Дистанционная спектрометрия пресноводных экосистем

Увеличивающаяся антропогенная нагрузка на природные экосистемы привела к необходимости разработки и создания адекватных технических средств и методов наблюдения за состоянием и загрязнением экосистем и в частности, водных. Современные методы наблюдения за состоянием экосистем должны давать возможность оперативно реагировать на возникающие аварийные (в смысле нарушения экологического равновесия) ситуации. В качестве одного из методов, оперативно поставляющих информацию о нарушениях нормального функционирования экосистем, используется регистрация их излучательных свойств в видимом диапазоне электромагнитного спектра с помощью приборов дистанционного контроля. Но это направление исследования природных объектов, непосредственно связанное с аэрокосмическими носителями аппаратуры, до настоящего времени не нашло широкого применения в системе мониторинга водных объектов пресноводных экосистем.

Преимущества аэрокосмических методов заключаются в относительной простоте получения информации, оперативности ее сбора одновременно на больших территориях. Чрезвычайно важно, что способ получения информации — «неразрушающий», исключающий взаимодействие прибора с зондируемым объектом.

Недостатки заключаются в том, что информацию, получаемую этим методом, в общем случае достаточно сложно интерпретировать, во всяком случае, в понятиях традиционной гидрохимии или гидробиологии. Это связано с малым компонентным разрешением и низкой точностью определения тех компонентов, которые могут быть определены с помощью методов дистанционного контроля. Как следствие — возможно решение достаточно широкого, хотя и ограниченного класса задач. Ограничения определяются, в первую очередь, исключительным разнообразием экосистем поверхностных вод суши (ПВС) но, в то же время, незначительным изменением оптического сигнала при изменении состава присутствующих в воде оптически активных компонентов (OAK). Различные оптически неактивные компоненты, составляющие своеобразную «матрицу», также влияют на оптический сигнал, но опосредованно, через оптически активные. Отдельные взаимосвязи и влияния компонентов в экосистеме являются предметом исследования биологов и экологов и в настоящей работе не рассматриваются.

Считается общепризнанным, что основные направления исследования водных объектов с помощью метода дистанционного оптического зондирования (ДОЗ) следующие:

— Определение зон неоднородности оптических свойств водных объектов;

— Определение ареалов выноса речного стока;

— Определение зон размытия береговой линии и ее изменения;

— Изучение процесса эвтрофирования водных объектов.

Последняя задача является едва ли не единственной практической задачей, где ставится вопрос о количественной оценке содержания в воде оптически активных компонентов. Причем к точности определения концентраций OAK требования предъявляются на полуколичественном уровне.

В диссертации рассматривается комплекс проблем и задач, расширяющий круг направлений перечисленных выше, в рамках одной темы «Дистанционная спектрометрия пресноводных экосистем». Работа включает в себя экспериментальные и теоретические исследования излучательных свойств водных экосистем, разработку методов натурного и математического моделирования, а также методов обработки и интерпретации полученных данных. Работа является существенно междисциплинарной, требующей комплексного применения методов, используемых в физике, математике, гидрохимии, гидробиологии. Объединяющим ее началом является объект исследования — поверхностные воды суши.

Структура настоящей работы в связи с ее разноплановостью и междисциплинарностью может быть сформирована различными путями. Последовательность изложения материала подчинена следующей схеме: объект — предмет — метод. В соответствии с этой последовательностью сформулированы и задачи, относящиеся к объекту, предмету и комплексу методов исследования.

Специфика объекта — поверхностных вод суши, рассмотрена в первой главе. Отмечено отличие экосистем ПВС по гидрохимическим и гидробиологическим показателям от морских и океанских, которые достаточно хорошо изучены в рейсах научно-исследовательских судов по мировому океану. С изучения оптических свойств этих экосистем и начинались в 70-х годах XX века работы по практической гидрооптике. Одной из основных задач, а может быть и целью этих пионерских работ, был сбор опорных данных для дешифрирования информации, получаемой с искусственных спутников Земли. Дешифрирование осуществлялось по радиационным моделям, устойчивость которых отмечалась в отдельных регионах мирового океана. Сезонные изменения не рассматривались. Для водных объектов ПВС подобные работы по изучению спектральных свойств восходящего от воды излучения практически не проводились. (Исключение составляли объекты, на которых отрабатывались аппаратура и методы для океанологических экспедиций). Это связано с их мелкомасштабностью и недостаточным разрешением спектральной аппаратуры, устанавливаемой на космических аппаратах. В последующие годы в связи с совершенствованием спектральной аппаратуры — увеличением ее пространственного и спектрального разрешения, а также созданием каналов передачи получаемой информации в режиме реального времени появились работы, связанные с изучением лимнических объектов. Но исследований спектральных свойств таких относительно небольших по космическим меркам экосистем, как водохранилища, и тем более, реки, не проводилось.

