Исследование возможностей гиперспектральной съемки для мониторинга состояния водных объектов
Исследуются возможности использования данных авиационной гиперспектральной съемки для мониторинга состояния водных объектов (на примере акватории Невской губы). Съемка проводилась с самолета АН-2 с высоты 1000 м при скорости полета 120 км/ч в октябре 2015 г. Высота Солнца составляла около 17 град. В ходе предварительной обработки полученных гиперкубов выполнялся пересчет значений спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) в значения коэффициентов спектральной яркости (КСЯ). В качестве эталонного источника при этом использовались результаты регистрации излучения от белого прорезиненного полотна размером 3м × 3м. Выполнена тематическая обработка гиперспектральных изображений и спектров по акватории Невской губы вблизи защитной дамбы Санкт-Петербурга. Сравнение измеренных спектров и спектров, взятых из литературных источников, показало их удовлетворительное совпадение. Для оценки суммарной концентрации содержания твердой взвеси и фитопланктона в воде использовалось регрессионное выражение, связывающее значения указанной концентрации со средним значением КСЯ в диапазоне 590–710 нм. Точность оценки содержания концентрации взвесей составила порядка 12%. Полученные в работе результаты свидетельствуют о целесообразности осуществления оперативного авиационного мониторинга экологического состояния водных бассейнов. Ключевые слова: гиперспектрометр, спектр, взвесь, фитопланктон, водоем, концентрация, изображение, дамба, экология
Рис. 1. Графики КСЯ в зависимости от величины суммарного содержания твердых взвесей и фитопланктона в воде (в мг/л)
В этой работе также разработаны методы и алгоритмы выявления и количественной оценки суммарных объемов механических взвесей и фитопланктона. В частности, было получено регрессионное выражение для связи среднего значения КСЯср (в процентах) в диапазоне 590–710 нм – с суммарным содержанием взвесей в воде:
Рис. 3. Гиперспектральное RGB-изображение исследуемого участка акватории Невской губы вблизи защитной дамбы Санкт-Петербурга. Красными рамками (1–4) выделены локальные участки на трассе полета самолета, которые были подвергнуты детальному спектральному и интерпретационному анализу
Гиперспектральная съемка акватории Невской губы в районе защитной дамбы проводилась с борта самолета с высоты 1000 м при скорости полета 120 км/ч в ясную погоду 28 октября 2015 года. Среди полученных материалов был выбран массив данных для участка, гиперспектральное RGB-изображение которого показано на рис. 3. К сожалению, в момент съемки высота Солнца над горизонтом была равна 17o и, следовательно, интенсивность падающего солнечного излучения была небольшой. Это создает определенные трудности при обработке и интерпретации результатов измерений, однако оправданием проведения измерений в этот сезон служит то, что экологические катастрофы могут иметь место в любое время. В качестве бортового сенсора использовался гиперспектрометр ВИД – ИК3 (Vinogradov et al., 2016), разработанный и созданный в ЗАО «НПЦ «Реагент». Основные характеристики этого гиперспектрометра приведены в табл. 1. Даже визуальный анализ RGB-снимка (рис. 3) участка акватории, подвергнутого съемке, говорит о том, что поверхностное загрязнение воды пространственно неоднородно: ближе к створу плотины вода сильнее загрязнена взвесями глины и фитопланктона, чем на удалении от него, что, возможно, связано с большей турбулентностью в локальной зоне 1 (рис. 3). Это подтверждается и различием спектров (рис. 4) в локальных зонах 1–4.
Таблица 1. Основные характеристики гиперспектрометра ВИД – ИК3
Рис. 4. Графики КСЯ для четырех локальных зон, показанных на рис. 3
Рис. 5. График зависимости КСЯ от концентраций взвеси, построенный по формуле (1) из (Григорьева, Шилин, 2012) (кружочки), а также квадратики, полученные на основе работы (Farooq, 2011) (см. рис. 1). Средние значения КСЯ: 1 – 19,96; 2 – 18,43; 3 – 16,65; 4 – 14,81
Таблица 2. Значения средних КСЯ и концентраций взвеси в локальных зонах 1–4
Рис. 6. Сравнение графиков КСЯ, полученных в локальной зоне 4 (красный цвет) и в работе (Farooq, 2011) (для концентрации суммарной взвеси 100 мг/л – черный и 87,5 мг/л – зеленый)