Засоби підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору для дослідження біооптичних властивостей морських вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ

УДК 551.46. 5

ЗАСОБИ ПІДСУПУТНИКОВОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КОСМІЧНИХ

СКАНЕРІВ КОЛЬОРУ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ БІООПТИЧНИХ

ВЛАСТИВОСТЕЙ МОРСЬКИХ ВОД

04.00.22 - геофізика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Лі Михайло Єн Гон

Севастополь - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті Національної академії наук України.

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор фізико-мате-матичних наук, Федоровський О.Д., Центр аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України, завідувач відділом

доктор фізико-математичних наук, професор Доценко С.В., Севастопольський державний технічний університет, завідувач кафедри інформаційних систем

доктор біологічних наук, професор Фіненко З.З., Інститут біології південних морів НАН України, завідувач відділом екологічної фізіології водоростей

Провідна установа: Одеський гідрометеорологічний інститут Міністерства Освіти і науки України

Захист відбудеться “_8__”___листопада___________ 2001 р. о__13__годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 50.158.02 Морського гідрофі-зичного інституту Національної академії наук України за адресою: вул. Капітанська, буд.2, м. Севастополь 99011, Крим, Україна.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Морського гідрофі-зичного інституту Національної академії наук України за адресою: вул. Капітанська, буд.2, м. Севастополь 99011, Крим, Україна.

Автореферат розісланий “_27_”____вересня________ 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор фіз.- мат. наук О.М. Суворов

АНОТАЦІЯ

Лі М.Є. Засоби підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору для дослідження біооптичних властивостей морських вод. - Pукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук по спеціальності 04.00. 22 - геофізика (фізика моря). - Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь, 2001.

Дисертація присвячена дослідженню проблем підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації для створення систем спостереження за станом водних екосистем. Сформульована нова концепція проведення підсупутникових досліджень для отримання опорних даних, яка базується на розширенні спектральної області вимірів і використанні нормованих величин в якості порівняльних параметрів. Створена відповідна до цієї концепції підсупутникова апаратура, з використанням якої отримані нові відомості про оптичні властивості вод і зареєстроване небезпечне помутніння вод чорноморської акваторії. Встановлено, що властивості аерозолю над Чорним морем відповідають умовам пристосованості тут стандартних алгоритмів атмосферної корекції. Знайдені оригінальні засоби вирішення зворотних задач біооптики моря, що дозволять відновлювати концентрації пігментів фітопланктону і розчиненої органічної речовини в поверхневих шарах по спектральних характеристиках висхідного випромінювання моря.

Ключові слова: Дистанційне зондування, біооптика, підсупутникове забезпечення, чисельне моделювання, аерозоль, зворотні задачі.

SUMMARY

Lee M.E. Methods of undersatellite verification and validation of space colour scanners for investigations of seawater bio-optical properties. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree on Physical and Mathematical Sciences by speciality 04.00.22 - geophysics. - Marine hydrophysical Institute of National academy of science of Ukraine, Sevastopol, 2001.

Dissertation is devoted to investigation of the problem of udersatellite verification and validation of space scanners of new generation intended for development of systems for monitoring of water ecosystems state. Formulated is a new conception of undersatellite investigation for obtaining of sea-truth data, based on expansion of measurement spectral range and utilising of normalised values as parameters for comparison. The undersatellite instruments corresponding of a new conception are developed. By means of these instruments new data concerning of optical properties of seawater were obtained and dangerous turbidity of Black Sea waters is recorded. There is established that the aerosol properties over Black Sea allow applying standard algorithms of atmospheric correction. The original methods of solving of inverse problem of marine bio-optics, which permit by using of spectral data of upwelling radiance to retrieve phytoplankton pigment and dissolved organic matter concentrations in sea upper layers, are obtained.

Keywords: remote sensing, bio-optics, undersatellite validation, undersatellite verification, numerical modelling, aerosol, inverse problems.

АННОТАЦИЯ

Ли М.Е. Методы подспутникового обеспечения космических сканеров цвета для исследований биооптических свойств морских вод. - Pукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь, 2001.

Диссертация посвящена исследованию проблем подспутникового обеспечения космических сканеров цвета нового поколения для создания систем слежения за состоянием водных экосистем. Показано, что экологические проблемы водных бассейнов можно исследовать, используя оптические методы диагностики состояния водоемов. Эти методы основаны на использовании спектральных различий поглощения и рассеяния света такими оптически активными примесями водной среды, как фитопланктон, минеральная взвесь и растворенное органическое вещество. Выявленными тесными взаимосвязями оптических и биологических характеристик морских вод с цветом поверхности моря обоснована перспективность применения космических методов для слежения за состоянием природных водоемов.

Сформулирована новая концепция проведения подспутниковых исследований для получения опорных данных, опирающаяся на расширении спектральной области измерений и использовании нормированных величин в качестве сравниваемых параметров. Расширение спектральной области гидрооптических измерений для целей подспутникового обеспечения до ближней ультрафиолетовой области спектра, позволило характеристики рассеяния в атмосфере над морем определять в области коротковолновой и длинноволновой границ видимого диапазона, а необходимые для атмосферной коррекции параметры находить более точно интерполяцией, вместо обычно применяющейся в настоящее время экстраполяции. В рамках теории двукратного взаимодействия излучения с системой море-атмосфера решена задача дистанционного определения коэффициента яркости моря. На основе двухпараметрического представления зависимости сечения рассеяния на аэрозольных частицах от длины волны, проведено численное моделирование алгоритма атмосферной коррекции для различных состояний атмосферы и на численных примерах доказана эффективность привлечения коротковолнового участка спектра.

