автореферат диссертации по геодезии, 05.24.02, диссертация на тему:Разработка метода анализа данных дистанционных измерений для моделирования параметров морских экологических систем

ьосковсиий ордена ленина инстиш иншшэв геодезии

аэрозотоснши и каиограш

На правах рукописи

ШЮНОВ АЛЕКСЕЙ ВСЕВОЛОДОВ«

удк 528.77:518.5-661.3

разработка шода анализа данных дотанщоншк измерений для ' ьодещовашя парашюв шршх экологических систй»

05.24.02 Аэрокосикчаекнэ съемки, фотогра^етр ия, фототопография

А вц? ореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЬссЕга - 13Ш

Работа выполнена б Московском ордена Ленина институте инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии и в Морском гидрофизическом институте АН УССР.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

СЛАДКОПЕВЦЕВ С. А. Научный консультант - академик АН. УССР БЕЛЯЕВ В. И.

Официальные оппоненты - доктор технических каук, профессор ВАСМУТ А. С. , МИИГАиК - кандидат географических наук ЕАНКШИН Г. II. , Главцентр "Океан", ВНКРО

Ведущая организация - Институт биологии южных морей им. Ковалевского АН УССР, г.Севастополь. ГЛ , Защита диссертации состоится ".Ар" л//'. 1990г. в 1^-часоЕ на заседании специализированного совета К 063.01.02 в Московском ордена Ленина институте инжнеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии по адресу: 103065,Москва, Н-64, Гороховский пер. , 4, МИИГАиК, ауд. ЗЩ.

С диссертацией можно ознакомиться в йиблиотеке института.

Г"-!

Автореферат разослан " ^_1090 г.

Ученый секретарь 1

специализированного совета

(РАС!

НРАСНОПЕВЦЕВ Ь.В.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.темы. Одной из основных проблем физической океанографии является изучение физических сесйств больших океанических акваторий, огромные размеры которых >-:е позволяют оперативно контролировать их состояние контактными методами традиционной океанографии. Поэгс?>г/ е последнее время бодьсо-'* развитие получают ыатодк дистанционного зондирования (ДЗ) океана, основанные на измерении энергии электромагнитного излучения, испускаемого или отражаемого морской поверхностью и водной толщей, причем из всех видов электромагнитного излучения, лишь видимый свет проникает вглубь океана. Большой об-ьем информации, получаемый приборам ДЗ накладывает мееткие ограничения на время ее обработки и сложность используемых при этом алгоритмов. Поэтому для использования данных ДЗ океана с цель» определения биооптического состояния водных масс и использования этой информации в моделях морских экологических систем (ЮС) актуальной является проблема создания несло.таой и достаточно простой методики анализа данных ДЗ океана в видимом диапазоне "(ВД) спектра, реализованной на баз'е существующего измерительного и вычислительного аппаратного обеспечения. Разрабатываемая методика должна эффективно репзгь задачи оперативного контроля за состоянием и развитием биологических объектов как в открытом океане, так и в прибрекной зоне, наиболее сильно подиртанной антропогенному влиянию. Кроме того, накопленная х'Лзр'хгц'Ля должна эффективно анализироваться и сохраняться а язиболее удобной для последующего использования Зсрме. Зто предопределяет необходимость применения современной вычксл^т^льчой и' информационной техники и технологии при создании л эксплуатации автоматизированной информационно-измерите ль ной системы (АИИС), реализующей разработанную методику ДЗ.

Основная цель работы - созданйе методики обработки данных ДЗ поверхности океана в видимом диапазоне спектра, позволяющей восстановить оптико- биологические параметры верхнэ-го слоя океана; реализация этой методига в виде автоматизированной информационна-измерительной системы; получение и .анализ данных дистанционного- зондирования в водах различных

типов.

Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач:

- статистический анализ спектральных характеристик потока восходящего излучения системы океан-атмосфера и исследование его изменчивости в различных природных зонах океана;

- обоснование мажшараметрического представления спектрального коэффициента яркости (СКЯ) восходящего излучения водной толщи и использования в качестве параметров цветовых характеристик восходящего излучения (доминирующей длины волны и чистоты цвета);

- разработка программно-математического обеспечения автоматизированной информационно-измерительной системы 'сбора, обработки, хранения и последующего использования данных ДЗ океана в ВД спектра;

- сбор и обработка данных натурных измерений цветовых параметров водной тодда и определение связей с биологическими характеристиками (биомасса и численность фитопланктона); в прибрежных Ьодах и районач открытого океана;

- восстановление . полей биологических характеристик, анализ щ. сезонной - изменчивости и сопоставление с данными контакиад ;;з.\:зренкй;

-.ррггнизацкя технического обеспечения зкеперименталь-ншс'иссхггований на научно-исследовательских судах (НИС) и садалэяе-гаЗораторга и анализ их результатов.

