Перспективы экологического мониторинга коралловых рифов с использованием орбитальных спутников

Технические системы Вестник ДВО РАН. 2004. № 5

и приборы в научных исследованиях

К. С. ТКАЧЕНКО

Перспективы экологического мониторинга коралловых рифов с использованием орбитальных спутников

Обсуждаются последние наработки и дальнейшие перспективы использования космических орбитальных спутников для картирования и мониторинга коралловых рифов. Рассматриваются основные аспекты дешифрации крупномасштабных снимков дна, а также проблемы, связанные с получением адекватной оценки состояния рифов по фотографиям, сделанным в разных спектральных диапазонах.

Prospects of the ecological monitoring of coral reefs using the orbital satellites. K.S.TKACHENKO (Institute of Marine Biology, FEB RAS, Vladivostok).

The latest achievements and further prospects for using the space orbital satellites for mapping and monitoring of coral reefs are discussed. The general aspects of decoding the large-scale images of sea bottom as well as the problems concerning adequate estimation of reef health by the photographs obtained in different spectral bends are considered.

Последнее десятилетие прошлого века и начало нынешнего ознаменовано для человечества все более жесткими и частыми природными катаклизмами, которые связывают с глобальным изменением климата на нашей планете. В Мировом океане особенно подвержены влиянию этих катаклизмов уязвимые экосистемы, среди которых лидируют коралловые рифы. Экстремально высокие летние температуры приповерхностных вод вызывают побеление мягких тканей кораллов в результате элиминации симбиотических микроводорослей с последующими гибелью колоний из-за недостатка кислорода и питательных веществ и разрушением коралловых построек. В конечном итоге на огромных пространствах рифы деградируют и замещаются водорослевыми валами. Беспрецедентное побеление кораллов с последующей гибелью произошло в 1998 г. в Индийском океане, в прибрежье Юго-Восточной Азии, западной части Тихого океана, Карибском море и Мексиканском заливе (Internet report of AIMS, 1998, www.aims.gov.au/). Связывают эти явления с резким потеплением поверхностных вод океана на 1-3, а в некоторых районах на 5-7 С. Столь экстремальное повышение летних температур было обусловлено глобальными изменениями полей атмосферного давления и силы действия ветра, которые выражались в особенно суровом Эль-Ниньо у берегов Южной Америки, засухе и масштабных пожарах при ураганном ветре в Юго-Восточной Азии

ТКАЧЕНКО Константин Сергеевич - кандидат биологических наук (Институт биологии моря ДВО РАН, Владивосток).

(Ла-Нинья), резком похолодании в Калифорнии, различных ураганах и тайфунах, прошедших в 1998 г. Побеление кораллов в таком масштабе, как в 1998 г., не отмечалось за последние 40 лет. В результате катастрофическое побеление с массовой гибелью кораллов (около 95 % мелководной части рифов) произошло в водах Бахрейна, Мальдивских островов, Шри-Ланки, Сингапура, части побережья Танзании. Сильное обесцвечивание кораллов со значительной смертностью (от 50 до 70 %) с частичным восстановлением крупных бесформенных колоний наблюдалось на рифах Кении, Сейшельских островов, Таиланда, Вьетнама, Японии, Белиза (Карибское море). В водах Омана, Мадагаскара, части Большого Барьерного рифа, Флориды, Тайваня, архипелага Палау, Французской Полинезии, Галапагосских, Багамских, Каймановых, Филиппинских, Бермудских островов, Бразилии и части Индонезии отмечено сильное побеление только некоторых рифов с частичной смертностью и восстановлением (от 20 до 50 %).

При таких постоянно ухудшающихся условиях среды необходимы глобальный мониторинг коралловых рифов, разработка методик по картированию рифовых сообществ на обширных пространствах. В локальном масштабе это возможно с помощью стандартных гидробиологических съемок с использованием водолазного снаряжения и фото-видеоаппаратуры. Однако разброс рифов по всей шельфовой части тропической зоны Мирового океана, особенно на большом количестве удаленных от материков островов, делает их труднодоступными для исследований из-за высоких затрат на организации периодических экспедиций. В связи с этим большой вклад в решение этой проблемы могут внести данные, полученные с использованием орбитальных космических аппаратов. Основное их преимущество перед наземными видами мониторинга или картирования заключается в большой площади охвата с точной координатной привязкой.