Новая концепция проведения океанологических подспутниковых исследований в видимом диапазоне основывается также на использовании в качестве опорных параметров не абсолютных величин световых потоков в море, а коэффициентов спектральных яркостей, представляющих собой значения яркостей, нормированных на величину падающего излучения. Преимущество нормированных величин, прежде всего в том, что они позволяют избавиться от весьма сложных проблем абсолютной калибровки полевых спектрофотометров и свести к минимуму методические погрешности от влияния внешних условий освещения и состояния взволнованной поверхности моря. Создана соответствующая новой концепции подспутниковая аппаратура, с использованием которой получены новые сведения об оптических свойствах вод и зарегистрировано опасное замутнение черноморской акватории.

Для повышения контрастов цветовых неоднородностей на поверхности моря разработан оригинальный спектрально-разностный метод непосредственного исключения бликовой составляющей в восходящем излучении, который позволяет производить эту процедуру независимо от условий освещения и состояния поверхности моря. При этом используется то обстоятельство, что выходящее из толщи моря излучение испытывает значительное изменение спектрального состава, в то время как спектр отраженного от поверхности воды излучения остается практически неизменным. Метод успешно применялся при проведении подспутниковых экспериментов на Черном море с самолета-лаборатории и при обработке видеоизображений цвета черноморских вод со сканеров видимого диапазона.

По данным детального анализа многолетних рядов измерений спектральной прозрачности атмосферы над Черным морем показано, что спектральная зависимость аэрозольной оптической толщины атмосферы хорошо описывается законом Ангстрема и, следовательно, может описываться однопараметрической моделью. Преобладающий вклад в спектральную изменчивость вносит изменение общей массы аэрозоля без изменений его качественного состава. Межгодовая изменчивость невелика, несмотря на то, что имеется сильная сезонная изменчивость с максимумом в летние месяцы. Установлено, что свойства аэрозоля над Черным морем соответствуют условиям применимости здесь стандартных алгоритмов атмосферной коррекции.

Предложены новые аналитические методы решения обратных задач оптики моря, позволяющие по спектру коэффициента яркости моря восстанавливать спектральные характеристики поглощения и рассеяния света морских вод, а также концентрацию основных биологических составляющих морской взвеси, таких как пигменты фитопланктона и растворенное органическое вещество. Задача решена для природных вод многих акваторий Атлантического океана и Черного моря, включая и наиболее сложный случай мутных прибрежных вод. Для согласования теоретических расчетов с реально измеренными характеристиками восходящего излучения, предложено принять наиболее прозрачные воды центральной части Саргассова моря в качестве аналога теоретически чистой воды, чтобы относительно этих природных вод восстанавливать концентрации примесей в открытых акваториях моря.

Ключевые слова: Дистанционное зондирование, биооптика, подспутниковое обеспечение, численное моделирование, аэрозоль, обратные задачи. підсупутниковий сканер біооптичний спектральний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Однією з найбільш актуальних і важливих проблем, яку необхідно вирішувати більшості приморських країн, є проблема охорони навколишнього середовища і створення ефективних засобів спостереження за екологічним станом водних басейнів. Для України, значна частина території якої омивається водами Чорного моря, ця проблема значно ускладнюється тим, що Чорне море є напівзакритим басейном і по суті відірваним від Світового океану цілою системою численних морів і вузьких проток. Необхідно враховувати і ту обставину, що стоки найбільших рік, які протікають по території багатьох країн східної Європи, виносять велику кількість техногенних і сільськогосподарських забруднень в шельфову зону України в північно-західній частині Чорного моря. Ці забруднення можуть бути причиною локальних заморів, які можуть стати каталізаторами більш масштабних негативних процесів.

Організація систематичного спостереження за процесами подібних змін в морських екосистемах може бути здійснена шляхом залучення супутникової інформації про спектральні характеристики поверхневих вод, з космічних сканерів кольору морської води нової ґенерації. Зрослий інтерес до досліджень характеристик кольору моря з космосу, в останній час, викликаний також можливістю виходу на показники біологічної продуктивності, а через них - на визначення і розуміння процесів, пов'язаних з потоками вуглецю і інших біогенних елементів в морі в глобальному масштабі. Одночасне і всебічне вивчення закономірностей розповсюдження світла в товщі морських вод і поглинання його фітопланктоном на значних акваторіях є вирішальним для вивчення вуглецевого циклу, оскільки сонячна енергія в першу чергу визначає процеси фотосинтезу для первинного перетворення вуглецю в морі.

Якість інтерпретації космічної інформації можна істотно покращити, якщо дані супутникових сканерів кольору періодично порівнювати з результатами безпосередніх біооптичних спостережень спектру висхідного випромінювання з рівня поверхні моря. Сучасні вимоги до якості контрольно-калібровочної інформації виявили насущну необхідність вироблення цілком нових підходів до підсупутникового забезпечення, починаючи з розробки засобів підвищення точності польових вимірів і закінчуючи пошуками шляхів погодження експериментальних даних з новітніми теоретичними уявленнями щодо розповсюдження випромінювання в реальному водному середовищі. Тема дисертації присвячена вирішенню актуальних питань вдосконалення засобів підсупутникового забезпечення при дистанційному визначенні концентрацій оптично-активних домішок у воді по кольору моря з космосу. В роботі представлені основні досягнення автора в виробленні нової концепції підсупутникового забезпечення, в розробці принципово нових засобів і апаратури для гідрооптичних вимірювань та в створенні ефективних аналітичних засобів вирішення зворотних задач визначення біооптичних властивостей природних вод.

Актуальність теми. Драматичні зміни в екосистемі Чорного моря, які вперше були зареєстровані по зміні кольору поверхневих вод, а пізніше більш детально досліджувалися біологами, наочно продемонстрували реальну небезпеку негативних наслідків від забруднення цього басейну. Висока чутливість сучасних спектрофотометрів дозволила помітити тенденції, які намітилися в погіршенні екологічної ситуації в Чорному морі, по помутнінню вод, викликаному цими процесами. По результатах цілеспрямованих експедиційних та теоретичних досліджень в дисертаційній роботі показано, що екологічні проблеми водних басейнів можна досліджувати, використовуючи принципово нові оптичні засоби діагностики стану водоймищ. Ці засоби засновані на використанні спектральних відмінностей поглинання, розсіювання і флуоресценції світла такими оптично активними домішками водного середовища, як фітопланктон, мінеральна виважена та розчинена органічна речовина. Виявлені достатньо тісні взаємозв'язки між оптичними і біологічними характеристиками морських вод стали основою для обгрунтування перспективності застосування космічних засобів спостереження за станом природних водоймищ.