Обнядза кссдздозажй избрана подсистема сбора и обработки данах да скгаз с первого и второго уровней, которая является составной частью единой системы дистанцконньЕ ксс-ледовгкй с;сгана.. ' • -

Научная новизна. , Швш в выполненных теоретико-зкспери- ' кзяталышх исследованиях является слвдукцэе:

- исследование изменчивости СКЯ вод различных оптических типов и обоснование допустимости их шлопараметрического представления.

- применение интегральных цветовых параметров (доминирующая длина юлкы и чистота цвета) для описаннд спектракь-

. кого состава босходящэго излучения верхнего слоя океана.

j

- разработка комплекса программ сбора, обработки и хранения данных ДЗ океана для персонального компьютера (ПК) типа IBM PC.

- способ определения численности клеток и биомассы фитопланктона по цветовым параметрам океана. ,

- создание на базе ПК банка дистанционных оптических данных для акватории Атлантического океана. •

На защиту выносятся

- теоретические и методические принципы использования дистанционно определяемых цветовых параметров восходявдэго излучения океана для определения величин биомассы, численности клеток и концентрации пигментов фитопланктона в верхнем фотосинтетически-активном слое океана

- методика автоматизированного сбора, обработки и хранения данных ДЗ океана в видимом диапазоне спектра, реализованная в действукшэй АИИС.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. В результате исследований разработана методика сбора, обработки, хранения и последувд&го использования данных ДЗ океана в БД спектра, позволяюящ экспрессно определять биологические параметры (биомассу, численность фитопланктона, суммарную концентрацию пигментов) по цветовым хараотеристи-кам восходящего излучения ' водной толщи (доминирующая(длина волны, чистота цвета). Эта методика применялась во время экспедиционных исследований в 37, 40 и 41 рейсах НИС "Академик Вернадский" МГИ АН УССР и в ряде: летных экспедиций на самолетах-лабораториях Ан-30 и ЙЛ18Д0РР. Применение методики позволило установить новые взаимосвязи между цветовыми пара-метрами водной тола?« и биологическими характеристиками верхнего слоя океана, резко поднять, производительность труда при проведении измерений, ускорило обработку и анализ полученных данных, повысило качество представляемой информации.

Результаты диссертации внедрены в.практику научных исследований лаборатории дистанционных оптических методов отдела оптики и биофизики «оря Мэрского • гидрофизического института АН УССР. '

Апробация работа. Основные положения работы и реэультз-

ты исследований доложены и обсуждены на совещании специалистов социалистических стран по обсуждению результатов экспериментов "Черное море - Интеркосмос'83,84" (Ялта, февраль, 1985 г.); X Пленуме Рабочей Группы по оптике океана (Ростов-на-Дону, октябрь, 1988); 43-й и 44-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых ШИГАиК (Ыэсква, 1988,1989); 6-м Всесоюзном совещании-семинаре по спуткгеоБой гидрофизике (Севастополь, апрель, 1389); Советско-Американском семинаре по проблемам дистанционного зондирования океана (Бостон, США, сентябрь 1989); семинарах отдела оптики и биофизики моря Шрского гидрофизческого института АН УССР (1985-1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения,, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работу содержит 156 страниц, 6 таблиц, 65 рисунков и 1 приложение. Список литературы включает 83 'наименования, в том' числе 2? на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении определено общее состоянйе проблемы, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и основные задачи.

В первой главе рассматриваются закономерности формирования потока восходяшэго излучения верхнего слоя океана, представлявшего особый интерес для дистанционных исследований, поскольку именно спектральный состав этого излучения содержит информацию о количестве и составе взвешенных и растворенных в морской воде веществ, определявших ее оптические свойства Это позволяет ставить и решать задачу определения, с помощью методов ДЗ важных параметров верхнего слоя океана и использования значений этих параметров как входных в ШЗС. Данные ДЗ в оптическом диапазоне могут найти применение в моделях верхнего фотосинтетически-активного слоя океана для расчета первичной продукции, биомассы и численности фитопланктона. Объективное исчерпывающее описание спектральных'свойств выходящего из моря излучения дает его колориметрический анализ и представление результатов в коор-

динатах какой-либо из колориметрических систем, рекомендованных Международной комиссией по освещению (ICE) - это может бьггь система' XYZ, или система LPQ. Для описания цвета моря удобнее использовать вторую систему, т. к координаты цветности в системе XYZ непосредственно не связаны с характеризующими цветность субъективными параметрами: цветовым тоном и насыщенностью. Этим субъективным параметрам примерно соответствуют объективные параметры: доммниругазя длина волны (ДДВ) и чистота цвета восходящего излучения.