В настоящее время перспективы имеет зондирование морского дна в видимой части спектра [4]. С увеличением мутности воды пропускание излучения в этой части спектра уменьшается. В водах открытого океана, обладающих наибольшей прозрачностью, излучение с длиной волны 465 нм (сине-зеленая часть спектра) имеет максимальный коэффициент пропускания, соответственно в прибрежных водах значение этого коэффициента сдвигается в область излучения с большей длиной волны. Таким образом, диапазон колебания пропускания солнечного спектра для морской воды варьирует от 455 нм (самые прозрачные воды) до 575 нм (самые замутненные воды). Основная причина этих различий состоит в том, что растворенное в морской воде органическое вещество избирательно поглощает коротковолновое излучение и в результате в прибрежной зоне максимум пропускания переходит в область более длинных волн. Поэтому актуальным становится использование многозональной фотосъемки и спектрометрической съемки высокого разрешения (5-15 м) в диапазоне 455-750 нм с разделением максимально большого количества спектральных каналов.

Через относительно прозрачную воду в тропических морях коралловые рифы хорошо просматриваются с высоты птичьего полета в виде подводных построек со всеми оттенками коричневого и сине-зеленого цвета. Побелевшие участки погибших кораллов хорошо контрастируют с общим темным фоном живых колоний. Эти различия и положены в основу методики космического мониторинга коралловых рифов. Прозрачность морской воды можно охарактеризовать коэффициентом относительного пропускания солнечного спектра [2]. Он меняется в зависимости от длины волны излучения. Видимая часть спектра пропускается водой значительно лучше, чем излучение в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне. Оптический сигнал, исходящий от рифа, зависит от видового состава и его фотосинтетических

пигментов. Кроме того, многие виды кораллов обладают флюоресцирующим зеленым пигментом, окрашивающим колонии. Роль этого сигнального пигмента особенно возрастает при картировании участков побелевших мертвых кораллов, у которых отсутствуют симбиотические водоросли и этот пигмент.

При разработке конструкций дистанционных приборов необходимо учитывать излучающие характеристики (по пикам длин световых волн) самих кораллов, а также тех типов водорослей, которые развиваются в тех же экосистемах и в случае неблагоприятных воздействий на коралловые постройки внешних факторов способствуют деградации рифов, полностью покрывая своей биомассой мертвый коралловый известняк.

Дешифрация таких снимков, полученных над акваториями с коралловыми рифами и банками, во всяком случае в пределах верхней сублиторали, может дать вполне интерпретируемые результаты по состоянию коралловых рифов в процентном соотношении (в первом приближении) живых и мертвых кораллов на площадях, не сравнимых по охвату с возможностями наземных наблюдений. Работы в данном направлении ведутся с середины 80-х годов прошлого века. Особенно активное развитие они нашли в США и Франции. Для этих целей используются изображения со спутников серий SPOT, Landsat, SeaWiffs, CZCS, IRS и др. Существует 2 типа орбитальных оптических датчиков: широкополосные мультиспектральные и датчики с узкополосными фильтрами, которые захватывают только интересующие потребителя отдельные полосы спектра. Последние являются более чувствительными из-за недостатка суммарного излучения, получаемого датчиком.

