Способ оценки уровня загрязнения акваторий по гиперспектральным данным аэрокосмического зондирования
METHOD FOR EVALUATING LEVEL OF WATER AREA POLLUTION BY HYPERSPECTRAL SPACE SOUNDING

Изобретение относится к способам экологического мониторинга акваторий аэрокосмическими средствами и может найти применение при обнаружении и оценке степени загрязнений водных объектов нефтепродуктами и взвешенными веществами.
Известны способы определения загрязнения акваторий с привлечением морских средств сбора данных и судов экологического контроля [1]. В этих способах используют контактные датчики измерения концентрации различных примесей в воде, в связи с этим они позволяют получать только локальную оценку состояния воды вдоль маршрутов следования с аппроксимацией результатов на всю обследуемую площадь. Такой подход регламентирован "Методическими указаниями по гигиеническому контролю загрязнения морской среды", утв. Минздравом СССР от 17.10.1980 г., №2260-80. Согласно указаниям контроль качества вод акватории портов осуществляется в четырех точках, две из которых расположены на границе акватории, одна - в месте возможной наибольшей концентрации загрязнений (обычно это центральная часть бухты), и одна - в 500 м от выхода из порта.
Недостатками указанных способов являются:
- локальность получаемых оценок загрязнения акватории;
- значительное повышение трудоемкости и низкая оперативность получения результатов экологического обследования акватории за счет увеличения количества точек;
- большая вероятность пропуска мест возможной наибольшей концентрации загрязнений и получения ошибочных результатов экологического обследования.
К альтернативным способам обследования акваторий относится применение аэрокосмических средств сбора данных о состоянии окружающей среды, отличительной особенностью которых является оперативность получения исходной информации и большой пространственный охват.
Известны радиолокационные и лазерные технические средства для дистанционного определения участков распространения пятен нефтепродуктов на водной поверхности.
Способ обнаружения углеводородных сликов на водной поверхности, посредством радиолокационных средств наблюдения (радиолокаторов с синтезированной апертурой), основан на регистрации изменений микрорельефа поверхности морской воды [2]. Известно, что нефтяные пятна могут быть обнаружены на радиолокационных изображениях благодаря воздействию на взволнованную морскую поверхность. Нефтяные пленки под действием поверхностного натяжения создают локальные области ветрового сглаживания, контрастно различимые на снимке по отношению к окружающей их морской поверхности [3]. Однако такие области могут создаваться благодаря ряду других факторов, не связанных с загрязнением акваторий, например, в результате резкого ослабления приповерхностного ветра, цветения водорослей, поверхностного проявления различных атмосферных и океанических процессов [4]. Это может привести к неоднозначности дешифрирования и необходимости дополнительных затрат на верификацию результатов.
Способ лазерного зондирования водной поверхности [5] включает облучение исследуемого участка импульсным оптическим пучком с перестраиваемой в узком спектральном диапазоне длиной волны излучения, регистрацию излучения, отраженного от водной поверхности, определение по данным измерений зависимости мощности отраженного излучения от длины волны и нахождение на основе этой зависимости коэффициента отражения и его второй производной по длине волны. О наличии нефтяной пленки на водной поверхности судят по выполнению одновременно двух соотношений, в которые входят коэффициенты отражения от исследуемой и чистой водной поверхности и вторые производные по длине волны коэффициента отражения от исследуемой и чистой водной поверхности. Отличительной особенностью аналога является возможность обнаруживать тонкие пленки нефтепродуктов (с толщиной от десятых долей до единиц микрометров) с вероятностью правильного обнаружения, близкой к единице. Однако к недостаткам способа можно отнести необходимость генерализации энергии для активного зондирования атмосферы и локальность получаемых результатов оценок, привязанных к трассе распространения луча зондирования.
Наиболее близким по технической сущности аналогом к предлагаемому изобретению является способ [6], который состоит в оценке дальности и интенсивности распространения шлейфов мутности в реках по качественным дешифровочным признакам на космических многоспектральных снимках. В способе ближайшего аналога переход к количественной оценке мутности основан на учете различий в отражательной способности чистой воды и воды, содержащей взвешенные частицы. На первом этапе яркость водной поверхности в разных спектральных зонах многоспектрального снимка космических аппаратов Landsat, SPOT или WordView-2 пересчитывается в коэффициенты рассеянной спектральной отражательной способности. Непосредственно оценка мутности осуществляется по линейной регрессионной зависимости, построенной между значениями спектрального отражения в красном диапазоне спектра и фактическими значениями мутности, полученными по результатам наземной инструментальной съемки.