Предмет исследования настоящей работы — восходящее от воды излучение, разложенное в спектр в видимом диапазоне волн: 400 — 750 нмфизическая характеристика, измеряемая не непосредственно в воде (что принципиально важно, так как при дистанционной спектрометрии не возникает проблем связанных с взаимодействием зонд — объект), а в непосредственной близости от объекта (что опять же принципиально важно, т.к. возможно не учитывать искажение сигнала атмосферой между объектом и приемником излучения).

Высокие концентрации оптически активных компонентов в ЛВС приводят к тому, что спектры яркости восходящего от воды излучения (спектры коэффициента яркости (КЯ)) по форме существенно отличаются от спектров, зарегистрированных при изучении морских и океанских вод. Изменяется спектральная и информационная структура регистрируемого сигнала. Основная задача этого раздела работы (вторая и третья главы) -создание теоретической основы для интерпретации получаемых экспериментально данных и последующее создание методик практического их использования. Кроме того, в этой части проведено объяснение структуры и механизма формирования сигнала в зависимости от концентраций оптически активных компонентов. Здесь же приведены результаты расчета спектров первичных гидрооптических характеристик, отсутствующих в литературе на момент выполнения исследований.

Главы с четвертой по восьмую посвящены обоснованию, разработке и описанию методов исследования — решению как прямой, так и обратной задачи. Кроме того, в связи с многомерностью спектрометрических данных решена промежуточная задача — сжатия информации и интерпретации полученных при этом результатов. Прямая задача заключается в том, чтобы рассчитать спектры коэффициентов яркости, типичные для экосистем поверхностных вод, зная первичные гидрооптические характеристики основных оптически активных компонентов и их концентрации. Обратнаязаключается в переходе от «изобразительных характеристик» (спектров коэффициентов яркости восходящего от воды излучения) к «семантическим характеристикам объекта» (концентрациям всех оптически активных компонентов (OAK), изменяющих комплексный показатель преломления среды, напрямую или через оптический образ водной экосистемы (ООВЭ) объекта, параметр нами впервые введенный и рассчитанный). Задача определения концентраций только таких, хорошо известных компонентов как минеральные взвешенные вещества или фитопланктон, является частной и упрощенной, так как в общем случае существует связь между регистрируемым дистанционным датчиком излучением и всеми био-физико-химическими параметрами изучаемого объекта. Не отдельными свойствами или компонентами объекта, а его интегральными характеристиками. Это классическая обратная задача по отношению к интегральным характеристикам экосистемы.

Для решения рассматриваемой нами общей задачи — интерпретации дистанционных спектрометрических данных, полученных в видимом диапазоне спектра, применительно к поверхностным водам сушиисследования проводились по двум направлениям. Первое — сбор экспериментальных данных, включая разработку аппаратуры и методик сбора как непосредственно спектрометрических, так и опорных данных с борта различных носителей: судна, вертолета. Второе — с учетом общетеоретического понимания механизма формирования излучательных свойств поверхностных вод разработка методики оценки концентраций OAK по координатам ООВЭ.

Очевидно, что методика определения концентраций отдельных OAK является чисто статистической, причем дистанционно — контактной. На первом этапе собирают данные для построения радиационных моделей: получают спектры восходящего от воды излучения в видимом диапазоне электромагнитных волн и сопоставляют их с концентрациями OAK, определенными традиционными химическими и биологическими методами. Пробы воды отбирают синхронно с получением спектров КЯ. На втором этапе в приближении «постоянства матрицы» определяют концентрации OAK по спектрам КЯ.