Спутники серии SPOT выполняют многозональную съемку в видимом диапазоне спектра (0,5-0,89 мкм) с разрешением 20 м и панхроматическую (черно-белую) съемку в видимой области спектра (0,51-0,73 мкм) с разрешением 10 м. На получаемых ими изображениях хорошо прослеживается топография верхней части шельфа [3]. На глубинах до 25 м точность батиметрических измерений по соотношениям цветовых плотностей на снимках достигала 90 % (!), а при чистой воде считается возможным проведение таких измерений до глубины 40 м. Пример определения глубин методом сегментирования участков дна на фотографии показан на 2-й сторонке обложки и на рис. 1. Затраты на батиметрическую съемку по сравнению с обычными методами снижаются с 1150 до 45 долл./км2. Непосредственное отношение к мониторингу состояния коралловых рифов имеет выполняемая в Новой Каледонии (Французская Полинезия) программа исследований рифовых зон на основе использования снимков с ИСЗ SPOT для структурного и тематического картографирования мелководий коралловых рифов, типизации природной среды и экономической оценки запасов водной растительности и животного мира [6, 7]. В частности, по результатам обработки снимков составлены тематические карты главных типов природной среды рифов Новой Каледонии. Выделены различные субстраты: мягкие донные осадки, коралловый детрит, коралловые камни и скалы, живые кораллы. Разделение различных типов колоний кораллов осуществляется на основе соотношения цветовых плотностей, определяется соотношением живых и мертвых кораллов. При оценке биоресурсов коралловых рифов, в частности запасов промыслового моллюска трохуса Trochus niloticus, была использована тематическая карта коралловых рифов, составленная по снимкам спутников SPOT. Аналогичные результаты, отражающие состояние коралловых рифов у побережья Флориды, получены по данным со спутников SPOT, Landsat, SeaWiffs и др. По изображениям, полученным спутниками SPOT, были извлечены данные по биоресурсам сублиторали морей более высоких широт. В частности, исследовались возможности картографирования лугов морских трав Posidonia oceanica и Cymodocea nodosa,

Рис. 1. Участок юго-восточного побережья Флориды с прибрежными коралловыми островами и рифами (снимок со спутника серии SPOT) после обработки методом спектрального разделения, выделяющего рельеф дна

растущих на песчаных и скальных субстратах сублиторали у северного побережья о-ва Поркероль (Франция, Средиземное море) [10], по многоспектральным снимкам. Идентификация дна и определение глубин осуществлялись по спектральным характеристикам песчаных грунтов различных типов, что позволило точно строить изобаты до 10 м глубиной. Детали морского дна распознавались вплоть до изобаты 15 м. На основании анализа проведенных исследований были даны предварительные рекомендации по использованию данных SPOT в картографировании подводных биоценозов, субстратов и морского дна с небольшими уклонами на глубинах 0-10 м в масштабе 1:25 000 и крупнее.

Характеристики орбитальных спутников дистанционного зондирования Земли, использованных при мониторинге и картировании коралловых рифов и шельфовых сообществ морей умеренных широт, приведены в таблице. В эту таблицу не включены характеристики американского спутника Iconos, запущенного в 1999 г., так как мы не нашли данных по диапазонам длин световых волн, по которым он ведет съемку. Однако известно, что оптическая система, установленная на этом спутнике, позволяет получать изображения с максимально возможным на настоящий момент разрешением: в панхроматическом режиме - 1м, в спектрозональном - 4 м, причем в последнем случае съемка производится по 4 отдельным каналам светового диапазона [1].

Данные, получаемые этими спутниками, постоянно задействованы в крупнейших международных программах по мониторингу Мирового океана, таких как EOS (Earth Observation System), GOOS (Global Ocean Observation Systems), WOCE (World Ocean Circulation Experiment), JGOFS (Joint Global Ocean Flux Study), GEWEX (Global Energy Water Cycle Experiment), WEDOS (World Environmental Disaster Observing

Сравнительные характеристики некоторых спутников, используемых для исследования океана

Спектральный диапазон, нм

Орбитальный спутник Синий (400-500) Зеленый (500-600) Красный (600-700) Инфра- красный (700-1800) Разрешение, м

Landsat - 500-600 600-700 700-800 800-1100 80

Thematic Mapper (TM) 450-520 520-600 630-690 760-900 1500-1750 30

SPOT (Pan) Панхроматический 510-730 - 10

SPOT XS - 500-590 610-680 790-890 20

IRS Панхроматический 500-700 - 5,8

IRS-2S Панхроматический 500-700 - 5,8

CZCS 443 520 670 1000

550 750

SeaWiffs 412 510 550 670 765

443 865 1000

490

System). Ежегодно устраиваются симпозиумы в разных странах, где общаются специалисты в области использования спутников для исследования океана в рамках PORSEC (Pacific Ocean Remote Sensing Committee).