Большой объем данных, получаемый датчиками ДЗ, требует разработки такого метода их анализа, который позволял бы уменьшать объем потока данных не теряя при этом его информативности. Дяя оценки того, насколько возможно сжать поток данных, поступающий со спектральных приборов при исследовании восходящего излучения океана, был проведен анализ экспериментально полученных массивов СКЯ поверхности океана и водной толщи по методу ортогональных эмпирических функций. Спектры яркости морской поверхности измерялись во время шести рейсов ШС "Академик Вернадский" и "Михаил Ломоносов" а различных районах Атлантического океана (сведения об анализируемых данных приведены в таблице 1). СКЯ анализировались для каждой выборки отдельно. Для перехода от СКЯ морской поверхности к СКЯ водной толщи вычислялась доля отраженного от поверхности воды излучения. При этом учитывалось состояние водной поверхности, т.е. коэффициент отражения поверхности зависел от распределения элементарных отражающих площадок по Коксу и Манку. • На рис. 1а приведены средние СКЯ для всех анализируемых выборок экспериментальных ,данных. Ш их форме. видно, что они получены в водах всех оптических типов, - от чистых вод открытого океана (кривые 5,6) до прибрежных (4). На рис." 16 приведены среднеквадратичные отклонения (CKD) СКЯ; иллюстрирующие их иаменчиворть внутри соответствующих выборок. Характерно, что они неплохо воспроизводят ход соответствующих средних СКЯ. Гак, например,''близкое (по спектру) расположение максимумов кривых на рисунках 1 и 2 указывает на то, что наиболе.е развитая часть спектра является, как правило, и наиболее динамичной.

Таблица 1

ОЭпря характеристика объема и состава данных

N 1 Район измерений Запад Тропической Атлантики Сезон Год Рейс количество измерений координаты района работ Условия измерений ( баллы ) море т небо

весна 1986 46 "М. Л. " 46 19сш,2бзд--ОЗсш, 55зд. 0-2 | 0-2 1 1 I

2 Восток Тропической Атлантики лето 1986 4? "М. Л " 56 12са,16зд--01ш,33зд. 2-5 ! 3-10 ! 1

3 Запад Тропической Атлантики лето 198? 36 "А. В. " 84 13сш,34зд--01 юш, 55зд. 0-3 I 0-10 ! ■ 1 __________1__________

4 Запад Тропической Атлантики осень 1988 37 "А. К " 216 13сш,28зд-01 юш, 55а д. 0-4 0-10

S Атлантика севзрнее экватора осень 1989 40 "А. В. " 131 68сш,10вд-01ш,б8зд. 0-6 0-10

б Запад Тропической Атлантики весна 1990 41 "А. Е " 146 15сш,30зд-02ш,60ад. 0-4 0-10

Примечание: "М. Л " - НИС "Мдагаил Ломоносов"

"А. В." - ШС "Академик Вернадский"

Таблица 2.

Погрешности восстановления биологических параметров по дистанционным оптическим характеристикам

Вычисляемые биологические параметра фитопланктона Оптические характеристики ДЦВ (Чистота цвета ¡Весовой ф.1 СВ

интег 252 >ВЗДЫ ПС 50% >грешос 25% тей вс 502 зсстано! 25% аления 50%

Конц. питы. Биоиасса Численность 44 47 44 63 68 65 54 52 45 79 75 62 52 49 41 77 72. 58

Будем рассматривать СКЯ как Зб-мерный вектор, задаваемый значениям! СКЯ на п=35 длинах воли (от 400 до 750 ни с тагом 10 нм). Тогда разложение ;)-ой реализации спектра Кз по собственному вектору (СБ) Е1 имеет вин: п

НЗ = + Т А (1)

¡=1

где <Н> - средний по выборке спектр, А:) - нагрузка на 1-й собственный вектор в з-й реализации СКЯ.

Известно, что собственные значения нормированной матрицы ковариации XI дат средний квадрат нагрузки на ¡-й СВ. в выборке, состоящей из N спектров: 1 N 2

XI = — (А13) (2)

N

Если, начиная с рекоторого в все собственные значения с номерами з>т малы, то это означает, что в рассматриваемой системе векторов эффективно задействованы только т степеней свободы. Во всех случаях первый СВ описывает не менее '84% изменчивости СКЯ, первые два СВ - 95Х, первые три СВ- более 982. Таким образом, количество степеней свободы, заложенных • в СКЯ как морской поверхности, гак и еодной толщи, не превышает (на уровне погрешности измерений) трех, а для'некоторых задач мехе? полагаться рзеным 2 и.ги дахе 1 - в зависимости от требуемой точности. Для всех выборок характерно неплохое качественное воспроизведение СВ. Первые СВ хорошо коррелируют с соответствующий СКО СКЯ, этот Факт указывает на то, что СКЯ в значительной степени изменяются как целое, т. е. в самом первом приближении однопараметричны. Таким образом, анализ СКЯ и поверхности океана, и водной толщи свидетельствует о правомерности представления всей спектральной информации о потоке восходящего излучения океана малым числом параметров.

