - 4^-Т г.ан№> ■ ь *д(ф ^ <9>

где

ь

ь . - г + --<И>

Анализ связи яркости в еяхто с показателей поглощения

Выражения (3) и (7) могут быть использованы для рас-

ета Вй1г и в вахте. На практике " удобнее использовать

* в

армированные значения указанных яркостей Ва1г - Е—~ и

в ®

*<шх " £С'1 ' а'' ПеРвая является функцией к сц, р, ц, V, где

- скорость ветра, -ц - азимутальный угол. Вторая - функцией + 0П и V. Сами к и о"н зависят от'длины волны падаицего све-а. На рис.2 в качестве примера приведены зависимости и ОТ к + СГа при Ь Я 3,5 и, I = 6 М., V = О, о. Из

исунка видно, что кривые имеют вид близкий к зкспонвнциаль-ым зависимостям. Поэтому спектральные зависимости 1пв*1г<х> качественно характеризуют спектральный ход

<\> + с^л.' й к(л> (поскольку кй! » он(х>).

Сухарная яркость в пахте от пппрзвлекшго п диффузного . излучения при различных елзпнпх условиях . В эксперимента -нельзя отличить Ва1г от Определя-

тся их сумма В, которая, чтобы убрать абсолютные измерения, ормируется к суммарной освещенности Е =» Ес11^+Е()1г на повер-носта воды. Пусть N Ес11г, где м любое положительное исло. Тогда

о в..+ в... в 1 n •

Н [Е01г + " <иг] н Е н

Выражение (12) является рабочей формулой для расчета ве-

ичины В/ЕОц при известных геометрических пара?.®трах корабля

шахты (ь, 1», внешних условиях ф, т), м, V) и оптических

арантеристиках вода (к, ст„).

ы в

Наш разработана программа расчета по (12) величины щу-

зависимости от указанных параметров.

На рио.З построены спектры и - в/е и я (коэффициент даф-

П»ср 1.0

-1

1*10

-I

-2

1x10

1*10

пив

1»1в

0.64 о.еа « _ „»

1-02 ^.к,«"1

'И

Рис .2 Зависимости вй1г и (пунктирная линия) от к + он при разных углах преломления (падения) -числа у кривых в градусах

410 450 490 530 570 Рис.3 Спектры в кш при различных внешних у ото виях: I - облачный небосвод; 2 - р=2?°, т}=00, N=0.1', 1 м/сек; 3 - р=61.5°, Т}=0°, ы=ол, ^=15 м/сек; 4 - р=61.! т^О0, м=ОЛ, у=о м/сек; 5 - р=61.5°, т^40°, к=0.1, к/с

3

3

фузного отражения) по известному спектру к + сгд, изображенному на рис.4 кривой I и спектру стн при различных внешних условиях. Из рис.3 ввдно, что, несмотря на с ¿.'.из различные ситуации, при фиксированной величине к + сгн функция в/е изменяется не больше, чем в два раза. Если ка-кду® из этих функций соответственно пронормировать на их величину при \ -410 ни, то они практически совпадут между собой. Это свидетельствует о том, что форма спектров яркости слабо зависит от условий освещения а взволнованности моря и, следовательно, песет однозначную информации о спектре оптической характеристики к + а„.

л

На основе полученных зависимостей в работе была проводе- . На-оценка чувствительности, относительного изменения « и н г; относительному изменении !<-кгд. При больоих ¡: + оа чувствительность иахтЕа измерений возрастает в десятки раз, тогда как (чувствительность КДО к изменении к + сгн) остается постоянной.

Psejkss задзтя вссстгяотшизая показателя поглс^онпп по' яркости в пзхтэ

Соотновенпе (12) шкет быть использовано доя решения задача восстановления спектра показателя поглощения fc по измеренного спектру В/Е п известным величинам n, р, tj, v.

■Для этого была разработана программа расчета. Приври пользования программой приведены на рис.4. Были заданы два спектра нор^зрованной яркости мш и w <\) при полностью облачной атмосфере, измеренные в водах различного типа. Результаты восстановления спектров к *■ сн изображены кривыми , I и I*. Поскольку в эксперименте по разным причинам w<A.i может Сыть измерена с определенной систематической ошибкой, то вместо исходных спектров была взята спектры 1,5 w<x>, о,15 иея.» и 1,6 И'Ш и 0,15 Ы'<л>. Соответствущив ил спектры к + од представлены кривыми 2, 3 и 2', з'. Видео, что благодаря высокой чувствительности методики, абсолютные значения <* * од не очень сально отличаются между собой, хотя сами значения нормированной спектральной яркости на каждой длине волны изменились в 10 раз. Если же кахдуи группу спектров •< + ан пронормировать между собой на определенной длине волны, то

ровашого спектра яркости и (Л.) на воспроизведение спектра к + о„ (обозначения в тексте)

Рис-5 Рассчитанная и измеренная концентрации хлорофилла по маршруту судна

— яо —

они практически совпадут мажду ообой.

Таким-образом, даже при налшши большой систематической ояибни измерений по спектру и возможна высокая точность восстановления спектра & + аа.

На основе анализа специфических условий регистрации оптического сигнала при дистанционном зондировании и применяемых методик выработаны требования к спектральной оптической Еппвратурэ и система сбора и обработки спектрофотомзтрической информации 6), учитывакцяа конструктивные особенности аппаратуры, автоматизацию управления прибора.® и обработки данных и т.д.

Разработанный метод расчета яркости в шахте был псполь-вован для моделлровазия возможных условий работы аппаратурного комплекса. На этом основании бьиш выработаны требования на перспептгащи систему, которая иоггет обеспечить регистрация показателя поглощения л концэнтрацян хлорофилла с высоким просоранотзешкл раерешшгем на коду судна, а в дальнейшем выход на анализ гаогокоаюнвнтностя взвеси и растворениях веществ в поверхностном слое океана.

