Визначення концентрацій пігментів фітопланктону в морській воді за даними дистанційних і контактних оптичних вимірювань - Автореферат

Існують дві основні причини таких неточностей: непридатність алгоритму відновлення концентрації хлорофілу по коефіцієнту яскравості моря для даного району і погрішності атмосферної корекції супутникових даних. При стандартній обробці супутникових даних по всьому Світовому океану використовуються емпіричні алгоритми, засновані на регресії між відношенням яскравостей моря в двох спектральних каналах і зміряною концентрацією хлорофілу. Для районів, де емпіричні алгоритми дають невірні результати, актуальним є створення набору аналітичних алгоритмів для коректнішого відновлення концентрації хлорофілу. Наявність навіть приблизної оцінки особливостей віддзеркалення світла морем на межі діапазону вимірювань в синій області дозволила б значно підвищити точність атмосферної корекції в інших спектральних каналах. Поліпшений і адаптований для Чорного моря аналітичний метод рішення зворотних задач біооптики моря, що дозволяє відновлювати спектральні характеристики поглинання і розсіяння морської води по спектру коефіцієнта яскравості.У підрозділі 1.1 розглядаються алгоритми, вживані для визначення концентрацій оптично активних компонентів морської води за даними вимірювань коефіцієнта яскравості. Емпіричні алгоритми встановлюють звязок між оптичними вимірюваннями і концентрацією оптично активних компонентів, ґрунтуючись на наборах експериментальних даних, тобто вимірюваннях коефіцієнта яскравості і супутніх вимірюваннях концентрацій хлорофілу in situ. Простіший з методів, заснованих на моделюванні, полягає в отриманні алгебраїчних рівнянь, які звязують напіваналітичні моделі кольору моря з шуканими біооптичними величинами. Експерименти полягали у спільному вимірюванні різних оптичних параметрів морського середовища, таких, як спектри коефіцієнта яскравості, показник ослаблення направленого світла і індикатриса розсіяння, і визначенні концентрації хлорофілу біологічними методами. Пропонується здійснювати корекцію спектру коефіцієнта яскравості шляхом додавання поправочного доданку, що має вигляд: IMG_20828551-d966-47e4-b9f4-ba1c5067016a , причому для визначення коефіцієнтів а і b потрібно знати оцінні значення коефіцієнта яскравості на межах діапазону вимірювань.В ході виконання дисертаційної роботи одержаний регіональний аналітичний алгоритм, що дозволяє розраховувати концентрації хлорофілу в морській воді за даними дистанційних вимірювань коефіцієнта яскравості. Запропоновано дві модифікації методики - для обробки точкових вимірювань (при постійному значенні коефіцієнта яскравості в синій області) і для обробки супутникових даних по всій акваторії (при змінному значенні, яке визначається в ітераційній процедурі). За даними суцільного спектру коефіцієнта яскравості були розраховані спектри питомого поглинання пігментів фітопланктону. Показано, що алгоритм має межу застосовності, обумовлену допущенням про постійність коефіцієнта яскравості на червоній границі діапазону вимірювань. Проте максимально допустиме значення зміряного коефіцієнта яскравості в червоній області приблизно на порядок перевищує середню величину для Чорного моря, тому алгоритм може бути непридатний тільки у водах з великим значенням показника розсіяння, наприклад, при розвиненому цвітінні кокколітофорід або в аналогічних умовах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В ході виконання дисертаційної роботи одержаний регіональний аналітичний алгоритм, що дозволяє розраховувати концентрації хлорофілу в морській воді за даними дистанційних вимірювань коефіцієнта яскравості. Основні результати і висновки роботи можуть бути сформульовані в наступному вигляді: 1. Проведений експеримент, в результаті якого одержані квазісинхронні супутникові і контактні вимірювання коефіцієнта яскравості, а також значення концентрації хлорофілу in situ.

2. Вдосконалена біооптична модель коефіцієнта яскравості з урахуванням особливостей оптичних властивостей вод Чорного моря. У ній використані моделі поглинання і розсіяння оптично активними компонентами морської води, одержані по вимірюваннях, проведених в Чорному морі одночасно з вимірюваннями коефіцієнта яскравості на океанографічній платформі.