Для решения проблемы восстановления биологических характеристик верхнего слоя океанских вод, необходимо использовать такие дистанционно определяемые параметры, которые слабо изменяются при переходе .границы раздела вода-воздух,

Рис. 4а Средние спектры кеэ<г$кц8ен?8 яркости годной ?олз»

fite. iö. Среднеквадратичные отклонения спектров

яркости годней тслж 1-45-й; Й-4'''-?. рейс НУ.'; "М. Л. "; с - 3

-й; 4 - oV-K; 5 - 40-Й; 5 - 41-Й рейс HJÎ." "А. Е. "

вследствие чего мокно либо пренебречь этим изменением, либо легко учесть его и считать параметр, относящийся к поверхности океана, параметром, относящимся к толпе воды. Для исследования изменчивости дистанционных оптических параметров на границе раздела сред были выбраны следующие три.величины: 1) наиболее часто используемый при дистанционном зондировании океана с ИСЗ параметр, называемый "индекс цвета" (отношение сигналов на двух длинах волн, обычно 540 и 450 нм); 2) интегральный параметр спектра восходящего излучения, широко используемый в оптике океана - эффективная длина волны излучения; 3) параметр, описывакщий видимый цвет океана - ДДВ. Анализ измеренных значений показал, что наименьшей изменчивости при переходе границы раздела года-воздух подвержена ДЦВ восходящего излучения. Это позволяет принять регистрируемую ДДВ излучения поверхности океана в качестве характеристики видимого цвета водной толгци

Известно, что спектральное распределение -поля яркости восходясрго излучения системы океан-атмосфера определяется, в основном, процессом аэрозольного ослабления излучения в атмосфере и может быть рассчитано путем решения уравнения Переноса излучения, если известны оптические параметры аэрозоля и его вертикальная структура Однако, для реального поля яркости системы океан-атмосфера эти параметры неизвестны. Поэтому более определенные выводы о влиянии ахиосфзры на спектральный состав еосходяе^го иалучеяия модно получить на основе инструментальных измерений спектров яркости восзгода-лэго излучения, прибора!,!«, установленными на борту самолета-лаборатории. Такие измерзши была выполнены над ак^гтори-. ей Черного ькзря с зькот от 0.2 до 6.5 км (дгяпга .натурных измерений любезно предоставлены Е. И. Лфонгаым). ОбЕрй закономерностью изменения спектрального состава восходящего излучения с увеличением высоты наблвденгД является как возрастание абсолетных значений яркости, так к значительное увеличение яркости в коротковолновой области спектра, обусловленное рассеянием атмосферной дымкой. йзмепоцие видимого цвета поверхности норя к содержания монохроматической глмзояенты з сб!£м потоке восходящего излучения, связанное с увеличением

высоты визирования, удалось аппроксимировать гиперболой второго порядка вида Ц1ч)=А+8/П+С/(Г}*М, где Ь(Ь) - ДДВ на высоте Ь; А, В, С - константы. Коэффициенты корреляции мезду данными измерений и аппроксимациями равны 0. 986 и 0.976 соответственно (п=18).

Для оценки точности восстановления цветовых параметров воды определим насколько точно можно восстановить СКЯ поверхности и толши воды (по которым определяются интегральные цветовые параметры) по ограниченному набору параметров. Для этого воспользуемся полученными ранее СВ матрицы ковариации и оценим погрешности восстановления всего спектра при использовании одного, двух и трех первых СВ Введем величину V , где С! - погрешность аппроксимации, 5- априорная неопределенность СКЯ (характеризуемая СКО спектров - рис.2). Параметр V описывает меру эффективности, или к. п. д. используемой аппроксимации и удобен Для сопоставления величины погрешности в различных спектральных интервалах. Использование одного первого СВ обеспечивает №«1.5 для диапазона длин волн от 400 до- 420 нм, W=3 для области от 450 до 500 нм, и V =2 для интервала от 520 до550 нм. Привлечение второго СВ улучшает положение практически по всему спектру, доводя значения V/ до 3-5, за исключением интервала от 450 до 500нм, где улучшения не наступает, фи совместном использовании трех-первых СВ ситуация в этой области спектра выправляется - V достигает 5 -10 во всем интервале длин волн от 400 до 750 нм. Отметим, что погрешность на уровне 0.1% соизмерима с погрешностью измерения СКЯ Рис. За,б, в «дшострирует спект-. ральной ход среднеквадратичной погрешности восстановления СКЯ морской поверхности для всех выборок при использовании первого, первого и второго и.трех первых СВ. Таким образом, выяснилось, что с точностью,, находящейся на уровне погрешностей измерения, можно восстанавливать форму СКЯ, используя малое число оптических параметров: от одного до трех, в. зависимости от требуемой точности.