ЧАСТЬ Я. ИЗТОДЯЧЕОКЗШ-ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОИ И ПЩРОШГИЧЕСНОИ ЙШРПРЕГЩЗ! дашвдшадс СГЕКТРМЬНЫХ дшж '¿Згдзксн цсэтз.

Одеем пз пасболаэ простых методов оцвягси степени пзмзпе-штя спектра отраженной радиации, в зависимости от изменения состава вод, является индекс цвета. После анализа спектров яркости позерисослг скеапа, полученных в рягипгчпых гидробиологических условиях, стала очевидной простая идея оценки количества фатопЕГментов в морской вода по максимуму в спектре, поглоцзшхя, находящемуся в сшей части спектра на длине волны около 440 гол. Другта спорны?.! участком может быть ближайшая длинноволновая часть спектра с длиной волны около 530 им, выходящая ва пределы максимума поглощония свата.

Таким образом, отношение интенсивностей восходящей радиации на этих длинах волн может отражать величину концентрации фитопигментов, в частности, хлорофилла.

Эта идея использования двухволновой системы регистрации

— —

наш была осуществлена на основе разработанного совместно о Лабораторией азрометодрв АН СССР быстродействующего авиационного дифракционного спектрофотометра (1971 г - изготовлен Гфибор, 1972 г. - авиационная экспедиция в Куркло-Хоккайдский район). При атом сигнал для интерпретации рассматривался как разностный и как отношение яркостей в двух спектральных диапазонах. Практически одновременно с наш она была реализованЕ Арвезеном в 1971 г. ' '

В дальнейшем методика использования отношения на двух дайнах волн с использованием максимума поглощения фитопланктона в синей части спектра получила широкое раззитиа (Jeriov,i974, Магеx,i975, Науйшн,1974,19?9).асат это отношение В работе Ерлова получило название - индекс цвета.

Несмотря на простоту индексной методики, наобходишсг увеличения точности интерпретации измерений и работы в вода различного типа потребовала применения и развития многомерны методов анализа спектральных данных и разработки шогоканаль ной спектральной аппаратуры.

Трегволновоа пагод определения относительной концентрации хяорофаллв

Трахволновая катодака определения концентрации хлорофш ла и взвеси в поверхностных водах основана на физической ее терпретации дистанционных спектральных измерений восходящ радиации в трех узких спектральных диапазонах с иакстаумав ва 57D, 640, и 675 ш (Терсков,1Э75).

Выбор этик спектральных диапазонов определялся тем, ч' методика ориентирована на работу в вода:! с высокой концентр; циэй взвеси и газгкантов, то есть внутренних еодобшх, пр: брегшой зоне океана и т.д. Hais ранее было показано, в st: условиях более рационально ориентироваться на полосу погдощ ния хлорофилла с максимумом 6В0 нм.

В работе проведен выбор необходима! спектральных диап зонов для трехволнового метода определения относительной ко центрации хлорофилла (ч.З.ЗЛ) и показана разработанная мет дика (ч.Э.3.2), эффективно использованная при определении н однородвосги распределения микроводорослей в поверхности водах Байкала (авиационная экспедиция 1974г.)

— ES —

В процессе обработки всего экспериментального материала 5ыло установлено, что оталонешзэ результатов авиационных измерений относительных концентраций хлорофилла в условиях этой экспедиции не превышало 30 -40 .

Описанная методика может быть эффективно использована в условиях, дефицита опорных корабельных измерений и при атом давать быстрые оценки концентрации фитопланктона набольших площадях.

Регрессионный анализ патрица индексов цвета для расчет» . концентрации хлорофилла в повзрхностшх водах

. Как указывалось вше, недостаточная точность интерпретации дистанционных спектральных измерений по существущим ма-лопарамзтрическим физическим моделям (Коновалов,1930), а тагеке потребность в анализе многокомпонентного состава взвесей и растворенных веществ в морской воде, приводит к необходимости развитая методов, основанных на анализе многомерных данных.

Эффективны?,! методическим приемом является применение множественной линейной регрессии (МЛР) для оценки концентрации хлорофилла а поверхностных водах по изменениям спектрального состава восходящей радаацш.

: В работе проведен анализ необходимых условий применения метода 1.ШР лря обработйэ дистанционных слектрофотомэтркчссии данный: и приведены критерия оценки качества , регрессионной модели (4.3.4.1), анализируется выбор спектральных диапазоне» для регистрация спектров яркоста при установке спектрофото-кэтра на палубе (4.3.4.2) и в шахте корабля (ч.3.4.3).

В первом случав измеренные величины яркостей во всех диапазонах были преобразованы в матрицу индексов цвета, где опорным диапазоном был принят спектральный участок с К - 525 ■им.

Таким образом, мы получили матрицу, в которой строга представляли собой девятимерные векторы - спектры, а элементами матрицы были величины /1а525" Таков преобразование

измеренных величин позволило избавиться от неселективного гонения интенсивности света, связанного с изменением условий

__ ез —

освещения и перейти к оценка формы спектра, ее изменчивости.

Практика -экспедиционных работ показала (Гительзон,1979, 1988,Шевырногов,1990), что преобразование спектральных данных к такому виду и рабо.та с формой спектра не снижает существенно их информативности и позволяет проводить содержательную гидробиологическую и гидрологическую интерпретация). В то ;::е время существенно укрощается вопроса снязадние с аппаратурной реализацией метода, калибровкой.

Приведены результаты обработки методе:,: Ш1Р спектров яркости, измеренных в шахта корабля на пракере 4D рейса Ш!С "Ali-Вернадский".