Недостатками ближайшего аналога являются:
- оперируют понятием мутности воды, что не является прямым определением количества взвеси в объеме воды и отражает только величину рассеивания света на взвешенных частицах;
- определяют показатели мутности, вызванные только минеральными примесями антропогенного происхождения, и не предлагаются способы их выделения на фоне органических примесей и участков мелководья, которые вносят аналогичный вклад в величину спектрального отражения водной поверхности в красном диапазоне спектра, как и взвешенные вещества;
- обработка материалов аэрокосмической съемки производится высококвалифицированными операторами-дешифровщиками;
- не проводятся одновременные измерения характеристик нескольких гидрооптических компонентов воды для получения интегральных оценок состояния акватории под воздействием не только нефтяных пленок, но и других загрязнителей морской среды в виде органических и минеральных примесей.
Задача, решаемая данным изобретением, состоит в количественной оценке уровня (концентрации) взвешенных веществ и толщины пленок нефтепродуктов на основе знания их влияния на величину коэффициента спектральной яркости водной поверхности в нескольких наиболее информативных полосах электромагнитного спектра излучений, в которых регистрирует изображения гиперспектральная аппаратура дистанционного зондирования. Особенность способа заключается в выделении нефтяных пленок и участков внутримассового загрязнения воды минеральными взвесями на фоне других неоднородностей водной поверхности, обусловленных присутствием в воде органических примесей и мелководьем, и в количественном определении содержания взвеси в объеме воды и мощности пленки. Таким образом, проводится одновременное измерение характеристик более двух гидрооптических составляющих водных объектов. Способ относится к области обработки информации и реализован в виде программного комплекса с высокой степенью автоматизации процесса тематической обработки гиперспектральных данных, что обеспечивает оперативность получения информации о существующих загрязнениях акватории даже неквалифицированными операторами. Предлагаемый способ также позволяет дать оценку экологического состояния акватории на основе восстановленных по гиперспектральным данным характеристик загрязнений с учетом того факта, что на поверхности пленок и взвесей адсорбируются другие растворенные в воде вредные токсичные примеси и тяжелые металлы.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи повышения оперативности получения информации об экологическом состоянии акватории.
Технический результат достигается тем, что в способе для определения загрязнителей используются гиперспектральные данные в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, а выделение интересующих областей осуществляется методом иерархий, который заключается в последовательной реализации следующих операций:
- вычисление признаков кластеров водной поверхности, относящихся к мощным пленкам нефтепродуктов с толщиной пленки более 0,2 мм и крупнодисперсной взвеси с концентрацией более 200 мг/л;
- исключение областей чистой воды по интегральному показателю отражения во всем анализируемом диапазоне спектра;
- использование полуаналитического подхода для расчета концентрации взвешенных минеральных веществ и хлорофилла «а» по регрессионным зависимостям в спектральных полосах, соответствующих максимальной вариации значений яркости под воздействием взвеси и поглощению излучения хлорофиллом;
- формирование признакового пространства для выделения тонких пленок нефтепродуктов от участков интенсивного распространения хлорофилла «а» и сегментация участков взвесей на фоне мелководья;
- классификация водной поверхности в созданном признаковом пространстве.
Функциональная схема, реализующая способ, представлена на фиг. 1.
r max
λ
o
ф
o
ф
Выявление мощных нефтяных пятен на водной поверхности в способе основывается на том, что их значения коэффициентов спектральной яркости в интервале 700…1000 нм в несколько раз превышают коэффициенты спектральной яркости других неоднородностей водной поверхности за счет усиленного отражения фракциями нефти в этом диапазоне. В качестве признака для идентификации мощных нефтяных пленок в способе используется значение яркостного контраста анализируемого кластера с фрагментом условно чистой воды на длине волны, соответствующей максимуму значений яркости в интервале спектра λ∈(730…980) нм, где контраст пары "объект-фон" рассчитывается по формуле С=|r-r|/(r-r).
r max
Обнаружение внутримассового загрязнения вод крупнодисперсными взвешенными веществами минерального происхождения с концентрациями выше 200 мг/л производится на основании того, что для таких загрязнений характерным признаком является положение максимума спектральных значений яркости, приходящегося на интервал λ∈(59°-71°) нм. В этой части спектра изменения возвращенного потока излучения от толщи воды, содержащей взвешенные вещества, сильнее, чем в более коротковолновом диапазоне, что связано с эффектом сильного рассеивания света взвесью при увеличении ее концентрации (фиг. 2). В связи с этим, идентификация участков распространения взвесей высоких концентраций в заявленном способе может осуществляться по яркостному контрасту с условно чистой водой в диапазоне 590…710 нм.