В останні декілька десятиріч багатьма провідними океанографічними центрами в нашій країні і за кордоном проводилися інтенсивні дослідження оптичних властивостей вод і світлового поля під водою. Гідрооптичні виміри виконувалися в багатьох експедиціях науково-дослідних суден різних країн і охоплювали великі простори акваторії Світового океану і внутрішніх морів. Ці дослідження були, зокрема, спрямовані на вивчення зв'язку кольору океану з первинною продукцією та умов, при яких відбувається процес фотосинтезу. Ретельно досліджувалися спектральні особливості поглинання і розсіювання світла чистою морською водою [Smith R.C., Barker K.S., 1981; Buiteveld H., Hakvoort J.H., Donze M., 1994; Pope R.M., Fry E.S., 1997] і основними її домішками [Bricaud A., Morel A., Prieur L., 1981; Gordon H.R., D.K. Clark, Brown J.W., Brown O.B., Evans R.H., Broenkov W.W., 1983]. На основі теоретичних досліджень і аналізу результатів натурних вимірів були встановлені взаємозв'язки між первинними характеристиками водного середовища з основними параметрами світлового поля під водою [Gordon H.R., Austin R.W., Clark D.K., Hovis W.A., Yentsch C.S., 1985], що стало обгрунтуванням перспективності оптичних засобів спостереження за станом морських вод.

В нинішній час інтерес до оптичних засобів дослідження природних вод значно зріс завдяки інтенсивному розвитку космічних засобів визначення біологічної продуктивності вод по кольору океану. Викликано це тим, що при вдосконаленні супутникових технологій отримання та інтерпретації відеозображень кольору морів та інших водоймищ, з'явилася можливість створити на їхній основі ефективні і безперервно діючі системи діагнозу і контролю значних просторів акваторій морських екосистем. Це дасть можливість продовжити глобальні і регіональні дослідження морської біосфери, мінливості та динаміки екосистем, біохімічних циклів, а також ролі біосфери океану в глобальному вуглецевому циклі. Вперше такі дослідження успішно були проведені з допомогою багатоканального спектрометра МКС, встановленого на супутникові Інтеркосмос-21 і американського сканеру CZCS на супутникові Nimbus 7 [Говер Дж.Ф.Р., Апель Дж.Р., 1987; Суетин В.С., Суслин В.В., 1985]. Успішна багаторічна експлуатація цих супутників сприяла інтенсифікації досліджень в цьому напрямку і стимулювала подальше вдосконалення сканерів кольору. В 1997 році на орбіту були запущені новий американський супутник SeaStar з унікальним по своїх характеристиках сканером кольору нової ґенерації SeaWiFS та індійський супутник IRS-P3 з приладом MOS на борту.

Запуском цих супутників покладено початок проведенню довгострокової програми глобальних спостережень кольору океану, з метою створення мережі спостережень за станом морської біосфери та її ролі в глобальному вуглецевому циклі. Ця складна задача може бути вирішена лише на основі використання новітньої супутникової інформації більш високого рівня. Враховуючи те значення, яке має Чорне море для народного господарства України, результати підсупутникових досліджень свідчать про їхню безсумнівну актуальність, корисність та нагальну необхідність подальшого розвитку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з планами основних наукових досліджень Морського гідрофізичного інституту Національної академії наук України в рамках наступних науково-дослідних проектів та тем:

· Проект “Супутникова океанологія” програми фундаментальних досліджень Національної Академії наук України, ДP 0196U015535, відповідальний виконавець;

· Проект “Динаміка екосистем”, програми фундаментальних досліджень Національної Академії наук України, ДP 0194U044413, відповідальний виконавець;

· Проект “Морське приладобудування” Національної програми досліджень та використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших районів Світового океану на термін до 2000 року, Міннауки України (нині Міносвіти та науки України), ДP 0198U000637, відповідальний виконавець;

· Проект “Спостереження”, Національної програми досліджень та використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших районів Світового океану на термін до 2000 року, Міннауки України (нині Міносвіти та науки України), ДP 0194U038247, виконавець;

· Тема “Зондування”, Національної космічної програми Національного космічного агентства України, ДP 0194U040249, відповідальний виконавець;

· Міжнародний проект Німецького федерального Міністерства досліджень і технологій, №525-4003-03F0107A, науковий керівник;

· Міжнародний проект Сполучених Штатів Америки (Civilian Research & Development Foundation) CRDF № UG1-299, науковий керівник;

· Міжнародний проект Національного аерокосмічного агентства США “NASA NRA-92-OSSA-7”, керівник групи;

· Міжнародний проект Національного аерокосмічного агентства США “NASA SIMBIOS”, керівник групи;

· Міжнародний партнерський проект Канадської фірми "Satlantic", МГІ НАНУ і Науково-технологічного центру України № Р-012, відповідальний виконавець.

Мета і задачі дослідження. Представлена дисертаційна робота присвячена дослідженню проблем підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації для створення систем спостереження за станом водних екосистем та розробці нових засобів і апаратури з метою підвищення точності біооптичної інтерпретації результатів космічних зйомок кольору поверхневих вод. Задача вирішена для найбільш складного випадку - каламутних прибережних вод, в тому числі таких, як води Чорного моря та прилеглих акваторій.