Анализ .формы спектров и результатов измерений поварх-шетвой концентрация хлорофилла в пробах показал, что исходную обучащрэ выборку целесообразно разделить на два части -"северную" п "Е;азуа", "йхвая" едоо-г коацзптрацде хлорофилла от Q до 0.2 мг/и3, "северная" иьзет концентрации от 0.15 мг/м3 е вьше. Количество значений, Еспользуеньк 2 ЕЫборкг "северная" - 17. Количество вхгченЕй в виборкв - 46.

Из таблица I видео, что наибольшее значено когффздз-

Таблща I

Выборка Козф.шож. Значимые Дгсапазон f отношавиа Стенд, корреляции каналы t отношений с та т. коде ли о талон.

"северная" 0.67 1,5,6,7,9 0.85-1.37 4.61 0.12

"петая" о.71 1,3,5,7,9 i.airi.s6 13.26 о.огг

"северная + лкная" 0.83 3,5,6,9 1.46—5.00 35.53 0.071

ента множественной корреляции наблвдается для выборки "северная + юкная", меньшие значения коэффициент корреляции имеет

для выборок "северная" и "южная", взятых в отдельности. Стандартное отклонение рассчитанной концезтрпцчи хлорофилла в поверхностном слое от измеренных значения по выборке "ютая" составляет в абсолютных единицах 0.022 ьт/ир, что в 3,5 раза пгньшэ, чем стандартное отклонение по суммарной выборке. По "севэрпсй" выборке • стандартное отклонение составляет 0.12 мт/'гг5. При этом надо учесть, что диапазон колебаний измеренных концентраций хлорофилла в поверхностном слое по выборке "игшал" составляет 0 - 0.2 мг/м3. В этом случзэ при расчетах концентраций хлорофзяла п матолрсдуктакж ря£чпак океана рационально использовать стаягетакеслуэ регресемкяуа модель по выборке "вгная". В случае работы в рай05»ах с зеолрэдзлеяЕнет бгплогкчосгетгя харгктзрастпкг&с* рсцнорпльнеэ использовать регросс-лонауа модель "северная + истая", псторся дзет гаяьауп точность, но схзатыз:'от больгпй дейлсеон концентраций хлорофилла.

На рис.5 па осяовенил выборки показано рзо-

прадалст^ аояцентрацй! хгзрзф&ъя, расстагазшз п гвмэршвда дрямп способом по наргруту дзгпзия судна.

ПслучеяЕкэ статпсгячкскпэ модзлл могут быть зффвктазао использованы для оценки лросгрвнотвенпоЯ неодаородаостз распределения концентрации хлорофилла в поверхностных водах на основе использования непрерывных шигиказаяьныя спектрофото-кэтрлческ^х "З^ргпдй на ходу судна через шахту корабля. Диалоговая классЕ&гкацоя а азтоыатачвскее картирование тспов вод по дзстащйомшн опактральшш даиныи В основу предлагаемого метода наложена диалоговая работа человека с ЭВМ. При интерактивной обработке экспериментального материала, наиболее рациональным является передача человеку трудно формализуемых задач обработки, а ЭВМ должна облегчать человеку выяснение скрытых закономерностей путем специального представления данных.

В атом смысле разработанный метод сочетает в себе применение одного из аффективных способов обработки многомерной информации - преобразование исходных данных к новой системе координат з визуализация структуры данных для предъявлении человеку в 3-х мерном пространстве, где эти три координаты

— Е5 —

являются первыми тремя векторами матрицы левых сингулярных векторов сингулярного разложения исходной матрицы данных (Форсайт,1930).

Характерной особенностью такого представления является выявление пространственной структуры данных дистанционного зондирования, которое отражает свойства изучаемого объекта и их связь со спектральными оптическими характеристиками по верхностнык вод.

Сингулярным разложением матрица А является ев факторизация ввда А=и2Ут, где и - ортогональная матрица размерностью 1x1, V -ортогональная матрица размерностью .1x1, а £ - диагональная матрица, содержащая сингулярные числа матрицы А.

В качестве примера приводится результат работы программ сингулярного разложения на матрица экспериментальных данных, полученных 21.03.83 при спектральной съемке поверхности сыданского залива Красноярского водохранилища. Данные отнор-мированы на опорный участок зялива.

Визуализация ортонормирований система векторов матрицы и производится по первым трем столбцам. Это позволяет выявить пространственную структуру катрица экспериментальных данных в новой системе координат. Причем, первые три столбца вносят ■ 95.5* вклада в произведение цгу1 по сравнении с полной матрицей и (См. рис.6).

Обработка таблиц экспериментальных данных в различных районах водохранилища и в различное время показала сильную зависимость структуры данных в новых системах координат от условий съемки и свойств поверхностных вод. Это дает возмзк-ность путем экспертных оценок сдавать попытку разделения данных на определенные классы по характеру 'их распределения в выделенном условном пространстве.

Затем на графопостроителе осуществляется автоматическое картирование выделенных типов вод. Анализ^ карт, построенных таким образом, показал, что в большинстве случаев полученная классификация вод отражает реальное изменение спектральных отражательных свойств поверхностных вод в районе съемок (см. рис.7). Контроль показал, что возрастание номера класса соответствует уменьшению количества взвеси.

160

42

-108 -2вз

геа

1ез а

-юа -гва

' .5? - •• ' ■ ' >к 71 в ■ »

т и

0 т в •

■ ■ %

■ »

1 *

* .«в-.' V.. * , Л* ' ^ •шч • •

I 1, 1 .......„,1 .,.,1.........{..........1_____и

х, У1, уа - соответственно значения 3-х первых столбцов ор-тонормированной сио-тены векторов матрицы и, вычисленной из исходного набора данных

-183 -еэ -60 -40 х

Рис.6 Структура данных, полученная при спектральной съемке Сыдинского залива Красноярского водохранилища

Ышт жтШ

мтммнн

1-2 кп. 3 кл. 4 кп. 5 хл. 7-Я к».