Для выявления участков загрязнения акватории тонкими нефтяными пленками и взвесями малых концентраций необходимо осуществить их селектирование от таких неоднородностей водной поверхности, как участки интенсивного развития фитопланктона и мелководья соответственно.
Тонкие нефтяные пленки обладают спектральными характеристикам в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, идентичными участкам высокого содержания флуоресцирующего вещества в виде феопигментов в воде. Учет наличия и исключение этих участков в способе осуществляется через оценку трофности анализируемого фрагмента воды по общему содержанию хлорофилла "а".
Для определения концентрации хлорофилла "а" предусмотрена реализация биооптических алгоритмов с использованием гиперспектральных каналов с максимумом чувствительности 485 и 560 нм. Пигмент в составе фитопланктона, необходимый для фотосинтеза, определяет сильные полосы поглощения в голубой (около 440 нм) и красной (около 675 нм) полосах спектра. При этом минимум поглощения видимой части излучения приходится на волны длиной около 530 нм. То есть с ростом концентрации хлорофилла для водоемов с большим количеством органических примесей наблюдается смещение максимума спектра яркости восходящего излучения в зеленую часть спектра. Это позволяет использовать сильное поглощение излучения феопигментами и связанными материалами при 440 нм и слабое поглощение при 520…570 нм в качестве индикатора содержания хлорофилла «а» в воде и, соответственно, выделения нефтепродуктов и минеральных взвесей на фоне хлорофиллсодержащих примесей. Зависимость между содержанием хлорофилла «а», максимальным значением яркости в зеленой зоне спектра и минимальным значением яркости в районе длины волны 440 нм определяется биооптическим алгоритмом вида:
хл
хл por
где С, С - концентрация хлорофилла "а" в воде и пороговое значение концентрации, соответствующее эфтрофным и мезотрофным водоемам (мг/л);
λ
- биооптический индекс, определяемый как соотношение коэффициента спектральной яркости r в двух узких гиперспектральных каналах.
Отличительной особенностью спектров яркости тонких нефтяных пленок от участков, содержащих высокие концентрации фитопланктона, является также наличие максимума не только в спектральном канале, взятом в диапазоне спектра 550…580 нм, но и 400…450 нм, который соответствует возбуждению люминесцентного свечения нефтяными фракциями в коротковолновой части видимого диапазона спектра за счет интенсивного поглощения ультрафиолета в интервале 363…365 нм (зачастую этот принцип используется в ультрафиолетовой спектроскопии). Поэтому в заявленном способе их соотношение используется как дополнительный признак наличия нефтяной пленки при стремлении его значения к единице (фиг. 3):
Таким образом, чтобы отнести анализируемый участок гиперспектрального изображения к тонкой пленке нефтепродуктов на водной поверхности, необходимо выполнение двух условий:
отношение максимального значения КСЯ в интервале 500…580 нм к значению КСЯ в интервале 400…450 нм должно стремиться к единице,
величина концентрации хлорофилла "а", рассчитанная по зависимости от отношения КСЯ в узких спектральных каналах зеленой части спектра, не должна превышать порогового значения, характерного для эфтрофных и мезотрофных водоемов.
хл
3
Принимается, что если концентрация хлорофилла "а" для анализируемого полигона меньше порогового значения (C<10 мг/м), то исследуемый участок водной поверхности загрязнен тонкой нефтяной пленкой.
Распознавание и классификация участков внутримассового загрязнения воды взвесями с концентрацией менее 200 мг/л в способе основывается на полуаналитическом подходе. Исследования показали наличие корреляционной зависимости между яркостью излучения моря в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах и вариацией содержания взвеси. При диапазоне изменения концентраций минеральной взвеси в пределах от 0 до 1300 мг/л установлено, что в области 450…700 нм наблюдается нелинейная зависимость между указанными параметрами. В результате анализа экспериментальных данных было выяснено, что наибольшее значение корреляции приходится на спектральный диапазон 600…700 нм. В результате может быть получена регрессионная зависимость между ориентировочной концентрацией взвешенных минеральных веществ и средним значением коэффициента яркости на длине волны, соответствующей значению яркости в спектральном интервале 600…700 нм:
,
вв
где С - концентрация минеральных взвесей, мг/л,
ср
r - среднее значение коэффициентов спектральной яркости.
