автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Модели и методы оптического дистанционного зондирования нефтяных загрязнений на водной поверхности

. г'"*") /'

(г ' и О - V , ! V _..... V/

& 1 ^ / С ? л

/

/

Московский физико-технический институт (Государственный университет)

На правах рукописи

Щербаков Андрей Анатольевич

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.13.14 - Системы обработки информации и

управления.

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук профессор Кондранин Т.В.

Москва 1999

Оглавление

Введение..........................................................................................4

Глава I. Обзор дистанционных методов обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности...........................................................................10

1.1 Основные физические механизмы формирования нефтяных пленок на водной поверхности...........................................................................10

1.2 Дистанционные методы обнаружения нефтяных загрязнений на водной

поверхности.....................................................................................14

Выводы по главе 1..............................................................................26

Глава И. Определение величины оптических контрастов нефтяных пленок при зондировании водной поверхности из космоса..........................................27

2.1 Модель формирования оптического сигнала в системе " взволнованная водная поверхность - нефтяная пленка - атмосфера"............................................27

2.1.1 Физико-математическая постановка задачи расчета поля восходящего излучения над водной поверхностью в оптическом диапазоне спектра............27

2.1.2 Решение задачи учета влияния атмосферы (атмосферной коррекции).......36

2.2 Метод определения оптических контрастов "нефтяная пленка - водная поверхность".....................................................................................42

2.2.1 Оптико-метеорологическая модель атмосферы и гидрооптические свойства приповерхностного слоя воды...................................................42

2.2.2 Учет взволнованности при расчете отраженного от водной поверхности излучения.........................................................................................50

2.2.3 Расчет выходящего из под воды излучения........................................56

Выводы по главе II.............................................................................60

Глава III. Разработка алгоритма и пакета прикладных программ для расчета поля восходящего излучения в системе " взволнованная поверхность океана - нефтяная пленка -атмосфера"............................................................................61

3.1 Математическая модель поля интенсивности радиации, отраженной атмосферой и подстилающей поверхностью, на входе в приемник излучения.....61

3.2 Алгоритм и описание работы программы..............................................66

3.3 Обоснование и верификация метода расчета..........................................72

Выводы по главе III..............................................................................87

Глава IV. Использование пакета прикладных программ для проведения систематических расчетов величин оптических контрастов "фон - пленка" и анализ, полученных результатов.............................................................88

4.1 Структура и анализ влияния отдельных составляющих восходящего излучения на контраст "нефтяная пленка - водная поверхность"..................................88

4.2 Зависимость контраста от длины волны излучения..................................90

4.3 Влияние на контраст оптических характеристик подстилающей поверхности.......................................................................................95

4.4 Зависимость контраста от геометрии слежения и условий освещенности......98

4.5 Влияние взволнованности на контраст изображения нефтяного пятна ........107

Выводы по главе IV............................................................................113

Заключение.......................................................................................114

Список литературы.............................................................................116

Приложение 1....................................................................................136

Приложение II...................................................................................147

Приложение III...................................................................................148

Введение

Нефть и продукты ее переработки стали за последние 30-35 лет одним из наиболее опасных и серьезных источников загрязнений окружающей среды и особенно Мирового океана [1-22]. По различным оценкам [5,9,13,21] ежегодно в море попадает более 10 млн. т сырой нефти и нефтепродуктов. Площадь водной поверхности, которая испытывает последствия загрязнений, очень велика. Одна тонна разлитого нефтепродукта нарушает естественно протекающие процессы на морской акватории площадью около 2,4 км [12]. Это нарушение носит длительный характер, так как деградация нефтепродуктов в океане идет медленно, особенно при температурах ниже 10°С.

Отрицательные последствия нефтяных загрязнений многообразны [5-11,16]. Пленки нефтепродуктов существенно влияют на физико-химические процессы взаимодействия между атмосферой и океаном. Они уменьшают газовый обмен, подавляют капиллярные волны, ослабляют интенсивность светового излучения, проникающего в толщу океана, что влияет на количество образующегося в процессе фотосинтеза кислорода. Все виды нефти, отличаясь друг от друга по степени ядовитости, активно адсорбируют различные химические вещества и особенно ядохимикаты. В конечном счете, это приводит к росту содержания вредных химических веществ в различных биологических продуктах моря, к сокращению популяции водоплавающих птиц и рыб и т.д.[5,9,15].

В связи с изложенным, актуальной является задача оперативного обнаружения и оценки параметров нефтяных загрязнений океана. Информация о разливах нефти необходима, в частности, для оперативного принятия мер по ограничению объемов разлившейся нефти, локализации и очистке загрязненных районов. Своевременное обнаружение и ликвидация последствий крупных разливов позволят уменьшить ущерб, наносимый окружающей среде. Данные о новых загрязненных районах могут быть также использованы для принятия экономических санкций в случае преднамеренного или непреднамеренного сброса балластных вод. До сих пор, однако, не существует универсального метода дистанционного обнаруже-

ния нефтяных разливов. Наиболее перспективным, в этом смысле, является комплексное использование различных взаимодополняющих методов: так, обнаружение нефтяных пленок целесообразно осуществлять путем поляризационной съемки с борта самолета в УФ и ИК диапазонах, радиолокации, СВЧ-радиометрии; для идентификации типа нефтепродукта и оценки толщины пленки перспективно применение лазеров с целью возбуждения и последующей индикации флуоресценции нефти [38,41,43].