Рис.? Результата картирования Сыдинского залива по

типам вод в соответствии с зодвлеяЕЫМи классами

о

Полученные результата позволяют считать предложенный катод перспективным для применения в условиях дефицита опорных данных.

СтатиошчеокЕЗ кодзли в задачах оценка чесзшх биоценозов и сопряженных океаношгичвокаг характеристик

В части 3.6.1 рассматриваются основные особенности объекта исследования - поверхностных вод океана, как объекта статистического моделирования. В части 3.6.2 - статистическая модель взаимосвязи кезду обобщенные биооптическеш показателями поверхностных вод океана при стационарных условиях а в части 3.6.3. при нестационарных условиях.(Высоцкая,1991)

Исследование спектральных сагсгеасках харзктервстпг. поверхностных вод океана в гиваторяалыюй '-иста сааад-ко2 Атлантики и пп связи о козщежрацизЗ: хкэра&ада. Предложенная методика и алгоритмы раздела 3.6.3. частично Сыпи использованы при исследовании поверхностных вод по фиаическоа и бЕологйяескш параиетраа, полненный в 35 рейса' ШО "Ак.Вернадский" в Занадаой части тропической Атлантики.

Мспользуеше пра анализа дашше представляют собой набор спектров яркости, измеренных чераз пахту корабля. ЁзьэрнязЗ спектральный диапазон от 3S5 до 5s7 ны. содержит 10 участков с шираной спэктралыш; каналов 12-15 ни. Макспцуш пропускания спектральных каналов находятся на длинах ваш 335, 420, 433, 451, 478, 503, 534, 555, 575 и 537 ем.

Ераягорст яз^ршцрпвдш и сдаишышл егектрзлькпх ииечсиех хараатераотак ооозарпюстшх вод акааяа« Представь.^ исходную информацию с покощьа сгатхгзизлвской выборки и1, у* v1), где - индекса цве-

та, а у1 - содержанке хлорофилла в 1-ой точке пространства с координатами v1.

Для установления взаимосвязи «гевду обобщенными показателями спектральных характеристик sx и содержанием хлорофилла у (либо sy), на первом этапе с помощью непарамеэрических алгоритмов классификации была проведена типизация спектральных данных в пространстве

Общее количество типов s*, к - 17«, я . ю явилось ус-

— ее —

тойчивым для различных наборов спектров в количестве п-юоо из исходных данных съемок на полигоне в западной части Атлантики,, что подтверждает гипотезу гетерогенности изучаемых физических параметров и представительность расчетной выборки объема п.

Непараметрическая оценка уравнения разделявшей поверхности между типами спектральных характеристик служит критерием их дифференциации в пространстве х.

. Следует отметить, что мерой упорядочения типов спектров взято отношение первого спектрального диапазона к опорной длине волны (показатель *1), так как эта характеристика, может служить грубой оценкой меры чистота вод.

Ошибка прогноза по критериям оценивания типов спектральных характеристик по набору факторов »' не превышает 5*.

Картирование поверхностных вод океана со результатам классификации спектральных оптических характеристик.

Визуализация полученных выше результатов классификации спектральных характеристик осуществлялась в соответствии о алгоритмом распознавания образов (ч.3.6.3). Выли получены наборы карт, отличащиеся различным уровнем конкретизации, которые сравнивались с картами, полученными на основе ручной обработки.

На рис.8 показаны результаты автоматического картирования западного Атлантического полигона по типам спектров.

При сравнении полученных классификационных карт с картой распределения концентрации хлорофилла, выполненной на основе измерений на станциях, выявляется совпадение обцей структуры биологических и, полученных на основе классификации, оптических характеристик поверхностных вод океана на полигоне. Отличительной особенностью является более детальная картана пространственного распределения различных типов вод, полученная на основе автоматической классификации спектров яркости, измеренных непрерывно, на ходу судна.

Исследование взаимосвязи типов спектральных характеристик о содержанием хлорофилла.

Одновременно с измерениями спектральных оптических характеристик поверхностных вод океана, на полигоне проводились

10" С. 13.

Не

35°з.д.

) Ска.

иг/и3 0.3

0.2

0.1

55° 50° 45°

Рис.8 Типизация вод на полигоне в западной часта Атлантики на основе регистрации спектров яркости через шахту корабля

123456789 1В Клаоси

Рис.9 Соответствие выделенбых классов спектральных характеристик концентрации хлорофилла

---- - концентрация хлорофилла в слое О - 50 и

——- - концентрация хлорофилла в поверхностном слое

о

измерения концентрация хлорофилла.

С целью установления связи мезду классами, выделенными на основании анализа спектральных характеристик а содержанием хлорофилла в водах, отнесенных к атим классам, была проведена выборка станций, попадающих в тот ш иной класс на основании картирования полигона. На этих станциях определено среднее содержанке хлорофилла в поверхностном слое и в слое 0-50 м.

На рис.Э показана связь .между концентрацией хлорофилла и выделенными классами по спектральным характеристикам (классификация выполнена по материалам всего рейса). Для классов о 4 по 10 наблвдается рост концентрации хлорофгила при увеличении номера класса. Следует отметить, что на всем полигоне концентрация хлорофилла была очень низка, не более 0.4 мг/м1. Также и диапазон изменений концентрации хлорофилла при совместных измерениях составляет только 0.2 - 0.25 ыг/м3.