Во второй рлаве описывается разработанная автоматизированная информационно-измерительная система для сбора, обработки и хранения данных дистанционного зондирования океана в

Рис. 26.

е. Ев. Спектральный з ход ^средн^квадра^ичнрй. погрешности «становления СКЯ при использовании 1-го,. 2-х и 3-х СБ. юь абсцисс-длина волны, нм-, ось'ординат -погрешность, 2). • •

видимом диапазоне спектра, реализованная на базе ПК типа IBM PC. Основными компонентами АЛИС принято считать несколько взаимодействующих подсистем: взаимодействия с потребителями информации, анализа данных, систему сбора данных, аппаратура и программное обеспечение обработки данных. Разработанная АИЙС содержит в себе все указанные подсистемы. Система предназначена для работы на НИС самолетах-лабаратиях, океанографических платформах. АЛИС эксплуатировалась в 37, 40 и 41 экспедициях НИС "Академик Вернадский" и в ряде летных экспедиций на борту самолетов-лабораторий Ан-30 (МГИ АН УССР) и Ил-18-ДОРР (СевРыбПоиск). Подсистема сбора данных АИИС состоит из двух бдогаж измерительных датчиков и интерфейсов. В качестве первых применятся различные существующие епекгро-фотометрические приборы, имеющие на выходе датчика сигналы интенсивности излучения и соответствующей длины волны спектра Б конкретной реализации АИКС обслуживает четыре приборных комплекса- . телефотометры видимого диапазона с непрерывной разверткой по спэкту СПРУТ-2м и СПРУТ-3, сканирующий'-телефотометр с. автоматическим управлением СПЕКТР-2 и поляризационный акустооптический спектрофотометр ТРАССЕР. Для ввода данных в ПК- е реальном масштабе времени черев стандартный асинхронный адаптер RS-232C применяется специальный универсальный блок связи, в который входят, два модуля: адс-лтер ин-. терфейса RS-232C и адаптер измерительного датчика. Уеняя-плату адаптера измерительного датчика мояно вводить в ПК ин-, -формацию от различных-измерительных приборов или от накопи-' телей -информации автономных измерительных приборов. В ка-; честве основы АШ!0 была выбрана методиа сбора, - обработки и хранения донных дистанционного оптического зондирования1,пол-' костью устраняющая ручную рутинную работу, позволяемая хранить данные в едином формате и на едином носителе. При этом информация накапливается и хранится в виде банка данных, что •еупэственно упросээт и ускоряет ее обработку и анализ. Еиро-кое распространение 1ВМ-еовиэстишх IK позволяет унифицировать формат (совместимый с MS-DOS) и тип носителя (кагкетньге дискеты) для сбора и хракеикя данных. Кроме того, наличие-у всех ИК унифицированного адаптера КЗ- 2S2 позволяет при орга-

низации комплексных международных и междуведомственных экспедиций доставлять к месту проведения измерений только датчики, используя для сбора и хранения данных ПК организатора эксперимента.

При вводе данных измерений поток данных, содержаний информацию о длине волны и интенсивности излучения, поступает с измерительного прибора и вводится в реальном масштабе времени в ПК. Данные накапливаются в буфере связи и по мэре его заполнения записываются на магнитный диск (жесткий или гибкий), либо на виртуальный диск, сформированный в оперативной памяти. Сопроводительная информация о каждом наборе данных вводится оператором перед началом записи. Дату и вре-' мя измерений АШС регистрирует автоматически. После записи серии измерений производится предварительная обработка и тематический анализ полученной информация.

Программно-математическое обеспечение АШС сформировано в виде пакета прикладных программ (ППП) для ПК, работающего под управлением операционной системы 1^-003 версии 2.00 и выше. ППП обеспечивает полный набор операций для приема дачных, формирования выходных файлов результатов измерений, обработки их, получения конечной информации в виде файлов, таблиц, графиков и карт, создает и использует базу данных, содержаэую полученную информацию. Пакет состоит из нескольких частей, поддерживающих работу с различными приборами, и оОвэго блока, обеспечивающего работу по созданию и использованию базы данных и статистической обработке информации. Работа пакета начинается с программ ввода данных. Основное назначение этих программ - прием данных, поступающих от различных приборов, переформатирование их из скмзольной форда .в десятичную, Армирование и запись в .файл выходного потока данных. Одновременно с файлом данных формируется информационный файл, содержащий сведения о месте (географические координаты), времени (начала и окончания записи), условиях (волнение моря, облачность, углы визирования, диапазон чувствительности фотоприемника, и т. п.) измерений. Во время ра-. боты имеется возможность визуального контроля измеряемых спектров в числовом либо в графическом виде на экране ПК.