3. Одержаний ітераційний аналітичний алгоритм для обчислення концентрацій оптично активних компонентів - пігментів фітопланктону, суспензії і неживої органіки.

Особливістю алгоритму є те, що кожна концентрація обчислюється на тій ділянці спектру, де він робить найбільший вплив на коефіцієнт яскравості. Це дозволяє стабілізувати обчислення шляхом переходу до почергової мінімізації по одному параметру замість трьох і підвищує стійкість рішення зворотної задачі.

4. Розроблена методика корекції даних коефіцієнта яскравості. Запропоновано дві модифікації методики - для обробки точкових вимірювань (при постійному значенні коефіцієнта яскравості в синій області) і для обробки супутникових даних по всій акваторії (при змінному значенні, яке визначається в ітераційній процедурі). Методика корекції дозволяє уникнути втрати даних, повязаної з помилками стандартної атмосферної корекції.

Показано, що при використовуванні корекції помітно зменшується вплив вхідних даних, зокрема, параметру спектрального нахилу поглинання жовтої речовини, на відновлені концентрації хлорофілу. Завдяки зниженню чутливості алгоритму до вхідних параметрів можна використовувати їх наближені значення, характерні для даних акваторій в середньому.

5. Показано, що одержані за допомогою аналітичного алгоритму величини концентрацій хлорофілу краще узгоджуються з даними біологічних вимірювань, в порівнянні з результатами роботи стандартного алгоритму ОС-4. За наслідками обробки даних підсупутникового експерименту (2002 - 2004 роки), в якому проводилися прямі визначення концентрації хлорофілу, погрішності відновлення концентрації хлорофілу складають близько 10% при використовуванні аналітичного методу, близько 40% при використовуванні алгоритму ОС-4. Відновлені концентрації неживої органіки також добре узгоджуються з біологічними даними, а зворотне розсіяння суспензією - з даними безпосереднього вимірювання показника розсіяння.

6. За даними суцільного спектру коефіцієнта яскравості були розраховані спектри питомого поглинання пігментів фітопланктону. Додаткові максимуми поглинання в ньому дозволяють одержати інформацію про наявність у воді додаткових фотосинтетичних пігментів. Аналітичний алгоритм дозволяє досить просто оцінити наявність у воді речовин, які важко визначати біологічно, що дає інформацію про присутність тих або інших мікроорганізмів.

7. Показано, що алгоритм має межу застосовності, обумовлену допущенням про постійність коефіцієнта яскравості на червоній границі діапазону вимірювань. Проте максимально допустиме значення зміряного коефіцієнта яскравості в червоній області приблизно на порядок перевищує середню величину для Чорного моря, тому алгоритм може бути непридатний тільки у водах з великим значенням показника розсіяння, наприклад, при розвиненому цвітінні кокколітофорід або в аналогічних умовах.

Одержана методика може застосовуватися для обробки супутникових даних коефіцієнта яскравості при дистанційному зондуванні Чорного моря, при проведенні моніторингу екологічного стану чорноморського басейну.

ОСНОВНІ РОБОТИ, ОПУБЛІКОВАНІ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Oeaaiia A.A. Ainnoaiiaeaiea aeiiioe?aneeo oa?aeoa?enoee aia ?a?iiai ii?y i?e oneiaee iinoiyinoaa eiyooeoeaioa y?einoe ia aeeia aieiu 400 ii / A.A. Oeaaiia, A.I. Ei??aieeia // Ii?neie aea?ioece?aneee ?o?iae. - 2008. - ?1 - C. 38 - 50.

Ei??aieeia A.I. ?aaeiiaeuiue aiaeeoe?aneee aeai?eoi ainnoaiiaeaiey ia?ae?iuo aea?iiioe?aneeo oa?aeoa?enoee ii?neie aiau ii aaiiui eiyooeoeaioa y?einoe / A.I. Ei??aieeia, A.A. Oeaaiia // ?aaeioeceea e yeaeo?iieea. - 2008. - O. 13, ?2. - N. 256 - 262.