Это также чрезвычайно малая величина. Но тем не менее, даже при такой неблагоприятной ситуации, связь кезду этими величинами прослеживается.

Мокяо отйетить следухщие особенности»

- класс 7 выпал за пределы полигона и поэтому для него нет соответствущах измерений концентрации ашорофил-

- ла;

- классы 5, 6, 8 четко разделяются по спектральным характеристикам, но неразличимы по концентрации хлорофилла.

Это может быть объяснено изменением спектральных свойств воды, не связанным о наличием фитопланктона, что в условиях влияния Амазонских вод весьма вероятно.

ЧАСТЬ 3. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОГГГИЧЕСКОИ ДИСТАНЩОННОИ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ВОДНЫХ ОБШКГОВ

Начиная с 1971 года, ваш было разработано семейство спектральных оптических приборов, предназначенных для работы на Сорту корабля, самолета.

Для реализации различных методик и обеспечения работ в корабельных и авиационных условиях ваш была разработана, изготовлена и использована в экспедициях следующая аппаратура:

1. Дифракционный авиационный спектрофотометр о механической спиральной разверткой спектра и внутренней калибровкой.

2. Дифракционный авиационный спектрофотометр с тремя спектральными окнами и цифровой регистрацией на перфоленту.

3. Многоканальный спектрофотометр МКС-12 с механической разверткой спектра, с регистрацией спектров яркости моря, освещенности в 12 спектральных каналах.

4. Многоканальный программноуправляемый спектрофотометр МКС-10.

5. Авиационный прогрзммноулравляемый многоканальный спектрофотометр.

6. Дифракционный автоматизированный скоростной спектрофотометр дассФ-2.

7. Шахтный спектрофотомзтрический комплекс.

Описание разработанных комплексов аппаратуры дается по унифицированной схеме:

1. Название, назначение.

2. Реализуема комплексом методики.

3. Технические характеристики.

4. Устройство оптической части аппаратуры.

5. Аппаратурная реализация регистрации сигнала и его предварительной обработки.

6. Калибровка.

7. Результаты использования комплекса.

Отличительной особенностью всего комплекса аппаратуры

является ориентация на автоматизации измерений и управления его оптической частью. Эти основные принципы заложены в конструкции спектрофотометров и реализацию измерительно-вычислительной части аппаратуры.

Наиболее перспективными следует считать оптические схеш и конструкции, примененные при создании многоканального спектрофотометра МКС-10 и спектрофотометр о непрерывной разверткой спектрат ДАССФ-2 (ч.4.4 и 4.6). Оба выделяются высоким быстродействием и возможностью управления прибором от ЭВМ, что дает высокую гибкость их применения при различных внешних условиях и различных задачах.

— за —

Математичесхое обеспечение, использованное при работе

автоматизированных спектрофотоыатрических комплексов

Наиболее характерной чертой разработанных методов явилось параллельное развитие спектрофотометричейкой техники, измерительно-вычислительных'комплексов и программного обеспечения.

Все программное обеспечение можно разделить на системные, управлявшие и прикладные программы.

Прикладное математическое обеспечение можно разделить на стандартное, которое применялось в работе со спектрофотомет-рическими комплексами и оригинальное, разработанное автором о сотрудниками. (Гительзон,1984,Шевырногов,1984)

К оригинальным пакетам можно отнести:

1. Комплекс программ для моделирования яркости в шахте, решения задачи определения показателя поглощения в поверхностном слое вода.

Весь перечисленный комплекс программ был отлажен и испытан в течение 40-го рейса НИС "Ак. Вернадский". С его помощью была исследованы возможности определения коэффициента поглощения вода по яркости излучения в шахте при различных внешних условиях (Иванов,1990).

2. Комплекс программ диалоговой классификации и автоматического картирования типов вод по дистанционным спектральным данным.

С применением описанного пакета были проанализированы результата спектральных съемок в авиационных экспедициях на Красноярском водохранилище. Было получено разделение различных типов вод на различных участках водохранилища и в пределах выбранных акваторий (например, Сыдинсяий залив). Результаты классификации представлены в виде карт, которые были использованы в дальнейием при моделировании экологических процессов лабораторией биофизики экосистем НЕФ СО АН СССР.

3. Комплекс программ классификации и картирования спектральных оптических характеристик поверхностных вод океана, разработанный совместно с Вычислительным центром СО АН СССР (г. Красноярск).

Комплекс программ основан на анализе многомерных распре-

— зз —

делений с применением непарамеорических методов статистического анализа.

ЧАСТЬ 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ К АППАРАТУРЫ

Основными свойствами разработанных методов является:

- выявление связи оптических характеристик поверхностных вод с биологическими и гидрологическими параметрами;

- высокое быстродействие, то есть возможность работа па быстродвижуидася носителях;

- выявление связи структуры многомерных данных со свойствами поверхностного слоя вода.

Отсвда очевидно, что, информация, получаемая с гакацыо дистанционных методов, носит новый качественный характер (несмотря на иногда меньшую а сравнении о традиционными средствами, точность определения таких, например, параметров, как концентрация хлорофилла). Эта информация может быть эффективно применена там, где требуется высокое быстродействие, обзор больших площадей, изучение объектов с выявлением интегральных эффектов.

В применении к океанологическим задачам, такими объектами могут быть:

- районы с резкими изменениями гидрологических параметров (фронтальные зоны, апведшшги и т. д.);

- районы океана, требушцие интегрального подхода (для изучения взаимодействия различных водных масс, важные о точки зрения изучения взаимодействия океана и атмосферы, прогнозирования динамики климата и т.д.).

Важной является возможность дифференциации типов вод в условиях дефицита опорных данных.

Исходя та перечисленных особенностей и были выбраны, в качестве примера применения, описанные нижа исследования.

