Способ определения удельной массы нефтяных пленок на водной поверхности по гиперспектральным данным дистанционного зондирования Земли
METHOD OF DETERMINING SPECIFIC WEIGHT OF OIL FILMS ON A WATER SURFACE BASED ON HYPERSPECTRAL DATA OF REMOTE PROBING OF THE EARTH

Изобретение относится к области обработки данных гиперспектральной (ГС) аэрокосмической съемки и может быть использовано для определения количественных показателей, которые необходимы для оценивания вреда, причиненного водному объекту вследствие загрязнения пленками нефтепродуктов (НП), в соответствии с требованиями нормативно-методических документов, устанавливающих порядок исчисления эколого-экономического ущерба.
В настоящее время в интересах экологического мониторинга морей и внутренних водоемов все более активно используются авиационные и космические средства наблюдения, позволяющие оперативно проводить обследования обширных акваторий. Вместе с тем практическое применение материалов аэрокосмической съемки существенно ограничивается тем обстоятельством, что информации только о местоположении и типе загрязнения, как правило, недостаточно для оценивания степени опасности выявленного негативного воздействия и размера ущерба, нанесенного водному объекту. Для определения этих показателей в соответствии с действующими нормативно-методическими документами [1] необходимо знание не только площади распространения загрязняющего вещества, но и его удельной массы - характеристики, которая по данным дистанционного зондирования непосредственно не измеряется.
Известны следующие традиционно используемые способы определения удельной массы НП:
1) Метод визуального определения на основе анализа формы и цветности пленок НП [1].
2) Судовые инструментальные измерения (отбор проб). Существенным недостатком первого метода является зависимость
результатов от квалификации эксперта и большая вероятность "ложных тревог" - случаев ошибочного отнесения к загрязнениям неоднородностей морской поверхности, вызванных естественными причинами. Например, тонкие белесовато-маслянистые нефтяные пятна на воде визуально схожи с пленками биогенного происхождения. Отражение облаков на водной поверхности может быть ошибочно идентифицировано как пленка НП белесовато-серого или серовато-стального цвета.
Ограничения судовых инструментальных измерений связаны с существенными временными затратами при обследовании значительных по площади акваторий и их локальным характером, что не позволяет получить объективную картину о степени загрязненности всей акватории, в том числе вследствие сравнительно быстрого перемещения пленок НП в водном объекте под влиянием ветра и течений.
К альтернативному способу оценки состояния акваторий относится применение аэрокосмических средств сбора данных о состоянии окружающей среды, преимуществом которых является оперативность получения исходной информации и большой пространственный охват.
Традиционно используемые средства аэрокосмического мониторинга в автоматическом режиме обеспечивают только обнаружение пленок НП, а также определение границ и направления их распространения в акватории [2-8].
Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом) к предъявляемому изобретению является способ, направленный на использование ГС данных аэрокосмического зондирования для оценки загрязнений водных объектов пленками НП и взвешенными веществами [9]. Способ основан на использовании системы информативных признаков для определения контуров и параметров загрязнений типа нефтяных пленок, органических и минеральных веществ по отражательным спектральным характеристикам водной поверхности. Применительно к НП авторами была обоснована система спектральных признаков [10], позволяющая при обработке ГС изображений не только обнаруживать пленки НП, но и селектировать их от зон распространения фитопланктона, имеющих с загрязнениями схожие спектры.
Недостатком прототипа является то, что ранжирование пленок НП производится только на два класса в зависимости от толщины - мощные и тонкие, что недостаточно для определения удельной массы НП.
Задача, решаемая данным изобретением, состоит в реализации автоматизированной классификации пленок НП по удельной массе на основе использования оригинальных спектральных признаков, характеризующих физическую природу потока излучения от чистой и загрязненной нефтепродуктами водной поверхности. Эти признаки представляют собой результат экспертного анализа и последующей формализации установленных в ходе специально проведенных экспериментов особенностей спектральных характеристик пленок НП, которые устойчиво наблюдались при различных условиях и соответствовали теоретическим закономерностям распространения оптического излучения в водной среде.
Классификация пленок НП по удельной массе производится в зависимости от их цветности (таблица 1) в соответствии с рекомендациями нормативно-методических документов.
Обязательным условием для успешной реализации всех алгоритмов (решающих правил), составляющих способ, является обеспечение геопривязки, радиометрической калибровки (в величинах коэффициента спектральной яркости (КСЯ)) и атмосферной коррекции обрабатываемых ГС изображений.
Использовавшиеся для установления спектральных признаков типовые спектральные характеристики пленок НП различных классов приведены на фиг. 1.
Функциональная схема, реализующая способ, представлена на фиг. 2 и предусматривает выполнение следующей последовательности действий.
Выделение мощных пленок НП, относящихся к пятому классу по цветности, производится с помощью спектрального признака, рассмотренного в работе [10].
Остальные, более тонкие, пленки НП, попадающие в классы цветности с первого по четвертый, в целом характеризуются монотонным уменьшением значений КСЯ в видимом и ближнем инфракрасном (БИК) диапазонах спектра. Для их дальнейшего ранжирования предлагается использовать следующие особенности спектральных характеристик пленочных нефтезагрязнений:
440-450
1) По сравнению с другими тонкими пленками в спектре пленок НП классов 1-2 наблюдаются существенно меньшие (вследствие не столь интенсивной флуоресценции) величины КСЯ в фиолетовой полосе, что позволяет в качестве спектрального признака для выделения этих загрязнений использовать яркостной контраст С с чистой водой в спектральном интервале 440-450 нм. Пороговое значение признака для принятия решения о принадлежности пленок к первому или второму классу по результатам обработки экспериментальных данных установлено на уровне 0,2:
где  - КСЯ пленки НП и чистой водной поверхности в интервале длин волн 440-450 нм.