Ei??aieeia A.I. Oniaa?oainoaiaaiea iaoiaeee aoiinoa?iie ei??aeoee aey aenoaioeiiiuo enneaaiaaiee i?ea?a?iuo aia ?a?iiai ii?y / A.I. Ei??aieeia, A.A. Oeaaiia, I.A. Ee // Enneaaiaaiea Caiee ec einiina. - 2009. - ?6. - N. 24 - 30.

Oeaaiia A.A. ?aaeiiaeuiue aiaeeoe?aneee aeai?eoi ainnoaiiaeaiey ia?ae?iuo aea?iiioe?aneeo oa?aeoa?enoee ii?neie aiau ii aaiiui eiyooeoeaioa y?einoe / A.A. Oeaaiia, A.I. Ei??aieeia // Yeieiae?aneay aaciianiinou i?ea?a?iie e oaeuoiaie cii e eiiieaeniia eniieuciaaiea ?ano?nia oaeuoa. - 2007. - Aui. 15. - N. 397 - 404.

Ei??aieeia A.I. Oniaa?oainoaiaaiea iaoiaa aenoaioeiiiiai ii?aaaeaiey eiioaio?aoee ieaiaioia oeoiieaieoiia / A.I. Ei??aieeia, A.A. Oeaaiia // Yeieiae?aneay aaciianiinou i?ea?a?iie e oaeuoiaie cii e eiiieaeniia eniieuciaaiea ?ano?nia oaeuoa. - 2008. - Aui. 17. - N. 303 - 308.

Oeaaiia A.A. Iaoia ?aoaiey ia?aoiie caaa?e aeiiioeee ii?y ii aaiiui yenia?eiaioa ia ieaaiia?aoe?aneie ieaooi?ia / A.A. Oeaaiia, A.I. Ei??aieeia // Nia?aiaiiia ninoiyiea yeinenoai ?a?iiai e Acianeiai ii?ae: ia?aoia?. iao?i. eiio., 13-16 naioya?y 2005 a.: oacenu aieeaaia. - Naaanoiiieu, 2005. - N. 170.

Ei??aieeia A.I. Iaoia ?aoaiey ia?aoiie caaa?e aeiiioeee ii?y ii aaiiui eiyooeoeaioa y?einoe / A.I. Ei??aieeia, A.A. Oeaaiia // Eiiiiinianeea ?oaiey, Eiiiiinia - 2006: ia?aoia?. iao?. eiio. nooaaioia, anie?aioia e iieiauo o?aiuo, 4-5 iay 2006 a.: oacenu aiee. - Naaanoiiieu, 2006. - C. 19.

Oeaaiia A.A. Ainnoaiiaeaiea iioe?aneeo oa?aeoa?enoee oeoiieaieoiia i?e oneiaee iinoiyinoaa eiyooeoeaioa y?einoe ia aeeia aieiu 412 ii / A.A. Oeaaiia, A.I. Ei??aieeia // Nia?aiaiiua i?iaeaiu ?aoeiiaeuiiai i?e?iaiiieuciaaiey a i?ea?a?iuo ii?neeo aeaaoi?eyo Oe?aeiu: ia?aoia?. iieiaa?iay iao?. eiio., 12 - 14 e?iy 2007 a.: oacenu aiee. - Eaoeaaee, 2007. - C. 27.

Ei??aieeia A.I. Ainnoaiiaeaiea ia?ae?iuo aea?iiioe?aneeo oa?aeoa?enoee ii?neie aiau ii niooieeiaui aaiiui eiyooeoeaioa y?einoe / A.I. Ei??aieeia, A.A. Oeaaiia // ?aaeioeceea e yeaeo?iieea: VII Oa?ueianeay eiio. iieiauo o?aiuo, 12 - 14 aaeaa?y 2007 a.: oacenu aiee. - Oa?ueia, 2007. - N. 95.

Ei??aieeia A.I. ?aaeiiaeuiue aeai?eoi ainnoaiiaeaiey eiioaio?aoee ieaiaioia oeoiieaieoiia / A.I. Ei??aieeia, A.A. Oeaaiia, I.A. Ee // Ay?ieinie?aneea iaae?aaiey a eioa?anao noaaeeuiiai ?acaeoey e aaciianiinoe: Anaoe?aeineay eiio., 3-5 e?iy 2008 a.: oacenu aiee. - Eeaa, 2008. - N. 90 - 91.