* Одним из наиболее контрастных во время 40 рейса ДОС "Ак. Вернадский" (Иевырнагов,199С»), в потому интересных для выявления особенностей пространственного распределения оптических характеристик поверхностных вод океана, явился район меандра Гольфстрима, где наблзодалось внедрение холодных вод арктичео-

кого происхождения.

Результаты измерений в атом районе представлены на рис.10 и рис.11. Первый рисунок относится к участку до входа в меандр, второй - к выходу из меандра. График I на рисунках описывает изменение во времени концентрации хлорофилла "А" в мг/м3, оцененное с помощью спектрофотометра. График 2 характеризует изменение индекса цвета г.

Анализ рис.10 показывает, что до входа в меандр, в период измерений, ни концентрация хлорофилла, ни индекс цвета не претерпели сколько-нибудь существенных изменений, а в период выхода из меандра (см. рис.11), в оташчие от первого участка, индекс цвета (2) и концентрация хлорофилла (I) существенным образом изменяются. Изменяется не только тренд индекса, но и величина отклонения индекса от тренда. Это обстоятельство было использовано для классификации участков трассы при выходе из меандра. Был вычислен средний квадрат отклонения от тренда при усреднении по 30 точкам, отвечающим интервалу 4,5 км. В соотзетстзии с проведенным анализом спектральных измерений (части 5.1), можно выявить, по крайней мере, 3 зоны с различными характеристиками изменчивости оптических полей, что соответствует наличию в исследуемом районе но менее трех типов вод (Баев, 1989).

Проведенные экспериментальные исследования л анализ полученных данных позволяют сказать, что представляется рацио-начьным использование автоматизированных непрерывных измерений оптических полей (их пространственной неоднородности и размеров), как для изучения слота гидрологических явлений в океане, так и для оценки денашки и распределения биологических компонент гидрсбиоценозов.

В 40 рейсе НИС "Ли. Вернадский" с помощью показанного выше вахтного спектрофотометрического комплекса и методики, описанной в части 2.5., проводилось изучение спектральных оптических характеристик поверхностных вод и распределения хлорофилла в них в восточной части экваториальной Атлантики.

В данном случае, нэ вдаваясь в подробности гидрологического режима полигона, представляется интересным показать возможность изучения рассмотренными методами динамики распреда-

о.г 0.1 о

I.

№/436 0.4

о.г

о

-о.г

£ 4

.7431

17.30 18 15.30 19 19.3» 20 Ера ¡и, чьаи

13.30 14 14ЛО Я 17

Рио.10 Трассовый измерения концентращш хлорофилла и

л индекса цвета на подходе к шавдру 21.09.89 г. ика, . . -............

-0.4

«.30 41

11.30

азе <317 47.30 18 16.30 19 19.30 • Вкня, чаюы

Рве.II Трассовые измерения концентрации хлорофилла и индекса цвета на выходе из меандра 22.09.89 г.

лэния концентрации хлорофилла на полигоне.

Съемка спектральных оптических характеристик на полигоне проводилась дважды. Первый раз с 2.10.89 по 27.10.89. Второй раз через месяц.

Пространственное распределение концентрации хлорофилла на полигоне, рассчитанное по результатам первой съемки методом многомерного регрессионного анализа, показано на рис.12. Вторая съемка полигона была проведена через месяц (Рис .13).

Из сравнения двух карт видно, что зоны с повышенной концентрацией хлорофилла имеют близкую максимальную величину 0.16 и 0.15 мг/м на первой и второй схеме соответственно.

Максимум концентрации хлорофилла в координатах 24° з.д. и 8.5° с.ш. переместился на 1.5° на север и на 0.5° на запад.

Шксимум с координатам 23.5° з.д. и II0 с.и. практически исчез и начала формироваться зона повышенной концентрации в северо-восточной части полигона.

Таким образом, проведенные работа показали, что гидробиологическая интерпретация спектральных иахтных измерений, проведенных на ход' судна на большой акватории, может служить для изучения динамики распределения хлорофилла, а это, в свою очередь, может быть использовано в сочетании с другими данными, для оценки первичной продукции в исоледуеиш районе.

вывода

1. Разработаны требования к методам и автоматизированному спектрофотоыетрическому бортовому комплексу аппаратуры исходя из условий регистрация оптического сигнала пра дистанционном зондирования.

2. Разработан и испытан в морских и авиационных экспедиционных условиях оригинальный автоматизированный комплекс слектрофа томэгрстеской бортовой аппаратуры, позволяющий проводить непрерывную регистрации в длительном автоматическом режиме:

- спектров яркости поверхности водоемов;

- спектров яркости небосвода в сопряженных углах;

- спектров освещенности.

Аппаратура включает в себя спектрофотометры для многока-

С.*!.«"

.....

\ ¡Лей®

Ш, Ч ^ ч Ч ч ч \\Ч

ч ччч\чЧС \

\4j5kW\4VA ъЧ \

N \

^ Ч

ч ч\

25 24

! <в.ез

Ш

и.1-0.12

Е

>0.14

Концентрация хлорофилла

в ыг/ы3

23

22"

21 28

19"

Рис Л 2 Пространственное распределение концентрации хлорофилла на полигоне в восточной части Атлантики, полученное в октябре 1989 г.

С.Ы. 12

Ч.

Ч^ЛЧ 74 ч*

ч ^ /Г1

141 11.1 ¡1 гг11Гни 111 1 '| ...... 1111.111 «|Щ||||'|||| СП I I 11| ч" I I)

.........."»"""■■ ""I1

-о 22°

•V

тр

19°

I <0.03

8.03-в.Х

в.1-0.12

0.120.14

Г""*""! >0.14

Концентрация хлорофилла

в мг/м3

17° 3. а.