Координаты ООВЭ в пространстве оптических образов определяются без привлечения опорных данных. Понятие оптического образа еще не стало общепризнанным и тестированным, поэтому на настоящем этапе развития дистанционной спектрометрии представляется целесообразным его дальнейшее дешифрирование до концентраций OAK. С этой целью проводят первоначальную грубую градуировку ПОО по модельным (теоретическим) спектрам, а уточнение градуировки проводят по ранее полученным экспериментальным спектрам КЯ. В том случае, если экспериментальные спектры были получены совместно с опорными данными, ПОО возможно использовать и для решения задачи определения концентраций OAK. Некорректность такой задачи общеизвестна, но преимуществом ее решения является возможность определения концентраций OAK без опорных данных.

Концепция ПОО и введение понятия оптического образа водных экосистем разрабатывалась именно с целью использования спектрометрических данных для оценки состояния экосистемы и (или) определения концентраций OAK без поведения опорных синхронных измерений. Таким образом обходится главная трудность оценки состояния экосистемы, заключающаяся именно в сборе информации о ее химических, биологических, гидрологических, физических и т. д. показателях одновременно на большой территории. Получить спектральное изображение большой водной экосистемы возможно, например, по спутниковым данным, но провести интерпретацию этих данных возможно только с привлечением опорной информации (которая зачастую отсутствует) или используя проградуированное заранее пространство оптических образов.

Цель работы: теоретически и экспериментально исследовать механизм формирования оптических спектров восходящего от воды излучения пресноводных экосистем для описания их на основе механизмов функционирования и оценки экологического состояния водных экосистем, изучения внутриводоемных процессов и мониторинга состояния водных объектов.

Работа выполнена в Гидрохимическом институте Росгидромета в рамках Федеральной целевой программы «Развитие системы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Российской Федерации в 1994;1996 годах и на период до 2000 года» по целевой научно-технической программе 4: «Технология мониторинга загрязнения окружающей природной среды», а также в Институте водных проблем РАН в рамках программы фундаментальных исследований Российской академии наук «Природные процессы во внешних оболочках Земли в условиях возрастающего антропогенного воздействия и научные основы экологии безопасного рационального природопользования».

Практическая значимость работы определяется рядом факторов. Во-первых, получены многочисленные экспериментальные спектры коэффициентов яркости различных по своим биофизическим свойствам пресноводных экосистем. Во-вторых, разработан объективный метод сравнения этих спектров основанный на выявлении интегральных статистических характеристик спектров восходящего от воды излучения. Разработанный метод может быть применен и для оценки состояния водных экосистем по традиционно измеряемым на водных объектах химическим и биологическим показателям.

Показано, что оптические свойства пресноводных экосистем возможно изучать с помощью искусственно организованных экосистем. Ценность работы заключается в экспериментальном доказательстве возможности распространения результатов исследований на природные экосистемы.

Практическая значимость работы подчеркивается тем, что чисто дистанционные неконтактные измерения могут быть выполнены с использованием нетрадиционного подхода: получения спектрометрической информации без использования специальных устройств и носителей, с дорожных сооружений, неизбежно имеющихся на крупных водных объектах.

Разработанный подход может быть положен в основу системы оперативного мониторинга водных экосистем.

Экспериментальные данные об оптическом образе различных пресноводных экосистем являются основой специализированной базы данных и могут быть использованы при управлении процессами загрязнения водных экосистем, в частности процессами антропогенного эвтрофирования водных объектов.

Достоверность полученных в диссертации результатов основывается на выборе адекватных объекту физических моделей оптики рассеивающих сред (Голубицкий и др., 1974, Зеге, 1982) и использовании известных и хорошо апробированных математических методов обработки данных экспериментов. В части экспериментальных данных — интеркалибровкой с данными, полученными другими авторами, а также опубликованными в академических изданиях.

Достоверность данных, полученных методами дистанционной спектрометрии в натурном моделировании, подтверждается данными, полученными в тех же объектах традиционными химическими и биологическими методами.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Математическая модель расчета спектров коэффициентов яркости водных экосистем, включающая оптически активные компоненты и значимые пигменты фитопланктона. Адекватность модели подтверждается совпадением спектральных характеристик экспериментальных и теоретических спектров, рассчитанных методами многомерной статистики.