Для досягнення цієї мети були поставлені і вирішені наступні задачі:

1. Сформулювати та обгрунтувати необхідність використання в якості параметрів підсупутникового забезпечення не абсолютні спектральні значення світлових випромінювань в системі море-атмосфера, а величини висхідних випромінювань, нормованих по падаючому випромінюванню на рівні поверхні моря або заданому рівню атмосфери над ним. Показати, що нормовані параметри значно стійкіші щодо впливу випадкових перешкод при зміні умов освітлення та хвилювання моря, тому можуть служити стабільним індикатором біооптичних властивостей поверхневих вод.

2. Дослідити нові можливості та переваги залучення додаткової короткохвильової дільниці спектру при врахуванні впливу атмосфери на дистанційний сигнал, а також при відновленні біооптичних властивостей морських вод за даними про розширений спектр коефіцієнту яскравості моря. Показати, що в короткохвильовій області через переважний вплив атмосферної пелени, контрасти на морській поверхні вагомо зменшуються, але завдяки саме цій обставині можна розподілити вклад атмосфери і моря в висхідному випромінюванні та отримати кількісну оцінку коефіцієнта яскравості моря.

3. На базі застосування диференційного засобу вимірів світлових потоків розробити нову гідрооптичну апаратуру для вимірювань характеристик світлового поля під водою з точністю, достатньою для підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації.

4. Розробити засіб вимірювань індикатриси розсіювання морських вод в широкому діапазоні кутів розсіювання, що охоплює весь діапазон кутів від десятих часток градуса в напрямку розповсюдження паралельного пучка світлового випромінювання до кутів близьких до 180⁰ в зворотному напрямку.

5. Створити просту двохпараметричну оптичну модель атмосфери над морем. Проаналізувати і узагальнити дані багатолітніх прибережних та суднових вимірювань сонячним фотометром спектральної прозорості атмосфери над Чорним та Середземним морями. Провести детальний статистичний аналіз спектральної оптичної товщини атмосфери і виявити її денну, сезонну та міжрічну мінливість.

6. З використанням двохпараметричної оптичної моделі атмосфери, провести чисельне моделювання атмосферної пелени для різноманітних залежностей перетину розсіювання на аерозольних частинках від довжини хвилі і на чисельних прикладах показати ефективність залучення короткохвильової дільниці спектру з метою атмосферної корекції.

7. Розробити аналітичні засоби рішення зворотних задач біооптики моря. Показати, що спектр коефіцієнта яскравості моря є найбільш зручним параметром для відновлення по ньому біооптичних властивостей поверхневих вод, оскільки висока точність вимірів цієї характеристики забезпечує стійкість рішення зворотної задачі, як для випадку чистих вод відкритих акваторій моря, так і для каламутних прибережних вод;

8. Показати, що прозорі води в деяких акваторіях, можна прийняти в якості аналогу теоретично чистої води, з тим, щоб по них узгодити теоретичні розрахунки з реально зміряними характеристиками висхідного випромінювання, а після цього відносно цих природних вод відновлювати концентрації домішок в інших акваторіях.

9. Показати, що аналітичний підхід має більшу інформативність, оскільки дозволяє відновлювати не тільки концентрацію пігментів, але й спектральні характеристики поглинання фітопланктону та розчиненої органічної речовини, а також величину зворотного розсіювання зважених частинок для зеленої області спектру.

Засоби дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі використовувались наступні засоби досліджень:

· Обробка і аналіз значного масиву первинної біооптичної інформації, отриманої в результаті проведення серії океанографічних підсупутникових експериментів з науково-дослідних суден, океанографічної платформи та літака-лабораторії в межах акваторії Чорного і Середземного морів, а також в Атлантичному океані;

· Побудова простих аналітичних математичних моделей аерозолю в атмосфері, які дозволяють описувати трансформацію спектральних властивостей сонячного випромінювання, що проникає в атмосферу та порівнювати їх з результатами детального статистичного аналізу даних багатолітніх спостережень за оптичними властивостями атмосфери над Чорним морем;

· Чисельне моделювання процесів розповсюдження світлового випромінювання в системі море-атмосфера в широкому спектральному діапазоні, що включає також і ближню ультрафіолетову ділянку.

· Використання різницевого засобу спектральної компенсації для підвищення контрастів поверхневих неоднорідностей, які спостерігаються шляхом виключення відблискової складової в висхідному випромінюванні моря.

· Проведення порівняльного аналізу теоретичних і натурних даних дистанційного зондування і формулювання на цій базі переваг нової концепції підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації.

Наукова новизна отриманих результатів. Автором дисертації вперше були отримані наступні результати:

· Сформульована нова концепція проведення підсупутникових океанологічних досліджень для забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації контрольно-калібровочними даними. Головна відзнака запропонованої автором концепції, полягає в тому, що в якості основних підсупутникових параметрів використовуються не абсолютні величини спектральних яскравостей, а коефіцієнти яскравості, які являють собою значення спектральних яскравостей, нормованих на величину падаючого випромінювання. Це дозволило позбутися надто складних проблем абсолютного калібрування польових спектрофотометрів і звести до мінімуму методичні погрішності від впливу зовнішніх умов освітлення і стану покритої хвилями поверхні моря;

· Запропоновано розширити спектральну область оптичних вимірів для цілей підсупутникового забезпечення аж до ближньої ультрафіолетової дільниці спектру, де через сильне розсіювання в атмосфері випромінюванням від моря можна, в першому наближенні, зневажати. При цьому з'являється можливість визначати характеристики розсіювання в атмосфері в короткохвильовій і довгохвильовій областях видимого діапазону, а необхідні для атмосферної корекції параметри знаходити більш точно інтерполяцією, замість екстраполяції, яка звичайно застосовується в нинішній час;

· В рамках теорії подвійної взаємодії випромінювання з системою море-атмосфера вирішена задача дистанційного визначення коефіцієнта яскравості моря. На основі спрощеного уявлення залежності перетину розсіювання на аерозольних частинках від довжини хвилі, проведено чисельне моделювання алгоритму атмосферної корекції для різноманітних станів атмосферного аерозолю і на чисельних прикладах доведена ефективність залучення короткохвильової дільниці спектру;