После ввода спектров и записи файлов производится первичная обработка измеренных спектров. При этом происходит фильтрация сбойных значений, сглаживание и -приведение измеренных спектров к стандартным длинам волн, запись сглаженных спектров у. сопроводительной информации к там в файл. На экран ПК выводятся все сведения об обрабатываемом спектре и его графическое изобрамение после каждого этапа фильтрации и сглаживания. На рис. За приведено изображение исходной записи, а на рис. 36 - сглаженного и очинённого ст шумов сг«ктра готового для дальнейшей обработки. Работа заканчивается записью файла, содержащего служебную информацию о спектре и значения спектральной яркости. Тематическая обработка информации состоит в вычислении СКЯ карской поверхности и всдной толщи, рассчете цветовых- параметров воды и биологических характеристик, формировании базы данных. Для пользования баасй данных' в-,достав ПШ входят сервисные программы. Одна из них позволяет получить и распечатать сводную отчетную таблицу ' данных эксперимента, содержащую Бее основные расчитанные оптические и цветовые параметры воды и сопутствующую служебную информацию;.другая программа позволяет сформировать выборку любого расчитанного параметра, и записать файл, содержаний этот параметр и географические координаты точек измерений. Формат файла совместим с различными прикладными пакетами, что позволяет непосредственно использовать его для построения карт, графиков, проведения статистических расчетов и т. д. ПИП укомплектован программами статистической обработки СКЯ, позволяющими провести анализ информации по методу ортогональных эмпирических фунгазя.

Применение АЖС позволило резко поднять производительность научного труда в условиях экспедиции, дало возможность провести полную обработку ЕСех измеренных данных в реальном масштабе временя и обеспечить высококачественный и быстрый анализ, а также весьма наглядное графическое представление полученных результатов. Система показала высокую надежность и гибкость при работе в различных конфигурациях. С ее помощью был получен и проанализирован большой объем экспериментальных данных о водах Атлантического океана. Практика

кодах развертки; ось У - яркость в кодах прк-мникз;.

Рис. 36. Сглаженный спектр яркости морской поверхности;" лри-. веденный к стандартным длинам волн (ось »длина волны в нм; ось У - яркость в кодах приемника).

------- - - 18 -

применения АШС показала правильность заложенных в систему концепций и удобство в эксплуатации.

В третьей главе приводятся результаты натурных измерений, полученные с помощью разработанной ЛШС в различных районах океана. Одной из важных задач ДЗ океанских вод в ВД спектра является разработка надежных экспрессных методов оценки показателей биопродуктивкости планктонных полей океана к прогнозирование на этой основе состояния морских экологических систем. Большой интерес представляет также исследование сезонной изменчивости и динамики, движения водных масс в прибрежных районах, зонах речного выноса, эстуариях крупных рек. ' Эти исследования становятся возможными при использовании цветовых параметров воды в качестве • регистрируемого и картируемого признака, поскольку все оптические типы вод хорошо различаются по цветовому тону. Наибольшее влияние на1 цвет океанских вод оказывает Скопления в водной толще различных популяций■фитопланктона и терригенная взвесь. Пигменты фитопланктона является индикатором его биомассы, которая; используется как один из входных параметров в моделях морс-? ких экосистем, поскольку описывает первичное звено пищевой цепи взаимодействия с высшими трофическими уровнями. Одним из методов определения биомассы фитопланктона является рас-, чет ее по концентрации хлорофилла, при этом связь между эти-; ми величинами неустойчива главным образом из-за трудоем-; кости и неточности определения биомассы в морских условиях. -Погрешность определения биомассы фитопланктона по значению концентрации зеленого пигмента достигает- 300%. Появившийся в последнее время метод определения биомассы фитопланктона по данным проточной цятофлуориыетрии дает гораздо более Точные результаты,.но требует сложного дорогостоящего оборудования. Поэтому необходим экспрессный метод оценки численности и биомассы клеток фитопланктона по цветовым характеристикам вод-'ной тащи, разработанный, на основе синхронных: измерений спегггров яркости восходящего излучения в ВД, концентрации пигментов, численности и размерного состава морского фитопланктона, измеренных с помощью.метода проточной цитофлуори-метрии. Для разработки такого метода в различных районах Ат-