25" 24 23 22" 2г Рис.13 Пространственное распределение концентрации хлорофилла на полигоне в восточной части Атлантики, полученное в ноябре 1989 г.

__ за —

наяьаой регистрации спектров MKC-I2, &5CC-IO и г,д. я скоростной спектрофотометр для регистрации непрерывных спектров о высоким разрешением - ДАССФ-2.

3. Разработаны (для затененной зоны корабля - шахты) новые метода расчета яркости, сформированной направленной солнечной радиацией и излучением небосвода- Методы учитывают зависимость яркости от свойств среда и условий регистрации -положения корабля относительно направления на Солнце, скороо-ти ветра у поверхности коря и т.д.

4. Впервые решена задача восстановления показателя поглощения свата э приповерхностном слое океана по измерениям яркости в шахте корабля с учетом направленной и диффузной состазлящшг падащего света.

5. Разработан метод диалоговой классификации а автоматического картирования типов поверхностных вод на основа сингулярного разложения данных диотанцковного спектрального зондирования, позволяющий картировать типы зод в условиях дефицита опорных данных.

6. Для расчета концентрации хлорофилла в поверхностных водах и построения критериев оценки качества регрессионной модели рекомендуется использовать регрессионный анализ матрицы индексов дзета. Экспериментально показана точность восстановления концентрация хлорофилла по спектрофотогатричоским данным в случае установки прибора:

- на палубе корабля (30 - 35SS);

- в аахте корабля (15 - 303).

Обоснован выбор спектральных диапазонов в этих вариантах эксперимента.

?- Разработана трехзолновая методика определения концентрации хлорофилла в поверхностных водах, основанная на физической интерпретации дистанционных спектральных измерений восходящей радиация в трех опектральных диапазонах с максимумами на 570, 640, и 675 ни, позволившая определять относительную концентрацию хлорофилла в условиях дефицита опорных данных.

8. Разработано математическое обеспечение спектрофото-метрическах исследований природных водных объектов в режима

мониторинга, которое включает в себя комшюко системных и прикладных программ. Оригинальными являются:

- комплекс программ для решения задачи определения показателя поглощения света в поверхностном слое океана по измерениям яркости в шахте корабля,

- комплекс програш для диалоговой классификации типов вод по спектральным оптическим характеристикам,

- комплекс программ классификации и картирования спектральных оптических характеристик на основе анализа многомерных распределений о использованием непараметрических методов отатистичаокого анализа.

9. Ксследованы спектральные оптические характеристика поверхностных вод океана в экваториальной части западной Атлантики и их связь с концентрацией хлорофилла, что позволило:

- разработать критерии дафференцкацви и оценки спектральных оптических характеристик поверхностных вод океана на основе непараматрических методов классификации;

- предложить и апробировать кетодику автоматизированного картирования поверхностных вод океана по результата?.! классификации спектральных оптических характеристик;

- получить критерии прогноза интервалов значений концентрации хлорофилла по спектральным оптическим характеристикам.

10. Математический анализ экспериментальных данных на основе разработанных статистических моделей позволил обосновать следущае утверждения:

- спектральные оптические характеристики океанических, вод являются гетерогенной системой, ккещей полимодальное распределение типов спектров. В Западной части тропической Атлантики встречающееся разнообразие типов спектров в вероятностной их интерпретации не менее -10;

- синяя часть спектра восходящей радиации рекомендуется для упорядочения классов по степени чистота вод;

- существует статистическая взаимосвязь мезду типами спектральных характеристик и концентрацией хлорофилла, на этой основе разработанны непараметрические критерии для оценивания концентрации хлорофилла в поверхностном слое вода;

- предложенная методика и критерии могут быть эффективно

использованы дня получения экспрессной гидрооптической информации и служить для обнаружения фронтальных зон, смены водных масс по маршруту движения судна, обоснования выбора места постановки станций и т.д.

11. В результате численных и натурных экспериментов с использованием многомерного регрессионного анализа показано, что полученные статистические модели рекомендуется использовать для оценки пространственной неоднородности распределения концентрации хлорофилла а приповерхностных водах на основе применения непрерывных многоканальных спектрофотометрическет измерений на ходу судка через иахту корабля.

12. На основе проведенных натурных испытаний показано:

а) Разработанные методики и аппаратура позволяет о высокой эффективность!) рвиать следующие задачи:

- выязленйе ывзомасвтабных веодаородностей в районах со сложными гидрологическими условиям,

- гидробиологическую и гидрологическую интерпретации спектральные оптических характеристик поверхностных вод,

- изучение динамики гидрологических а гидробиологических характеристик на больших пространствах.

б) В связи с основные,а: свойстаа?ля разработанных методов дистанционного зондпроБания спектралытн* одтаческах характеристик природгых объектов - непрерывностью и быстродействием, эффективно их использование в подспутниковых экспериментах для выполнения опорных измерений.

в) Созданные метода и аппаратура в методическом отношении рекомендуется использовать для:

- прицельной постановка корабельных станций,

- корректной интерполяцзя сопутствуящрх датах» измеряемых на станциях.

13. Разработанные метода и аппаратура дистанционного зондирования ревокендуштся для использовался в апологических целях.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО TEMS ДИССЕРТАЦИИ I. Терсков И.А., Рительзон Й.Й., Шввырногов А.П., Зуб Ю.П., Куденко Ю.А., Молвиясвих О.Л., Чепидов З.В. Регистрация

хлорофилла в поверхностных водах с самолета.- ДАН СССР, 1976.- Т.227, N.I.-C.224 - 227.