· Розроблено засіб безпосереднього виключення відблискової складової у висхідному випромінюванні, що дозволяє виконувати цю процедуру незалежно від умов освітлення і стану поверхні моря. При цьому використовується та обставина, що випромінювання, яке виходить з товщі моря, зазнає значної зміни спектрального складу, в той час, як спектр відбитого від поверхні води випромінювання залишається практично незмінним. Засіб успішно застосовувався при проведенні підсупутникових експериментів на Чорному морі з літака-лабораторії і при обробці відеозображень кольору чорноморських вод зі сканерів видимого діапазону;

· На базі нової концепції розроблена методика апаратурного забезпечення підсупутникових досліджень, основна ідея якої полягає в тому, щоб здійснити перехід від традиційних вимірів абсолютних значень світлових потоків , що розповсюджуються, до їхнього порівняння в диференціальному фотометрі. Перевага нормованих величин, передусім в тому, що вони значно менш вразливі до зовнішніх умов освітлення і залежать, в основному, від оптичних властивостей поглинання та розсіювання в середовищі і, на кінець, є необхідними параметрами біооптичних алгоритмів. Розроблений підсупутниковий комплекс гідрооптичних приладів, по своїх можливостях відповідає відомим аналогам в світі, а по багатьох параметрах значно переважає їх;

· Запропонований принципово новий тіньовий засіб виміру індикатрис розсіювання морської води дозволяє більш ніж на п'ять порядків зменшити величину заважаю-чого відблиску від прямого випромінювання. Розроблена оптична схема з застосуванням спеціальної перископічної призми дозволила забезпечити виміри індикатриси розсіювання в дуже широкому діапазоні кутів від 0,50 до 177,60. По даних польових вимірювань були отримані цілком нові результати, які докорінно змінили існуючу уяву про автомодельність індикатрис розсіювання морських вод і дозволили значно покращити якість відновлення розмірного складу і природи частинок, що зважені у воді, на базі більш точного рішення зворотних задач;

· Проведений вперше детальний аналіз оптичного стану атмосфери над Чорним морем показав, що спектральна залежність аерозольної оптичної товщини атмосфери добре описується законом Ангстрема і задовільно описується однопараметричною моделлю. Переважний вклад в спектральну мінливість вносить зміна загальної маси аерозолю без змін його якісного складу. Міжрічна мінливість несуттєва, незважаючи на сильну сезонну мінливість з максимумом в літні місяці. Отримані дані про властивості атмосфери над Чорним морем мають велике значення для обгрунтованого вибору засобу корекції впливу атмосфери;

· Для погодження теоретичних розрахунків з реально виміряними характеристиками висхідного випромінювання вперше запропоновано прийняти найбільш прозорі води центральної частини Саргасового моря в якості аналогу теоретично чистої води, щоб відносно цих природних вод відновлювати концентрації домішок в відкритих акваторіях моря;

· Розроблено аналітичні засоби рішення зворотних задач біооптики моря, які дозволяють по спектру коефіцієнта яскравості моря відновлювати спектральні характеристики поглинання і розсіювання світла морських вод, а також концентрацію основних біологічних складових морської суспензії, таких як пігменти фітопланктону та розчинена органічна речовина. Задача вирішена для природних вод багатьох акваторій океану, включаючи й найбільш складний випадок каламутних прибережних вод типу-2;

Вдосконалені та отримали подальший розвиток:

· Показано, що серед інших гідрооптичних характеристик коефіцієнт яскравості моря займає особливе місце в дистанційному зондуванні, оскільки є одним з небагатьох параметрів, який може безпосередньо вимірюватися з аерокосмічних носіїв. При цьому він достатньо стійкий до впливу випадкових перешкод при зміні гідрометеорологічних умов і, тому може служити стабільним індикатором біооптичних властивостей поверхневих вод. В силу цих причин пропонується використовувати коефіцієнт яскравості моря в якості одного з головних параметрів, виміри якого повинні бути обов'язковими при проведенні підсупутникових експериментів;

· Шляхом порівняння вимірів спектральної прозорості атмосфери над Чорним і Середземним морями показано, що оптичні властивості атмосфери над Середземним морем наближаються по своїх характеристиках до океанських. У порівнянні з атмосферою над Чорним морем там спостерігається більш висока прозорість атмосфери з більш рівномірним спектром аерозольної оптичної товщини.

· На великому статистичному матеріалі виявлений кореляційний зв'язок між вмістом хлорофілу в верхньому шарі моря та індексом кольору. Результати статистичного аналізу взаємозв'язків індексу кольору з іншими гідрооптичними характеристиками і концентрацією зважених і розчинених в морській воді речовин показує, що в більшості випадків, ці взаємозв'язки є тісними і значущими.

Обгрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій. Дисертація являє собою комплексне експериментальне і теоретичне дослідження методичних основ підсупутникового забезпечення космічних визначень кольору водоймищ, в якому в закінченому вигляді представлена нова концепція і методика проведення підсупутникових океанологічних експериментів. Обгрунтованість наукових положень, вірогідність висновків і результатів базується на великому обсязі фактичних матеріалів, отриманих в серії спеціалізованих підсупутникових експериментів в морі.

Найбільш узагальнюючим показником, який в цілому характеризує вірогідність водночас всіх розділів дисертаційної роботи, є якість відновлення біооптичних параметрів при рішенні зворотної задачі оптики моря, оскільки кінцевий результат залежить як від якості вимірювальних приладів, досягнутої точності польових вимірів, засобів мінімізації методичних погрішностей, так і від вдосконаленності і коректності самого аналітичного засобу рішення. Достатня відповідність відновлених концентрацій пігментів фітопланктону і розчинених органічних речовин їхньому реальному вмісту по результатах безпосередніх біологічних визначень підтверджує обгрунтованість та вірогідність наукових положень і висновків роботи. В цілому, отримані аналітичні рішення зворотних задач не суперечать даним попередніх досліджень по простих емпіричних алгоритмах, але мають значно більшу інформативність і дозволяють відновлювати не тільки концентрації зважених і розчинених речовин, але й їхні спектральні властивості розсіювання та поглинання світла.