лаятического океана с помощью разработанной АИИС были проведены натурные измерения указанных величин. (Измерения биологических параметров проводились сотрудниками Института биологии южных морей. Данные цитофлуометрии любезно предоставлены кандидатом биологических каук 0. А. ¡Пневым.). Анализируемый массив данных схватывает весь диапгдон изменчивости оптичесютх характеристик океанссих вод. Это иллюстрируется рис. 4, где показано семейство спектров коэффициента яркости водной толки, измеренных в водах различных типов. Хорошо прослеживается связь коэффициентов яркости в диапазоне длин волн от 400 до 550 нм и значений общей концентрации пигментов (хлорофилл "а" и феофитин "а"). Большой объем дан--ных, позволил провести регрессионный анализ для выявления связей между цветовыми параметрами восходящего излучения, биомассой, концентраций пигментов фитопланктона и его численностью. Получены уравнения регрессии, связыЕаюшие дцв излучения водной толщи с общей концентрацией пигментов, биомассой и численностью клеток фитопланктона. Следует отметить высокие значения коэффициентов корреляции между этими величинами (г=0. 86; 0.75; 0.71 соответственно). Чистота цвета (насыщенность цветового тона) водной толши также хорошо коррелирует с этими биологическими характеристиками (г=0. 84; 0.73; 0.75). Как показал анализ СКЯ по методу ортогональных эмпирических функций, изменчивость спектров, наиболее заметная в коротковолновой области, описывается первым СВ, весовой фактор которого охватывает более 84Х вариаций СКЯ. Поэтому представляет интерес изучение связей этого фактора с биологическими параметрами, на основе которых можно судить о его возможной физической интерпретации. Полученные значения коэффициентов корреляции между указанными величинами подтверждают существование такой связи (г=0.83; 0.85; 0.83).

Для оценки погрешности восстановления биологических параметров воды по оптическим характеристикам были построены выборочные одномерные гистограммы распределения погрешностей для рассматриваемых величин. В таблице 2 приведена относительная частота попаданий в Z в 25Х и 50% интервалы погрешностей величин биологических параметров, востаяовленных по

Рис. '4. Изменчивость спектрального коэффициента яркости

4 ......—'-вддюцигдлдщ—ь-гаысишст1ц«г~к-знце1и;рац1111-пигшн:

тов фитопланктона. (Ось* X - ; логарифм общей кон цент»' рации пигментов фитопланктона_ Мг/куб. м; ось Y -длина волны излучения, нм; ось Z - величина коэффициента яркости,2).

оптическим характеристикам. Максимальные погрешности восстановления биологических параметров по любой из оптических характеристик в единичных случаях достигают 300%. Исследование зависимости величины погрешности восстановления биологических параметров от значения исходных оптических характеристик показало, что она не зависит от значен^ исходной оптической характеристики и равномерно рассеяна по всему диапазону изменчивости последней. Была проведена проверка полученных регрессионных связей по независимым массивам измерений спектров коэффициента яркости моря и концентрации пигментов хлорофилла "а" и феофитина "а", прозодивиихся в экспедиции 41-го рейса НИС "Академик Вернадский". Эти измерения выполнены в прибрежных районах западной части Тропической Атлантики, прилегающих к району выноса а)(азонских вод, в районах открытого океана и вблизи о. Барбадос; т. е. измерениями был охвачен весь диапазон оптических типов океанских вод. )5ля оценки качества восстановления значений- концентрации пигментов сравнивались измеренные значения и величины, рассчитанные по установленным ранее зависимостям. Проверка показала, что расчетные значения концентрация пигментов в большинстве случаев укладывайся в границы погрешностей расчетов и измерения. Это свидетельствует об универсальности полученных связей и применимости их для -оценки биологических характеристик поверхностных вод различных районов Атлантического океана. Анализ гистограммы распределения погрешностей восстановления бжиассы фитопланктона, рассчитанной по ДЦВ, показал, что рггзр?деление погрешностей восстановления близко к нормально -логарифмическому закону, максимум распределения смежен з отрицательную область (примерно на 25%). Это смесэ-нке максимума гистограмм попадает в диапазон погрешностей расчета биомассы ^фитопланктона.' Таким образом, предложение уравнения, связывающие биомассу с оптическими характеристиками, вполне применимы для экспрессной оценки величины биомассы фитопланктона в водах Атлантики. Очевидно, что найденные регрессионные связи нуждаются в дальнейшем совершенствовании, однако и в предложенном виде они пригодны для использования в мапопараметрических моделях экспрессной оценки би-

алогических параметров океанских вод по дистанционным оптическим измерениям.

В приложении содержатся карты пространственного распределения биомассы фитопланктона и общей концентрации пигментов фитопланктона, составленные для различных сезонов года по данным дистанционных оптических измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные автором теоретико-экспериментальные исследования дали следующие основные результаты:

1. Исследование изменчивости СКЯ ¿оеходяа&го излучения морской поверхности и водной толщи показало возможность его малопараметрического представления и использования для этого цветовых параметров воды.

2. 1-азработан метод анализа данных дистанционных измерений спектральной яркости восходящего излучения системы океан-атмосфера с борта научно -исследовательских судов к самолета-лаборатории.

3. Разработана и создана автоматизированная информационно-измерительной система для ДЗ в БД спектра.

4. Разработано и ■ создано программно-математическое обеспечение работы автоматизированной системы для сбора, обработки и хранения данных ДЗ океана для персонального компьютера типа IBM PC.