2) Основное отличие спектральных свойств пленок НП классов 1 и 2 между собой заключается в том, что первые в БИК области спектра (более 750 нм) имеют незначительные яркостные контрасты с чистой водой, так как солнечное излучение практически полностью, не отражаясь, проходит через такие очень тонкие пленки. Данный факт можно формализовать в виде следующего признака распознавания пленок первого класса по пороговому значению 0,35:
3) Наиболее сложно при автоматической обработке ГС данных разделяются пленки НП 3 и 4 класса. Вместе с тем анализ их спектральных характеристик позволяет отметить, что вследствие ярко выраженной цветности для пленок третьего класса в полосе 440-650 нм характерно монотонное достаточно существенное уменьшение или увеличение КСЯ с длиной волны, в то время как у тусклых пленок четвертого класса функция КСЯ имеет заметно более медленно убывающий тренд (фиг. 3).
Отмеченная закономерность позволяет для идентификации пленок четвертого класса ввести следующий спектральный признак:
где  - производная линейно аппроксимированной на интервале 440-650 нм функции КСЯ пленки НП.
Способ относится к области обработки информации и реализован в виде программного комплекса с высокой степенью автоматизации процесса тематической обработки ГС данных, что обеспечивает оперативность получения информации о существующих загрязнениях акватории и размере вреда, нанесенного водному объекту.
Способ оценки удельной массы пленок НП верифицирован по ГС данным аэрокосмического зондирования прибрежных участков акватории Черного и Баренцева морей. Способ обеспечивает высокую оперативность, объективность и точность по сравнению с ближайшими аналогами.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи повышения оперативности и достоверности получения информации об экологическом состоянии акватории и принятии управленческих решений в области охраны водных объектов.
В результате реализации заявленного способа специалистам в области гидрографии, а также научным и инженерным учреждениям выдается унифицированная информационная продукция о загрязнениях в цифровом картографическом представлении. Определяемые показатели удельной массы НП позволяют производить расчет эколого-экономического ущерба и могут быть применимы в интересах информационной поддержки деятельности органов государственной власти (Росприроднадзора), связанной с надзором в области использования и охраны водных объектов, а также при принятии управленческих решений по определению срочности и приоритетности мероприятий по ликвидации выявленных загрязнений акваторий. Таким образом, способ отвечает критерию "промышленная применимость".
Используемые ссылки:
1. Об утверждении Методики исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства [электронный ресурс]: приказ Минприроды России от 13.04.2009 г. №87 (ред. от 26.08.2015 г.). - Доступ из информ. - справ. системы «Техэксперт»: htpp://www.docs.cntd.ru/document/902159034.
2. Бондур, В.Г. Аэрокосмические методы и технологии мониторинга нефтегазоносных территорий и объектов нефтегазового комплекса / B.Г. Бондур // Исследование Земли из космоса. - 2010. - №6. - С. 3-17.
3. Лаврова, О.Ю. Нефтяные загрязнения морской поверхности: взгляд из космоса / О.Ю. Лаврова, М.И. Митягина // Природа. - 2015. - №9. - C. 83-89.
4. Мельников, Г.С. Метод и аппаратура дистанционного обнаружения, распознавания и количественного анализа разливов нефти на морской поверхности / Г.С. Мельников, В.М. Самков, Б.С. Товбин, О.А. Дерин // Оптический журнал. - 2013. - №6(80). - С. 36-42.
5. Неконтактный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды: пат. 2387977 Рос. Федерация: МПК G01N 21/55 / Белов М.Л., Городничев В.А., Козинцев В.И., Федотов Ю.В.; заявитель и патентообладатель МГТУ им. Н.Э. Баумана. - №2008151936/28; заявл. 29.12.2008; опубл. 27.04.2010, Бюл. №12.
6. Clark, R. N. A method for quantitative mapping of thick oil spills using imaging spectroscopy / R. N. Clark, G. A. Swayze, I. Leifer et al. - U.S. Geological Survey, Reston, Virginia, 2010. - III, 51 p.
7. Svejkovsky, J. Real-time detection of oil slick thickness patterns with a portable multispectral sensor / J. Svejkovsky, J. Muskat. - U.S. Department of the Interior Minerals Management Service, 2006. - 37 p.
8. Fingas, M. Review of oil spill remote sensing / M. Fingas, C. Brown // Marine Pollution Bulletin. - 2014. - №83. - P. 9-23.
9. Способ оценки уровня загрязнения акваторий по гиперспектральным данным аэрокосмического зондирования: пат. RU 2616716 С2: МПК G01N 21/55 / Григорьева О.В., Жуков Д.В., Марков А.В., Саидов А.Г.; заявитель и патентообладатель ВКА имени А.Ф. Можайского. - №2015102402; заявл. 26.01.2015; опубл. 18.04.17, Бюл. №11.
10. Жуков, Д.В. Спектральные признаки для идентификации типовых загрязнений акваторий морей по данным авиационной и космической съемки / Д.В. Жуков // Оптика атмосферы и океана. - 2016. - Т. 29. №07. - С. 560-565.