Нова концепція підсупутникового забезпечення, розроблені засоби і апаратура неодноразово атестувалися за участю ведучих зарубіжних фахівців в лабораторіях Дальхаузського університету в Канаді, в Скрипсівському океанографічному інституті і Рутгерському університеті в США, а також в міжнародній експедиції на науково-дослідному судні "Bilim" Інституту морських наук Близькосхідного університету Турції.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в дисертаційній роботі результати досліджень дозволили сформулювати актуальність та необхідність залучення супутникової інформації для спостереження за станом морських екосистем в Чорному морі і в прилеглих акваторіях. Розроблені в відповідності з новою концепцією засоби і апаратура дали можливість проводити цілеспрямовані дослідження біооптичних властивостей вод в Чорному морі, використовуючи його акваторію як один з регіональних опорних пунктів підсупутникового забезпечення програми SeaWiFS. Отримана з допомогою цієї апаратури підсупутникова інформація успішно використовувалася для аналізу та інтерпретації зйомок кольору поверхневих вод, ученими МГІ НАН України, Інституту океанології РАН, Скрипсівського океанографічного інституту і Орегонського університету США і Дальхаузського університету в Канаді. Результати досліджень автора включені в національні і міжнародні звіти різноманітних проектів, а також використані в міжнародному обміні даними.

Принципово новий вимірювач індикатриси розсіювання морських вод використовувався при проведенні міжнародного біооптичного експерименту в шельфових водах Атлантики в США. Унікальні можливості нового методу дозволили вперше показати, що форма морських індикатрис не може описуватися однопараметричною моделлю. Отримані результати значно розширяють і доповнюють існуючі відомості про розсіюючі властивості морських вод і дадуть можливість розробити більш досконалі засоби рішення зворотних задач по відновленню розподілу розмірів частинок в суспензії.

Розроблені нові засоби і апаратура були використані також при проведенні серії міжнародних підсупутникових експериментів "Чорне море - Інтеркосмос", в яких виміри характеристик кольору вод Чорного моря були виконані водночас з науково-дослідного судна, з літака-лабораторії і з космосу. По розробленій автором програмі досліджень проведений широкомасштабний підсупутниковий експеримент "Атлантика-89", в якому були виконані комплексні спостереження на великій акваторії Атлантичного океану, що охоплює широкий діапазон змін властивостей водних мас і атмосфери. В результаті проведених досліджень отримано величезний обсяг інформації про різноманітні властивості моря і атмосфери, націлений на розробку нових засобів по поліпшенню інтерпретації космічної інформації про колір поверхневих вод.

Створені у відповідності з новою концепцією засоби та апаратура для підсупутникового забезпечення можуть бути використані океанографічними організаціями України при аналізі та інтерпретації глобальних зйомок кольору поверхневих вод Чорного моря та інших водоймищ. Результати роботи можуть також використовуватися гідрографічними, гідрометеорологічними і геологорозвідувальними службами України для виконання робіт в шельфових зонах Світового океану при оцінці продуктивності вод по даних космічних зйомок кольору поверхневих вод.

Особистий вклад здобувача. Представлена дисертаційна робота є результатом узагальнення багаторічних гідрооптичних досліджень, виконаних автором особисто або в співавторстві з працівниками очолюваного ним наукового колективу. Особиста участь автора полягає, передусім, в постановці задач та виробленню основних ідей по підсупутниковому забезпеченню сучасних космічних сканерів кольору, в визначенні і виборі оптимальних напрямків досліджень. Автору належать також нові ідеї по вдосконаленню засобів і апаратури для підсупутникових гідрооптичних досліджень. По ініціативі автора та під його безпосереднім науковим керівництвом була проведена велика кількість підсупутникових експериментів в Чорному морі, Атлантичному океані та в інших водоймищах, результати яких покладені в основу цієї роботи.

В більшій частині статей, в яких викладаються результати досліджень по темі дисертації, деякі співробітники відділу оптики і біофізики моря є співавторами зробленої роботи, але безпосередньо в дисертації використовуються лише ті розділи, де автору належать основні ідеї як в постановці задач, так і в інтерпретації отриманих результатів. Автор висловлює щиру вдячність всім співробітникам, багатолітнє ділове і плідне співробітництво з якими, створило сприятливі умови для виконання цієї роботи.

Апробація результатів дисертації Результати роботи були викладені і обговорені на багатьох міжнародних наукових конференціях, симпозіумах та робочих семінарах. Матеріали дисертації доповідалися на Всесоюзному семінарі "Фотометрія і її метрологічне забезпечення" в 1984г. (м. Москва, Росія), на Дев'ятому Всесоюзному пленумі робочої групи по оптиці океану "Оптика моря і атмосфери" в 1984г. (м. Ленінград, Росія), на Третьому з'їзді океанологів в 1987г. (м. Ленінград, Росія), на Десятому Всесоюзному пленумі робочої групи по оптиці океану "Оптика моря і атмосфери" в 1988г. (м. Ростов на Дону, Росія), на семінарі міжнародної Робочої групи "Наука про Землю", присвяченому проблемам дистанційного зондування океану в 1989г. (м. Бостон, США), на Першому Всесоюзному семінарі "Оптичні засоби дослідження потоків" в 1989г. (м. Новосибірськ, Росія), на Одинадцятому Всесоюзному пленумі робочої групи по оптиці океану "Оптика моря і атмосфери" в 1990г. (м. Красноярськ, Росія), на Третьому Всесоюзному семінарі "Системи екологічного контролю вод" в 1991г. (м. Севастополь. Україна), на Міжнародній конференції "Проблеми Чорного моря" в 1992г. (м. Севастополь, Україна), на Міжнародному науково-технічному семінарі "Морське і екологічне приладобудування" в 1995г. (м. Севастополь, Україна), на Другій міжнародній конференції по авіаційному дистанційному зондуванню в 1996г. (м. Сан Франциско, США), на Дванадцятій міжнародній конференції і робочому семінарі по прикладній геології в дистанційному зондуванні в 1997г. (м. Денвер, США), на Четвертій міжнародній конференції "Дистанційне зондування морського і прибережного навколишнього середовища" в 1997г. (м. Орландо, США), на міжнародному симпозіумі "Екологічна безпека прибережних і шельфових зон і комплексне використання ресурсів шельфу" в 2000г. (м. Севастополь, Україна), на Шостій міжнародній конференції "Дистанційне зондування морського і прибережного навколишнього середовища" в 2000г. (м. Анн Арбор, США).