В данной работе на основании расчетно-теоретического исследования изучается возможность повышения эффективности обнаружения разливов нефти при использовании технологий пассивных дистанционных методов зондирования с космических летательных аппаратов (KJIA) в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра, основанных на слежении за одним и тем же участком поверхности океана с различных направлений.

Данная идея возникла в связи с сообщением о предстоящем осуществлении совместного Французско-Японского проекта "POLDER on ADEOS" [103-105]. Основной особенностью проекта является изучение направленных отражательных характеристик различных подстилающих поверхностей и, в частности, - углового распределения восходящего излучения над поверхностью океана в видимом диапазоне спектра. Следует, также, подчеркнуть, что благодаря широкому полю зрения оптической системы (полные углы зрения поперек и вдоль трассы составляют соответственно ±51° и ±43°), угол наблюдения за одним и тем же участком поверхности океана изменяется при пролете над ним.

В настоящей работе в рамках обоснованной и реализованной в виде конкретных алгоритмов и программ физико-математической модели трансформации солнечного излучения в системе: поверхность океана: "нефтяная пленка-безоблачная атмосфера - приемник излучения" в различных спектральных диапазонах видимого и ближнего ИК спектра проведено расчетно - параметрическое исследование зависимости оптического контраста "фон - пленка" от углов наблюдения при различных условиях освещенности, значениях аэрозольной оптической толщины атмосферы, оптических параметров водной среды и параметров волнения. Под оптическим контрастом в данной работе подразумевается отношение модуля разности интенсивности излучения, регистрируемого приемником излучения

при наблюдении чистой поверхности воды либо нефтяной пленки к максимальному из этих двух значений.

Целью диссертационной работы является разработка и программно-алгоритмическая реализация методики определения оптических контрастов "нефтяная пленка - водная поверхность" и исследование на базе разработанного программного обеспечения эффективности обнаружения разливов нефти методом многоуглового пассивного зондирования океана.

Для реализации поставленной цели были сформулированы конкретные задачи исследований, решаемые в диссертационной работе:

■ научно-методическое обоснование и разработка адекватной физико-математической модели формирования спектральной интенсивности восходящего излучения в системе "нефтяная пленка - аэрозольно-молекулярная атмосфера - водная поверхность - входная апертура приемника излучения";

■ разработка и программно-алгоритмическая реализация в виде пакета прикладных программ метода восстановления контрастов "фон - пленка" применительно к спутниковым оптическим системам дистанционного зондирования, сочетающего полноту учета основных механизмов и факторов, формирующих поле восходящей радиации, и возможность проведения оперативных расчетов;

■ расчетно-параметрическое исследование влияния определяющих параметров задачи (спектрального диапазона, геометрии зондирования, условий освещения, состояния атмосферы, взволнованности поверхности, оптических свойств водной толщи) на величину оптического контраста (нефтяная пленка - вода) на входе в приемник излучения;

■ анализ и интерпретация полученных данных и получение конкретных рекомендаций по оптимальным условиям обнаружения нефтяных загрязнений поверхности.

Актуальность диссертационной работы связана:

■ с разработкой и проектированием перспективных космических систем дистанционного контроля за состоянием окружающей среды и необходимостью предварительной отработки адекватных этим системам физи-

ко-математических моделей и соответствующих методик извлечения полезной информации из данных ДЗ;

■ с необходимостью расширения возможностей существующих космических систем дистанционного зондирования для решения нового класса задач контроля состояния мирового океана на основе расширения методического обеспечения зондирующей аппаратуры;

Научная новизна работы заключается в следующем:

■ разработана физико-математическая модель трансформации солнечного излучения в системе "взволнованная поверхность океана - атмосфера -приемник излучения", с учетом граничных условий при наличии на поверхности воды нефтяной пленки;

■ разработан метод расчета оптических контрастов "нефтяная пленка -чистая вода", в котором применен оригинальный способ решения задачи атмосферной коррекции сигнала, учитывающий эффекты многократного рассеяния;

■ проведены систематические расчеты и обнаружены неизвестные ранее особенности зависимости контраста "нефтяная пленка - чистая вода" от определяющих параметров задачи;

■ исследована возможность повышения эффективности обнаружения нефтяных загрязнений водной поверхности при использовании метода многоуглового пассивного ДЗ в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра.

Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается:

■ научно-методическим обоснованием выбора исходных моделей атмосферы и подстилающей поверхности;

■ обоснованием упрощающих предположений при расчете переноса излучения в системе море - атмосфера;

■ тестированием программ, а также удовлетворительным совпадением результатов с расчетами по аналитическим и численным моделям, полученными другими авторами.