Korchemkina E.N. Improved method of remote sensing retrieval of sea water chlorophyll / E.N. Korchemkina, E.B. Shybanov, M.E. Lee // Mathematical methods in Electromagnetic Theory: International Conference, June 29 - July 2, 2008: proceedings. - Odessa, 2008. - P. 372 - 374.

Oeaaiia A.A. Maoia ii?aaaeaiey niaeo?aeuiiai iieacaoaey iiaeiuaiey oeoiieaieoiia ii eiyooeoeaioo y?einoe ii?y / A.A. Oeaaiia, A.I. Ei??aieeia // Nenoaiu eiio?iey ie?o?a?uae n?aau: ia?aoia?. iao?.-oaoi. naieia?, 21 - 23 naioya?y 2005 a.: oacenu aiee. - 2005. - C. 90 - 94.

Ei??aieeia A.I. Binnoaiiaeaiea eiioaio?aoee iioe?anee aeoeaiuo i?eianae ii?neie aiau a oneiaeyo aieuoie eciai?eainoe eiioaio?aoee acaane / A.I. Ei??aieeia, A.A. Oeaaiia // Nenoaiu eiio?iey ie?o?a?uae n?aau: ia?aoia?. iao?.-oaoi. naieia?, 18 - 22 naioya?y 2006 a.: oacenu aiee. - 2006. - C. 76 - 79.

Lee M.E. Improving regional biooptical inversion algorithms using state-of-the-art hydro-optical instrumentation / M.E. Lee, E.B. Shybanov, E.N. Korchemkina, O.V. Martynov, // Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters: SPIE proceedings [Yeaeo?iiiue ?ano?n]. - 2007. - Vol. 6615. - ?a?ei ainooia: http://dx.doi.org/10.1117/12.740443.

Ei??aieeia A.I. Ainnoaiiaeaiea eiioaio?aoee iioe?anee aeoeaiuo i?eianae ii?neie aiau ii eiyooeoeaioo y?einoe ii?y / A.I. Ei??aieeia, A.A. Oeaaiia // Aaia?aoey, aaiyeieiaey, aaieiaey: iiuo iao?iuo enneaaiaaiee: ia?aoia?. iao?. eiio. nooaaioia, anie?aioia e iieiauo o??iuo, 19 - 20 ai?aey 2007 a.: oacenu aiee. - Aiai?iiao?iane, 2007. - C. 386 - 389.

Korchemkina E.N. Regional analytical algorithm of seawater constituents concentrations retrieving from sea reflectance / E.N. Korchemkina, E.B. Shybanov, M.E. Lee // Current problems in optics of natural waters: International Conference, Sept. 11 - 15, 2007: proceedings. - Nizhny Novgorod, 2007. - ?. 166

Korchemkina E.N. Improved method of remote sensing retrieval of sea water admixtures concentrations / E.N. Korchemkina, E.B. Shybanov, M.E. Lee // Current problems in optics of natural waters: International Conference, Sept. 11 - 15, 2007: proceedings. - Nizhny Novgorod, 2007. - ?. 171 - 174.

Ei??aieeia A.I. Aeai?eoi ?an?aoa eiioaio?aoee ieaiaioia oeoiieaieoiia ii aaiiui aenoaioeiiiiai ciiae?iaaiey / A.I. Ei??aieeia, A.A. Oeaaiia, I.A. Ee // Ie?o?a?uay n?aaa - XXI: ia?aoia?. eiio., 9-10 октября 2008 г.: тезисы докл. - Aiai?iiao?iane, 2008. - N. 63 -

Korchemkina E.N. Special minimization technique for analytical algorithms of chlorophyll retrieval / E.N. Korchemkina, E.B. Shybanov // Current problems in optics of natural waters: International Conference, Sept. 8 - 12, 2009: proceedings. - Saint-Petersburg, 2009. - ?. 73 - 77.