2. Критерий подобия водных экосистем по дистанционно измеряемым оптическим спектрам коэффициента яркости восходящего от воды излучения.

3. Теория построения пространства оптических образов пресноводных экосистем. Перемещение точки в пространстве оптических образов отражает изменение состояния водной экосистемы.

4. Утверждение о том, что модельные водные экосистемы (мезокосмы) остаются подобными материнской по оптически активным компонентам в течение времени, превышающего время самоочищения (релаксации) аналогичных модельных экосистем, подвергшихся значительной антропогенной нагрузке.

5. Система дистанционного мониторинга экосистем поверхностных вод, позволяющая решать задачи мониторинга в режиме реального времени, как важнейший элемент оперативного мониторинга.

6. Использование мезокосмов в качестве тестовых участков при дешифрировании спектрометрической информации, в том числе получаемой современными космическими системами.

Совокупность полученных результатов и положений, выносимых на защиту, можно квалифицировать как решение крупной научной проблемы: создана теория построения пространства оптических образов и математическая модель исследования внутриводоемных процессов в пресноводных экосистемах по дистанционной спектрометрической # информации.

Научная новизна.

— Впервые экспериментально получены и систематизированы спектры коэффициентов яркости восходящего от воды излучения в оптическом диапазоне волн на различных водных объектах поверхностных вод суши в различные гидрологические сезоны. Часть спектрометрических измерений сопровождалась получением традиционной гидрохимической и гидробиологической информации в форме концентраций оптически активных компонентов: минеральных взвешенных и растворенных органических веществ, пигментов фитопланктона.

— Построена математическая модель, позволившая объяснить основные спектральные особенности экспериментальных спектров коэффициентов яркости пресноводных экосистем и соотношения яркостей в пределах оптического диапазона.

На основе математической обработки и анализа спектральной структуры большого числа экспериментальных и модельных спектров коэффициентов яркости восходящего от воды излучения разработан новый способ интерпретации дистанционной спектрометрической информации. Найдена новая интегральная характеристика состояния водной экосистемы, названная оптическим образом водной экосистемы. Построено пространство оптических образов водных экосистем. Внутриводоемные процессы, при которых изменяется содержание OAK и, следовательно комплексный показатель преломления среды, отражаются в изменении положения оптических образов в пространстве оптических образов и изображаются в виде траектории в этом пространстве. Выполнены расчеты, позволяющие сопоставить области пространства оптических образов с диапазонами концентраций OAK.

Показано, что принципиально важным преимуществом разработанного способа перед существующими является возможность оценки состояния части водной экосистемы, попавшей в поле зрения прибора дистанционного контроля, по единичному измеренному спектру КЯ. Разработанный способ анализа спектрометрической информации позволяет использовать дистанционные спектрометрические данные в системе оперативного мониторинга водных объектов: системе Государственной системы наблюдений Росгидромета.

Изучено подобие модельных и материнской экосистем на основе анализа дистанционных спектрометрических данных. Полученные результаты позволили доказать, что в течение проведенного эксперимента подобие материнской и модельных экосистем (мезокосмов) по оптически активным компонентам сохраняется достаточно длительный промежуток времени (более 20 суток).

Личный вклад автора.

Основные научные результаты были получены лично автором при реализации плановых работ по темам Росгидромета, ответственным исполнителем и руководителем которых он являлся. В экспериментальных гидрооптических и гидробиологических исследованиях автор принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении или руководстве работ, обработке, анализе и интерпретации результатов, путей их практической реализации, систематизации материала. Проведение натурного эксперимента на мезокосмах выполнено совместно с Тепляковым Ю. В. Экспериментальные данные на ряде водных объектов были получены в международных экспедициях организованных Гительсоном А.А.

При построении математических моделей автором была выполнена постановка большинства задач, решенных в работе, лично проведены численные эксперименты и анализ их результатов. Постановка задач, решение которых привело к 3 и 5 положениям, выносимым на защиту, выполнено совместно с Гарбузовым Г. П.

Автором был выполнен теоретический анализ результатов натурных и числовых экспериментов, включая опорные данные, полученные в других институтах и лабораториях. На основе теоретического анализа автором была разработана методика использования пространства оптических образов для оценки концентраций оптически активных компонентов в пресноводных экосистемах.