5. йакоплеи к проанализирован массив экспериментальных дачных о восходящем излучении верхнего слоя океана в видимом диапазоне спектра в'различных районах открытого океана, у побережья к зонах речного выноса в Атлантическом океане.

6. Установлены cbssk между, дистанционно определяемыми, цветовыми параметрами (ДДВ, чистота цвета излучения) и биологически«; 'характеристками-(биомасса, Численность фитопланктона, концентрация пигментов) в водах различных оптических типов (от CASE 1 до CASE 3).

7. Изучена сезонная и' пространственная изменчивость полей фитопланктона в западной части Тропической Атлантики.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

- 23 -

1. Мишонов A.B. Использование аэрофотосъемки для определения содержания хлорофилла и первичной продукции. - В с5. Дистанционное зондирование моря с учетом атмосферы. Ред. В. А. Урденко, Г. Циммерман. Вып. ИКК АН ГДР1, Моеква-Еерлин-Сэ-вастсггаль, 1985 г., т. 1. , с. 119-124.

Макарова Н. И , Колежук ¡1 В. , Мноонсг; А. В. Хсг.ользс-вание чзрсфотосъемки для определения содержания хлорофилла и первичной продукции в северо-западной части -¡ерксго мсрп. Деп. Е ВИНИТИ: 13g5 Г., N бУ03-Е85Деп. , 12 с.

3. Макарова Н. П. , Паршиков С. В., Мизонсв А. В. О возможности применения многозональной аэросъемки для исследования биополей в Черном море. - В сб. Материалы совещания специа-, листсг социалистических стран по обсуждению результатов экспериментов "Черное море-Интеркосмос' 83,64". Ялта 4-10 февраля 1985 г. Деп. в ВИНИТИ, N 8915-В86. , с. 38-44.

4. Мишонов А. В. , Кравцов Г. Л Исследование цпетсных параметров вод Тропической Атлантики. - В сб. X Пленум по сг.-тике океана. Ростов-на-Дону, окт. 1988. Тезисы докладов. Л изд. ГОИН им. С. И. Вавилова 1988. , с. 165. ■ ■

5. Мишонов А. В , Кравцов Г. Л Выбор входного параметра для построения моделей морских экосистем использованием материалов космической съемки. - В сб. Труди 43 конф. мол. ученых ШИТ АПК. Я 19S8. Деп в ОПНЙР ЦРЖАиК: 1989 г., N 373-ГД89, с. 79-85.

6. Мишонов А. В., Игнатов А. М. Статистические характеристики спектрального коэффициента яркости морской поверхности. В сб. Исследование океана дистанционными методами: Труды б Всесоюзного совещания-семинара по спутниковой гидрофизике. Севастополь, 3-8 алр. 1S89. Мэрск. гздрофиз. кн-т АН УССР. Севастополь, 1989. Деп. в ВИНИТИ: 9.10.89г. N 6176-В89, с. 18-31.

7. Игнатов А. М., Мишонов А. В. Изменчивость коэффициента спектральной яркости вод Западной части Тропической Атлантики. В сб. Гидрофизические исследования в 37 рейсе НИС "Академик Вернадский", ч. 2. Гидрофизика Тропической Атлантики. /Ред. Булгаков Н. Е / МГИ АН-УССР. Севастополь. 1990. Деп. в ВИНИТИ 19. 06.90. М 3491-BSQ, с. 181-194.

а. Владимиров В Л , Шшюнов А. В., Мартынов О. В , Кравцов Г.Л, Урденко В.А. Автоматизированная информационно-измерительная система сбора и обработки данных дистанционного зондирования морской поверхности в видимом диапазоне спектра с борта научно-исследовательского судна. В сб. Гидрофизические исследования в 3? рейсе НИС "Академик Вернадский", ч. 2., Гидрофизика Тропической Атлантики. /Ред. Булгаков ЕЕ/ МГЦ АН УССР. Севастополь. 1990. Дбп. в ВИНИТИ 10. Об. 90. N 3491-В90, с. 195-20?.

"9. Капустина Н. А., Мишонов А. В. Программное обеспечение ввода информации измерительных датчиков в персональный компьютер. В сб. Интерфейсные средства систем автоматизации гидрофизических исследований. МГИ АН УССР, Севастополь, 1990,' 67 с. Деп. в ВИНИТИ 01.08.90. N 4412 -В90, с. 58-66.

1д. Владимиров Е Л., Ыишонов А. В. Банк данных эксперимента. "Черное море-Интеркосмос-84". В сб. Исследование океана дистанционными методами: Труды 6 Всесоюзного совета-' ния~ееминара по спутниковой гидрофизике. Севастополь, 3-8 апр. 1989. Морск. гидрофиз. ин-т АН УССР. Севастополь, 1989. Деп. в ВИНИТИ N 6176-В89, с. 213-214.

Подп. к печа*и 19.П.90г.зак.445 кпл МИИГАиК тир.100