Несмотря на последние достижения в области разработок оптических систем для орбитальных спутников, еще не существует спектрометрических приборов, позволяющих с околоземных спутников получать информацию для более детального картирования и разделения различных биологических компонентов бентоса, населяющего мелководную часть шельфа [9]. Для таких исследований должны быть данные как минимум по 17 диапазонам длин световых волн, которые наиболее удовлетворяют требованиям по картированию, в частности коралловых сообществ [5].

Первым возможным решением может стать разработка отдельных взаимосвязанных узкополосных оптических фильтров (рис. 2, A), отрабатывающих исследуемый участок по синей, зеленой или красной зонам спектра в зависимости от це-

Рис. 2. Сканирование района с использованием отдельных узкополосных фильтров по направлению движения спутника

лей сканирования. Однако при такой схеме один и тот же участок одновременно может сканироваться только по одной спектральной зоне. Для этого потребуются относительно небольшие затраты и несложное оборудование. Узкополосные фильтры с шириной охвата 20 нм выпускаются промышленностью и имеются в свободной продаже.

Второе решение также достаточно простое, и к тому же оно устраняет проблему, связанную с невозможностью получения множества отдельных изображений по разным зонам спектра одновременно. В этом случае рабочий диапазон охвата оптического датчика разбивается на отдельные фрагменты, каждый из ко -торых благодаря специальным фильтрам сканирует исследуемый район только по определенным узким полосам спектра. Такой датчик представляет собой комп -лекс фильтров, напоминающий своей конфигурацией фасеточный глаз насекомых (рис. 2, Б). Каждый фильтр формирует одно и то же изображение, только по разным длинам волн спектра. Если предположить, что в качестве датчика будет использоваться прецизионная матрица (CCD) с разрешением 1000x1000 пикселей, то каждая из 16 сцен (по требуемым зонам спектра) одного и того же участка будет покрывать площадь, равную 250x250 пикселей. Если один пиксель приблизительно равен 30 м, то каждая сцена будет охватывать площадь 7,5 км2. Соответственно по направлению движения спутника по 16 отдельным каналам будет сканироваться полоса шириной 7,5 км.

В настоящее время существует разное программное обеспечение для обработки спутниковых изображений, но мы остановимся только на базовых концепциях обработки с помощью двух известных программ «Winbilko (v. 3.1)» и «Erdas Imagine (v. 8.3)». Эти программы позволяют: определять масштаб и координатную привязку объекта; оценивать размер и протяженность структур на изображении и отчленять природные образования от сделанных человеком; определять, какой тип изображения (по спектру) наиболее пригоден для картирования подводных структур, и проводить радиометрическую коррекцию изображений; компенсировать воздействие отражения от поверхности воды и эффект поглощения видимого спектра толщей воды над объектами; составлять точные батиметрические карты мелководий, картировать подводные структуры и классифицировать природные объекты (коралловые массивы, сформированные различными видами кораллов, поля водорослей и т. п.) с определенной степенью достоверности, которая оценивается различными статистическими методами (кластерным анализом, методом главных компонент и др.).

Разберем один из алгоритмов обработки изображений мелководий, занятых коралловыми сообществами, по материалам анализа коралловых рифов Флориды [8]. Для начала выполняют все пункты, указанные выше: распознавание сцен, их координатная привязка, радиометрическая коррекция и выделение отдельных плотностей яркости по зонам спектра - синей, зеленой и красной. Затем проводится кластерный анализ по полученным цифровым данным (по всем трем зонам), который разбивает исследуемый район на отчетливые участки - суша, песчаные отмели, сами рифы и глубинную зону мористее рифов. Анализируются временные тренды (за 10 лет космических наблюдений одного района) по всех трем диапазонам спектра и отмечаются происходящие изменения.