Публікації. В дисертацію увійшло 36 публікацій: статті в періодичних наукових журналах - 10, статті в збірках наукових праць - 13, авторські свідоцтва на винаходи - 3, тези в працях конференцій - 10.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти глав, висновків і списку використаних джерел. Вона містить 283 сторінки, 77 малюнки і 10 таблиць. Ілюстрації введені в текст. Список джерел, що використовуються, включає 232 найменування на 25 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обговорюється актуальність і сучасний стан досліджень по підсупутниковому забезпеченню космічних сканерів кольору нової ґенерації та перспективи застосування цих засобів для створення систем діагностики стану водних екосистем. Формулюються мета і задачі дисертації, показано зв'язок роботи з науковими програмами і планами МГІ НАНУ, з іншими відомствами України та міжнародними організаціями. Викладені нові підходи до досліджень, відзначена наукова новизна отриманих результатів, обгрунтованність та вірогідність положень і висновків, описано наукове і практичне значення роботи, її апробація.

Перша глава присвячена формулюванню методичних основ нової концепції підсупутникового забезпечення космічних визначень характеристик кольору поверхневих вод для відновлення по них концентрацій пігментів фітопланктону і розчиненої органічної речовини в морській воді. Відзначено, що на початковому етапі розвитку супутникових засобів проблема отримання опорних контрольно-калібровочних даних по всьому Світовому океану вирішувалася шляхом аналізу та узагальнення наявних архівних матеріалів численних суднових експедиційних спостережень. Для порівняння використовувались добре відомі карти глобального розподілу таких біооптичних параметрів, як, наприклад, глибини видимості білого диску [В.І. Войтов], індексу кольору [Г.Г. Неуймин і ін.], первинної продукції [О.І. Кобленц-Мишке і ін.]. В доповнення до цього, проводилися також спеціалізовані підсупутникові експерименти з притягненням науково-дослідних суден, океанографічних платформ та літаків-лабораторій. [Gordon H.R. at all.]. При цьому, як правило, використовувались традиційні оптичні засоби і прилади, що застосовувались в звичайних океанологічних експедиціях. Ці дослідження дозволили в цілому виявити можливості супутникових засобів вивчення глобальних біооптичних явищ в морях і океанах, а також сформулювати вимоги, як до супутникової апаратури, так і до оптичних приладів підсупутникового забезпечення.

В параграфі 1.1 формулюється нова концепція методики проведення підсупутникових океанологічних досліджень для забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації контрольно-калібровочними даними. Головна ознака нової концепції, полягає в тому, що в якості основних контрольно-калібровочних параметрів світлового поля в морі запропоновано використовувати не абсолютні значення спектрального випромінювання, яке розповсюджується в середовищі, а похідні від них величини, нормовані на величину випромінювання, яке падає. До таких характеристик світлового поля під водою віднесені показники вертикального ослаблення опромінення KE (z,l) і яскравості KL (z,l), коефіцієнт яскравості моря RL (z,l) та відносний кутовий розподіл яскравості під водою L (z,q,j), а також індекс кольору моря Ic. Вибір саме цих параметрів пояснюється тим, що частина з них є в вихідних даних більшості супутникової апаратури, а інша може легко з них розраховуватися.

Товщина шару, в якому формується висхідне випромінювання моря, може досягати багатьох десятків метрів, але інтенсивність його відносно невелика і складає лише малу частку від сумарного випромінювання всієї системи море-атмосфера. Принципово задача може бути вирішена за умови, якщо з сумарного випромінювання всієї системи море-атмосфера виділити складову атмосферної пелени в тих спектральних дільницях, де випромінюванням, що виходить з моря, можна знехтувати. Більшість дослідників використовують для цієї мети ближню інфрачервону дільницю спектру, а задачу урахування впливу атмосферної пелени вирішують шляхом екстраполяції характеристик атмосфери по середньостатистичних даних про її стан [В.В. Бадаєв, М.С. Малкевич, 1978; Gordon H.R., 1978].

В параграфі 1.2 запропонований новий підхід, в якому обгрунтовується необхідність розширення спектрального діапазону вимірів висхідного випромінювання до ближньої ультрафіолетової області спектру, де через сильне розсіювання в атмосфері випромінюванням від моря також можна знехтувати. Це особливо важливо для каламутних прибережних вод, де використання короткохвильової області спектру виправдано ще й перехрещеними смугами поглинання фітопланктону і розчиненої органічної речовини, оскільки максимальні відмінності в поглинанні цими речовинами спостерігаються також в ближньому ультрафіолеті. В параграфі 1.3 показано, що залучення додаткової дільниці спектру дасть можливість відновлювати концентрації домішок морської води не тільки по простих емпіричних алгоритмах, але також застосовувати більш надійні аналітичні засоби рішення зворотних задач оптики моря.