710-790
С целью сегментации классифицированных участков внутримассового загрязнения от зон мелководья в способе анализируется интервал спектра, соответствующий длинам волн от 710 до 790 нм. В этом интервале у мелководья, в отличие от глубоководных участков, наблюдается увеличение значений коэффициентов спектральной яркости за счет отражения потока излучения от дна. Таким образом, если в указанном диапазоне функция спектральных характеристик убывает для какого-либо из анализируемых участков, то такой участок относится к загрязнениям акватории минеральными взвесями. В способе в качестве признака убывания спектральной яркости в рассматриваемом диапазоне выбрана производная функции спектральной сигнатуры r'(λ)<0.
Таким образом, способ позволяет выявить и различить на водной поверхности мощные нефтяные пятна (толщиной более 0,2 мм) и тонкие нефтяные пленки (толщиной менее 0,2 мм), а также определить участки внутримассового загрязнения воды взвесями минерального происхождения. Дополнительными входными данными, обеспечивающими применение заявленного способа, являются спектральные характеристики условно чистой воды.
Отличие заявленного способа оценки уровня загрязнения акваторий по гиперспектральным данным аэрокосмического зондирования от аналогов обеспечивается:
- обнаружением пленок нефтепродуктов и участков внутримассового загрязнения воды взвесями путем определения отражательных характеристик естественного излучения водной поверхностью в нескольких узких спектральных каналах гиперспектральных данных;
- выделением участков загрязнения на фоне органических примесей и участков мелководья;
- выявлением не только контуров загрязнений, но и поэлементное восстановление количественных параметров выявленных токсикантов на основе статистического анализа экспериментальных исследований, подтверждаемых теоретическими закономерностями поглощения и биохимического взаимодействия между биооптическими активными компонентами воды и излучением;
- автоматизацией процесса обработка материалов гиперспектральной аэрокосмической съемок.
В способе рекомендуется в качестве исходных данных использовать гиперспектральные изображения со спектральным разрешением в видимой области спектра не хуже 5 нм, а в ближней инфракрасной - не хуже 10 нм. Это обеспечивает возможность:
определения длины волны, соответствующей максимальному значению спектральной яркости на интервале 590…710 нм, в том числе для определения концентрации минеральных взвесей в интервале 600…700 нм;
определения знака производной спектральной функции, используемой на этапе сегментации участков распространения взвесей малых концентраций среди мелководья, в диапазоне 710…790 нм;
определения локального максимума спектральной кривой в диапазоне 550…580 нм и расчета отношений КСЯ в узких спектральных каналах, принадлежащих голубой и зеленой части спектра, для идентификации тонких пленок нефтепродуктов, а также их селекции от ложных объектов.
Способ реализован в специализированном программном продукте и применен к данным, полученным авиационными и космическими гиперспектральными средствами, обеспечивающими спектральное разрешение 5-10 нм. Таким образом, способ отвечает критерию "промышленная применимость".
На фиг. 4 показан пример обработки гиперспектральных данных заявленным способом.
Способ оценки уровня загрязнения акваторий по гиперспектральным данным аэрокосмического зондирования основан на результатах экспериментальных исследований (проведенных специалистами Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского летно-экспериментальных работ с использованием авиационного гиперспектрометра и наземных спектрометрических исследований) спектральных характеристик загрязненной водной поверхности и подтверждаемых физическими закономерностями формирования отраженного излучения от поверхности воды за счет спектрального ослабления излучения рассматриваемыми примесями.
Используемая литература
1. Гуральник Д.Л. Судовой природоохранный комплекс «Акватория». Новые технологии контроля экологического состояния водных объектов // Экологические системы и приборы. - 2003. - №6. - С. 12-17.
2. Бурчу Озой-Чичек Методы дистанционного зондирования для решения задач на море / «Земля из космоса - наиболее эффективные решения», V международная конференция 29 ноября - 1 декабря 2011 г. Сборник тезисов. - М.: Инженерно-технологический центр СканЭкс.- С. 55-56.
3. В.В. Затягалова, Н.А. Филимонова Космические технологии России: во благо экологии Азово-Черноморского региона / Территория Нефтегаз. - Май (№5). 2009. - С. 12-15.
4. Лаврова О., Митягина М. Спутники помогают бороться с загрязнениями в прибрежной зоне / Наука. Мониторинг российских морей. - Май №5(41). 2009. - С. 1-7.
5. Неконтактный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды, Патент RU №2387977, G01N 21/55 2010 г.
6. Леман В.Н., Чалов С.Р., Книжников А.Ю. Дистанционный мониторинг среды обитания лососевых рыб в районе разработки россыпных месторождений (бассейн р. Вывенки, Камчатский край) / «Земля из космоса - наиболее эффективные решения», V международная конференция 29 ноября - 1 декабря 2011 г. Сборник тезисов. - М.: Инженерно-технологический центр СканЭкс. - С. 127-129.