Так, на рифах Флориды отмечены смещение цветовых плотностей из синей в зеленую часть спектра, а также увеличение яркости в зеленой части спектра, что свидетельствует об увеличении покрытия дна зелеными водорослями. Однако уровень значимости таких трендов оказался невысоким и статистически не достоверным. Поэтому применили другой, более чувствительный, показатель изменчивости спектрального излучения рифа - трехмерную текстуру. Этот показатель представ-

ляет собой индекс сходства по трем измерениям множества точек, составляющих картировочную сетку района. Каждая точка оценивается по ее географическому положению (оси X, Y) и спектральному излучению (ось Z). При анализе временного тренда за 10 лет сравниваются текстурные карты района в разные годы и отмечаются происходящие изменения. Такой показатель оказался более достоверным и статистически значимым и показал значительные изменения в структуре рифов, особенно с их мористой стороны (см. 3-ю сторонку обложки). Отчетливая тенденция к уменьшению пятнистости и спектральной разнородности, уменьшение текстуры (по условным единицам) свидетельствуют о деградации коралловых построек и их замещении однородным по текстуре полем зеленых водорослей.

Последние модельные исследования показали, что синяя и зеленая части видимого спектра с пиком на отметке 485 нм проходят через вышележащую толщу воды более эффективно, чем красная часть с большей длиной волны. Однако красная часть спектра наиболее вариабельна. Так как основные изменения на рифе - это замещение коралловых сообществ, дающих излучение преимущественно в желтокоричневом диапазоне, водорослями, излучающими преимущественно в сине-зеленом диапазоне, подобный цветовой сдвиг можно считать индикатором изменений на коралловом рифе. Песчаные подводные равнины и глубинные воды не проявляют значимых изменений в красной части спектра. Полученные результаты показали, что изображения дистанционного зондирования можно использовать для отделения участков с относительно стабильными сообществами от участков с изменениями бентосного состава без точной полевой идентификации. Таким образом, развитие технологий по использованию орбитальных спутников формирует принципы глобального мониторинга коралловых рифов на всей акватории Мирового океана, а также составления тематических карт распределения основных составляющих бентосных сообществ. Для создания более точных алгоритмов дистанционного мониторинга коралловых рифов необходимы измерения in situ оптических характеристик светового излучения и поглощения основных компонентов, составляющих рифы и дно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агапов В.Д. Второй запуск Iconos: полный успех // Новости космонавтики. 1999. № 11 (202). С. 18-19.

2. Дрейк Ч., Имбри Дж., Кнаус Дж., Турекиан К. Океан сам по себе и для нас. М.: Прогресс, 1982. 468 с.

3. Моисеенко А.Е., Лимаренко Т.П. Некоторые результаты использования данных ИСЗ SPOT-1 за два года его эксплуатации // Геодезия, аэросъемка, картография. 1988. Вып. 3. С. 4-8.

4. Ткаченко К. С. Обзор методов и состояние исследований океана из космоса // Сб. науч.-техн. статей по ракетно-космической тематике. Самара, 2001. С. 30-39.

5. Booth C.R., Dustan P. Diver operable multi-wavelength radiometer // Proceedings of the Society of Photo-Optical Instruments Engineers / Eds Field H.P. et al. 1979. Vol. 196. P. 33-39.

6. Bour W. SPOT satellite high resolution applied to coral reef resources assessment in New Caledonia // Umi Mer. 1989. Vol. 27, N 3. P. 142-143.

7. De Vol Olivier Y., Bour W. The structural and thematic mapping of coral reefs using high resolution SPOT data: application to the Tetembia reef (New Caledonia) // Geocarto Inf. 1990. Vol. 5, N 2. P. 27-34.

8. Dustan P., Dobson E., Nelson G. Landsat thematic mapper: detection of shifts in community composition of coral reefs // Conserv. Biol. 2001. Vol. 15. P 892-902.

9. Dustan P., Chakrabarti S., Alling A. Mapping and monitoring the health and vitality of coral reefs from satellite: a biospheric approach // Life Supp. Biosph. Sci. 2000. Vol. 7. P 149-159.

10. Meinesz A., Belsher T., Boudoresque C.F., Lefevre J.R. Premiere evaluation des potentialities du satellite SPOT pour la cartographie des peuplements benthiques superficiels de Mediterranee occidetale // Oceanol. А^я. 1991. Vol. 14, N 3. P. 299-307.