2. Гительзан И.И., Шевырногов А.П, Ыолвинских С.Л., Чепшюв В.В., Караев Н.Д., Псахис М.Б. Полевой многоканальный спектрофотометр MKC-I2. - Океанология, 1Э79.- T.I9, вып.5.-C.9II - 914.

3. Гительзан H.H., Шевырногов Д.П., Малвинских С.Л., Чепипов В.В. Автоматизированная система сбора и обработки оптической информации на ходу судаа//Биологические и геологические исследования в островных районах западной части Тихого океана. Труда Института океанологии АН СССР,- М.: 1979.-Т.90,- С.236 - 243.

4. Молвинских С.Л., Чепилов В.В., Еевырногов А.П. Динамичная структура алгоритмов накопления и обработки информации в системе " Поиск ". - Автометрия, 1979.- N.&.- С.46 -52.

5. Гительзан И.И., Шевырногов А.П,, Молвинских С.Л., Чепшов В.В. Бесконтактная регистрация хлорофилла в поверхностных водах на ходу судна.- Изв. Со АН СССР. Сер. биол. наук.- 1979.- N.io.- С.108 - 112.

6. Гнтельзон И.И., Шевырногов A.n., Молвинских С.Л., Чепипов В.В. Бортовая система "Поиск" для мониторинга оптических спектральных характеристик водной поверхности.- Водные ресурсы, IS80.- n. 6, С.175 - 180.

7. Гительзон И.И., Шевырногов А.П., Рачко Х.Р.-Я., Чепилов В.В. Выявление пространственной структуры биологических полей в океане с помощью графического представления информации // Биофизические методы исследования экосистем.- Новосибирск: Наука, 1984.- C.6I - 66.

8. Шевырногов A.n., Иолвинских С.Л., Чепилов В.В., Твердохлебов H.H., Рачко Х.Р.-Я. Возможности экспериментальной микросистемы "Поиск" для гидрооптичаских исследований в комплексной морской вкспедации//Биофизические метода исследования экосистем.- Новосибирск: Наука, 1984.- С.72 - 79.

9. Гительзон И.И., Левин Л.А., Шевырногов А.П. Возможность мониторинга водных экосистем биофизическими матода-ми//Экологические последствия загрязнения океана.- Л.: Гидро-

— «г —

метеоиздат, 1985.- 0.147 - 151.

Ю. Gitelson I.I., Abrosov N.8., Qladyshev И.1., Degermendgl A.B., Sid'ko F.Ya., Gold V.M., Bold Z.B., Ehavyrnogov Л.Р. Yeniseit Problems of the Largest Siberian River//Mitt.GeoI.-Paleont.Inst., Univ.Gamburg, SCOPE/UNEP Sonderband, Hamburg, 19S3.- Haft 66, S.331 - 340.

11. BitelScn I.I., Shevyrnogov A.P., rlolvinskikh S.L., Rachko H.R.-Ya., Chepilov V.V. Remote Spectral Sensing as tho Мэапз af Large-scale Phenomena Monitoring in the Ocean// Integrated Global Ocean Monitoring. Proc. of tha 1 Int. Symp., Tallin, USSR, Oct. й-lö, 1983-- Leningradi Gidrosieteoizdat , 1936.- P.133 - 139.

12. Шэвыряогов А.П., Рачко Х.Р.-Я., Щур Л.А. Исследование пространственной структуры концентрации хлорофилла в Верингозом шре//Всесгоронний анализ экосистемы Берингова моря.- Л.: Гндроыетеоиздат, IS37.- С.68 - 70.

13. Gitelson I.I., Shevyrnogov Д.P., Holvinskikh S.L. ChEpilov V.V.'Determination of Photosynthotic Pigraente in Aqueous Ecosystems// Mitt.Seal.- Paleont .Inst. ,Univ.ßsir,burg, 6СОР£/иГ4£Р Sonderband, Hamburg, 1988.- Heft £6, S.331 - 340.

Г4. Гительзон Ж.IL, Сидько Ф.Я., Еезырногов А.П., Алопасепко А.Д., Шлзшскях С.Л., Одьно А.Ф., Чегазлов В.В. Проблсш горзкос1Е?ческих исследований бЕ0сфэрь1//Дзстачщгашша исследования Сибири.- Новосибирск: Наука, 1933.- C.I6 - 25.

15. Гительзон И.И., Шевырногоз А.П., Иолзннскпх СЛ., Чепилоз В.В. Изучение водаых экосистем дкстанизоннтая опти-чзскемя г,;етодшст//1/етодологическиэ основы комплексного эволо-гнчпсюто мониторинга океана.- И.: Гцдрометеоиздат, IS88.-С.230 - 23а.

16. Еэвырногов А.П., Еевырногова Л.А. О методологических основах га наторила динамики . продуктивности бдасфе-ры/Лйтодологячеегаа основы разработки и реализации комплексной программы развития региона.- Новосибирск: Наука, 1388.- О.181 - 160.

17. Шевырногов А.П., Чэпилов В.В., Гйлвшских С.Л., Твердохлебов H.H., Рачко Х.Р.-Я. Ходалекс аппаратуры для слежения за динамикой оптических спектральных характеристик вод-

ной поверхности.- Изв. СО АН ССОР. Сер. биолог, наук.- 1989.-N. 1, С.87 - 92.

18. Иванов А.П., Шввырногов А.П. Расчет спектральной яркости восходящего солнечного излучения в шахте корабля.-Депон. в ВИНИТИ, к 44Э6-В90, М., 1990.- О.114-122.

19. Высоцкая P.C., Шеаырногов А.П. Статистические модели в задачах оценивания динамики океанических биоценозов й со- пряженных океанологических характеристик.- Красноярск, 1Э91.- 47 о.-Щрвпр./СО АН СССР, Институт физики СО АН СССР, N1606).