Практическая ценность работы подтверждается:

■ разработкой и реализацией в виде пакета прикладных программ метода расчета поля интенсивности излучения в системе атмосфера - нефтяная пленка - взволнованная поверхность океана;

■ обоснованием выбора .оптимальных спектральных диапазонов и направлений слежения в методике дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений океана;

■ патентом № 2109304 на изобретение "Способ обнаружения аномалий морской поверхности" Шалаев B.C., Щербаков A.A., Куренков A.JL, Давыдов В.Ф.

Положения, выносимые на защиту:

■ Научно-методическое обоснование и разработка нового метода расчета поля светового излучения в системе "взволнованная водная поверхность - нефтяная пленка - атмосфера" в оптическом диапазоне электромагнитного спектра, сочетающего полноту учета радиационных свойств атмосферы, взволнованной водной поверхности при наличии нефтяных пленок и прилегающей водной толщи и возможность его реализации на базе простых математических моделей.

■ Алгоритмы и программная реализация метода, позволяющие проводить расчетно-параметрический анализ различных факторов, влияющих на величину оптического сигнала.

■ Результаты систематических расчетов по влиянию на величину оптического контраста "нефтяная пленка - чистая водная поверхность" спектрального состава падающего излучения, геометрии наблюдения, условий освещенности, оптических свойств атмосферы и верхнего приповерхностного слоя воды, условий взволнованности.

■ Рекомендации по обеспечению наилучших условий спутникового наблюдения оптических контрастов "водная поверхность - нефтяная пленка".

■ Способ обнаружения аномалий морской поверхности по регистрации и последующей обработке функции яркости ее изображения в оптическом диапазоне спектра.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Васильков А.П., Кондранин Т.В., Щербаков А.А. Оценка контрастов нефтяных пленок на поверхности океана, наблюдаемых с космических носителей в видимом диапазоне спектра // Исследование Земли из космоса-1995.№ 3, С. 64-72.

2. Vasilkov А.Р., Kondranin T.V., Shcherbakov А.А. Evaluation of Optical Contrasts of Oil Slicks on the Water Surface Being Observed from Space. // In: Proc. of the Third Thematic Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments, Seattle, Wa. Sep. - 1995, vol. 1, pp.423-433.

3. Васильков А.П., Кондранин T.B., Щербаков А.А. Повышение информативности дистанционной диагностики нефтяных загрязнений поверхности моря при ее зондировании под разными углами. // Прикладные задачи МСС и геокосмической физики М: МФТИ - 1996. С. 36-42.

4. Shcherbakov A., Hanssen R., Vosselman G., Feron R.. Ship Wake Detection Using Radon Transforms of Filtered SAR Imagery // European Symposium on Satellite Remote Sensing III, Conference on SAR Image Analysis, Simulation and Modelling II, pp. 96-106. Taormina, Italy, Sept. 1996, Europto.

5. Kondranin Т., Vasilkov A., Shcherbakov A. Remote control of nature waters with use of Space Optoelectronic Systems // In: Proc. Of The International Society of Optical Engineering. Third Conference on Photonic Systems for Ecological Monitoring, pp.13-18. Prague, Czech Republic, 8-12 Dec., 1996.

6. Щербаков А.А. Метод распознавания квазилинейных аномалий по их радиолокационным изображениям // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. М.:МГУЛеса - 1999., вып.302(П), С. 7079.

7. Патент РФ № 2109304 на изобретение "Способ обнаружения аномалий морской поверхности" Шалаев B.C., Щербаков А.А., Куренков A.JL, Давыдов В.Ф. Приоритет изобретения: 15.01.1997.

Глава I

Обзор дистанционных методов обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности

1.1 Основные физические механизмы формирования нефтяных пленок на водной поверхности

Одними из наиболее важных параметров при дистанционном зондировании нефтяных пятен являются размеры загрязнения, а также толщина пленки в различное время после разлива. Остановимся поэтому на данном вопросе более подробно.

Процесс распространения нефти в море сложен и определяется множеством различных факторов, причем его количественные оценки, имеющиеся в ряде работ [23-33], носят в основном качественный характер. В случае разлива некоторого количества нефти вначале наблюдается растекание по поверхности моря под действием силы тяжести (нефть не тонет, т.к. ее плотность меньше плотности воды), затем основную роль начинают играть силы поверхностного натяжения. Задача усложняется тем, что в процессе растекания вследствие испарения и растворения в воде изменяются свойства нефти: плотность и вязкость нефти растут, а суммарное поверхностное натяжение убывает. На определенном этапе поверхностное натяжение меняет знак и растекание прекращается.

Формулы для роста размеров пленки в различных фазах растекания можно получить, приравнивая оценки определяющих членов уравнения движения, [23-33]:

Инерционный режим

Радиус нефтяной пленки - Л сразу после разлива можно определить,

, 1 др

приравнивая величины горизонтального градиента давления (---) и

Ро дг

инерционного члена (и— ): К = Ki(ЛgVt2)1/4 ,

дг

где V - объем разлитой нефти, £ - время после разлива, г - радиальная координата, и- радиальная компонента скорости, р - давление, /?0, ръ - плотности нефти и воды, g - ускорение свободного падения. Характерная величина параметра Л = (рв - ро)/рв — 0.1. К~ константа поряд