В параграфі 1.4 аналізуються фізичні особливості розповсюдження світлового випромінювання в системі море-атмосфера стосовно проблем дистанційного визначення концентрацій оптично активних компонент біологічної суспензії і розчиненої органічної речовини в морі. Розглянуті основні параметри, які визначають світлове поле в морському середовищі і в атмосфері та введені деякі спрощення, що дозволяють математично строго описати дану задачу. Складові висхідного випромінювання представлені в вигляді діаграм розсіювання, при використанні яких були виписані в явному вигляді аналітичні вирази для будь-якої кратності взаємодії світлового випромінювання з морем і атмосферою. Повна яскравість висхідного випромінювання представлена в вигляді

Тут індекси при вказують на відповідні яскравості: - однократно розсіяного в атмосфері випромінювання; - відбитих прямих сонячних променів; - дифузного відбивання від моря випромінювання; - випромінювання, розсіяного в атмосфері та дифузного відбитого від моря; - випромінювання, дифузно розсіяного в морі, а після цього розсіяного в атмосфері та т.д.

Показано, що значна оптична товщина атмосфери не дозволяє використовувати наближення однократного розсіювання для проведення точних розрахунків в короткохвильовій області спектру. В зв'язку з цим оцінка відносного вкладу моря і атмосфери в сумарне висхідне випромінювання проведена з використанням наближення двократного розсіювання теорії переносу. Для кожної із складових діаграм розсіювання отримані в явному вигляді формули шляхом рішення рівняння переносу випромінювання в наближенні плоскопаралельної атмосфери. Після того, як всі складові в висхідному випромінюванні були в явному вигляді визначені, з'явилася можливість величину коефіцієнта яскравості системи море-атмосфера наближено представити наступною залежністю

де - коефіцієнт яскравості релеєвської пелени; - коефіцієнт яскравості аерозольної пелени; - оптична товщина релеєвської атмосфери; та - косинуси кутів спостереження і падіння випромінювання; - представляє добуток пропускання молекулярної і аерозольної атмосфер tr та ta; множник введений для урахування неоднорідності оптичних характеристик по висоті.

На основі аналізу розрахунків, виконаних по цих формулах, показано, що на верхній межі атмосфери вклад фону молекулярної пелени в сумарну висхідну яскравість є визначальним. Ця обставина дозволяє в першому наближенні знехтувати яскравістю висхідного випромінювання моря в порівнянні з яскравістю атмосферної пелени на краях видимого діапазону спектру. Виходячи з цього, чисельним моделюванням обгрунтована можливість підвищення контрастів кольорів і розподілу вкладів моря та атмосфери в висхідному випромінюванні при спостереженнях кольору моря з космосу в більш широкому спектральному діапазоні. В цьому випадку інтерполяцію значень з країв в середину видимого діапазону можна виконати по поточному стану атмосфери, що визначається з умови, що варіації спектру коефіцієнта яскравості, зумовлені змінами аерозольної пелени відносно середнього стану атмосфери не залежать від довжини хвилі.

За умови, що на краях видимого діапазону спектру і , отримана наступна оцінка миттєвого стану атмосфери:

Вона дорівнює

лінійної комбінації яскравостей в ближній ультрафіолетовій (l1О UV) та інфрачервоній частині (loОIR) спектру.

Величини та по суті відомі функції, що визначаються тільки спектральною залежністю коефіцієнта яскравості середньої атмосфери згідно рівнянню (4).

Відкидаючи від коефіцієнта яскравості системи море-атмосфера оцінку поточного стану атмосфери, отримуємо

Проведеними чисельними розрахунками показано, що отримана таким чином різниця u(l) значно підвищує поверхневі контрасти просторових неоднорідностей в коефіцієнті яскравості моря. При цьому для проведення інтерполяції використовувалася не загально прийнята функція (Gordon H.R., 1978), яка визначається властивостями аерозольної пелени

а безпосередньо змішаний спектр аерозольної і молекулярної атмосфери. Запропонований ітераційний алгоритм атмосферної корекції, що використовує наступну параметризацію його спектру

де та - відповідно коефіцієнти яскравості системи море-атмосфера і релеєвської пелени на довжині хвилі. Невизначений параметр Ангстрема a в принципі може бути отриманий з безпосередніх вимірів спектру аерозольної оптичної товщини атмосфери або оцінений по наявних середньостатистичних даних. По цих значеннях параметру Ангстрема отримана попередня оцінка величини, яка в подальшому послідовно уточнювалася з використанням відомих значень і відмінностей в поведінці параметрів атмосфери і моря в ближній ультрафіолетовій (l1О UV) та інфрачервоній частині (loОIR) спектру. Після того, як було визначено поточний стан атмосфери по краях видимого діапазону, інтерполяцією відновлювалися характеристики пелени в проміжній області спектру, а після цього остаточно розраховувався коефіцієнт яскравості моря для всієї видимої області спектру.

Відбитий сонячний відблиск може складати інколи значну частку в висхідному випромінюванні, а його варіації можуть перекривати контрасти кольорів в поверхневих шарах моря, що досліджуються. Теоретичний розгляд задачі врахування відблискової складової призводить до суттєво громіздких виразів, які досить складно піддаються аналізу в кожному конкретному випадку. Така постановка задачі вимагає точного знання безлічі граничних умов, які в процесі експерименту сильно змінюються (спектру хвилювання, швидкості вітру, умов освітлення і т.д.) [Cox C., Munk W., 1965; Бялко А.В., 1975]. При традиційному підході, для оцінки вкладу відбитої складової необхідно проводити цілий комплекс експериментів, направлених як на точні виміри яскравості, так і на визначення граничних умов. Запропонований в параграфі 1.5 підхід дозволив безпосередньо виключати відблискову складову незалежно від умов освітлення і стану поверхні океану. При цьому використовується відмінність в трансформації спектру випромінювання при проходженні його через морське середовище і при відбиванні від поверхні моря. Для реалізації засобу достатньо заздалегідь підібрати коефіцієнти до значень вимірюваних спектральних яскравостей висхідного випромінювання в двох оптимально вибраних дільницях видимого діапазону так, щоб зрівняти їх по відблискові складовій, а після цього використати для аналізу величину різниці між ними.