На всех этапах работы результаты обсуждались с научным консультантом член.-корр. РАН, профессором, д.г.-м.нНиканоровым A.M.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на:

1. Всесоюзной конференции «Исследование гравитационного поля и природных ресурсов Земли космическими средствами», Львов, 1984.

2. XXVII Всесоюзном гидрохимическом совещании, май 1984, Ленинград.

3. X Пленуме «Оптика моря и атмосферы» Ростов-на-Дону, октябрь, 1988.

4. XI Пленуме «Оптика океана» Рабочей группы по оптике океана Комиссии по проблемам мирового океана АН СССР, Красноярск, 1990, 2−7 сент. 1990.

5. Всесоюзном совещании «Дистанционное зондирование агропочвенных и водных ресурсов». Барнаул, 1990.

6. «Съезде по охране природы» Москва, 3−5 июля 1995 г.

7. III Совещании Советско-Американской рабочей группы по проблемам экодинамики, Ленинград, 16−21 мая 1990 г.

8. First Intern. Airborne Remote Sensing Conf. and Exhibition, 12−15 Sept. 1994, Strasbourg, France.

9. VII Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана», Томск, 2000.

10.VIII Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Иркутск, 2001.

11.Научной конференции «Гидрохимия в системе мониторинга качества поверхностных вод суши (научные и прикладные аспекты)». Ростов-на-Дону, 17−20 октября 2001 г.

12.Научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах-участниках СНГ, посвященной 10-летию образования Межгосударственного Совета по гидрометеорологии. С.Пб. 23−26 04.2002. Секция 5 «Мониторинг загрязнения природной среды». С.Пб.

13.Научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт 2002» апрель 2002, Ростов-на-Дону.

Структура диссертации.

Структура диссертации определена в соответствии с целью и задачами исследования и состоит из введения, 8 глав, и заключения. Работа изложена на.

275 страницах машинописного текста, включая 55 рисунков, 21 таблицу, библиографию, из 210 наименований и двух приложений.

Основные выводы и практические рекомендации.

1. Экспериментально получены и систематизированы спектры коэффициентов яркости восходящего от воды излучения в оптическом диапазоне волн на различных водных объектах поверхностных вод суши в различные гидрологические сезоны.

2. Построена математическая модель, позволившая объяснить основные спектральные особенности экспериментальных спектров коэффициентов яркости пресноводных экосистем и соотношения яркостей в пределах оптического диапазона.

3. Создана теория построения пространства оптических образов водных экосистем, позволяющая оценивать состояния экосистем и направленность внутриводоемных процессов без решения обратной задачи. Оптический образ является интегральной характеристикой состояния водной экосистемы. Внутриводоемные процессы отражаются в изменении положения оптического образа в пространстве оптических образов.

4. На основе созданной теории разработан новый способ интерпретации дистанционных спектрометрических данных, позволяющий оценивать состояния экосистем в понятиях оптических образов.

5. Экспериментально решены вопросы создания искусственных экосистем — мезокосмов, сохраняющих свойства материнской экосистемы по оптическим показателям в течение времени, превышающего время их самоочищения (оцененного по гидрохимическим данным).

6. Мезокосмы рекомендуется использовать в качестве тестовых участков при дешифрировании спектрометрической информации, в том числе получаемой современными космическими системами.

7. Дорожные сооружения могут быть использованы в качестве платформы для размещения аппаратуры, осуществляющей сбор первичной дистанционной информации, в том числе спектрометрической, для контроля состояния и загрязнения водных экосистем.

8.6.

Заключение

.

Проведенные исследования продемонстрировали реальные возможности (эффективность) системы дистанционного спектрометрического слежения за уровнем загрязнения реки Дон. Построенное ППОО на рис. 8.11 может быть использовано для практического слежения за изменениями оптического образа реки Дон. Технически задача слежения в режиме реального времени решается при использовании автоматических двухканальных фотометров, снабженных записывающими блоками, ранее разработанными в ДДМН ГХИ [76]. Для каждого створа наблюдений требуется два таких фотометра: один, настроенный на измерение отношений коэффициентов яркостей на длинах волн около 540 и 670 нм второй, настроенный на измерение отношений коэффициентов яркостей на длинах волн 490 и 600 нм.