Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 1. С. 119-134
Лидарное зондирование пресноводной акватории с высокой концентрацией фитопланктона
В.Н. Леднёв
1 , М.Я. Гришин
1, 2 , С.М. Першин
1 , А.Ф. Бункин
1 , И.А. Капустин
3 , А.А. Мольков
3 , С.А. Ермаков
3, 4 1 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
2 Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный, Россия
3 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
4 Волжская государственная академия водного транспорта, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 12.12.2015
DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-1-119-134
Экспресс-диагностика экологического состояния крупных пресных водоемов особенно актуальна в летний период бурного роста фитопланктона («цветение воды»), что связано как с мониторингом степени влияния данного явления на нарушение природных экосистем, так и контролем качества воды. Наряду с контактными методами исследований в последние годы все более востребованными становятся методы дистанционного зондирования с различных носителей (авиа, спутники и т.д.). В частности, привлекают все большее внимание методы лазерного дистанционного зондирования, что связано как с совершенствованием лазерного оборудования, так и с бурным развитием технологий беспилотных авианосителей. В работе представлены результаты лазерного дистанционного зондирования южной части Горьковского водохранилища с высокой концентрацией водорослей. С помощью компактного лидара комбинационного рассеяния зарегистрированы спектры обратного рассеяния в приповерхностном слое воды с борта судна вдоль траектории зондирования акватории. Продемонстрированы возможности лазерного зондирования для экспресс-диагностики изменения видового состава водорослей. Проведено картирование акватории по распределению лидарных сигналов упругого и комбинационного рассеяния одновременно с флуоресценцией водорослей, а также данных калиброванного STD-зонда, погруженного на глубину 0,3 м. Проведено сравнение и выявлена хорошая корреляция данных лазерного зондирования и контактных измерений концентрации водорослей. Результаты работы открывают перспективы для создания лидарных систем, устанавливаемых на беспилотные авианосители, для мониторинга акваторий в автоматическом режиме.
Ключевые слова: лидар, лазерное дистанционное зондирование, экологический мониторинг пресноводных акваторий, эвтрофирование водоёмов, мультисенсорные измерения
Полный текстСписок литературы:
- Ермаков С.А., Капустин И.А., Лазарева Т.Н., Сергиевская И.А., Андриянова Н.В. О возможностях радиолокационной диагностики зон эвтрофирования водоемов // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49. № 3. С. 336–343.
- Лаврова О.Ю., Костяной А.Г., Лебедев С.А., Митягина М.И., Гинзбург А.И., Шеремет Н.А. Комплексный спутниковый мониторинг морей России. М.: ИКИ РАН, 2011. 470 с.
- Митягина М.И., Лаврова О.Ю. Особенности проявления на спутниковых радиолокационных изображениях корабельных следов в областях интенсивного цветения фитопланктона // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. № 3. С. 73–87.
- Першин С.М., Бункин А.Ф. «Скачок» центра и ширины огибающей спектральной полосы КР валентных колебаний О-Н при фазовых переходах первого и второго рода в воде // Оптика и спектроскопия. 1998. Т. 85. С. 209–212.
- Anderson D.M., Cembella A.D., Hallegraeff G.M. Progress in understanding harmful algal blooms: paradigm shifts and new technologies for research, monitoring, and management // Annual review of marine science. 2012. Vol. 4. P. 143–176.
- Babichenko S., Kaitala S., Leeben A., Poryvkina L., Seppälä J. Phytoplankton pigments and dissolved organic matter distribution in the Gulf of Riga // J. Mar. Syst. 1999. Vol. 23. P. 69–82.
- Barbini R., Colao F., Fantoni R., Fiorani L., Palucci A. Lidar fluorosensor calibration of the SeaWiFS chlorophyll algorithm in the Ross Sea // International Journal of Remote Sensing. 2003. Vol. 24. No. 16. P. 3205–3218.
- Barbini R., Colao F., Fantoni R., Fiorani L., Palucci A., Artamonov E.S., Galli M. Remotely sensed primary production in the western Ross Sea: results of in situ tuned models // Antarctic Science. 2003. Vol. 15. No. 01. P. 77–84.
- Barbini R., Colao F., Fantoni R., Palucci A., Ribezzo S. Differential lidar fluorosensor system used for phytoplankton bloom and seawater quality monitoring in Antarctica // Int. J. Remote Sens. 2001. Vol. 22 P. 369–384.
- Becucci M., Cavalieri S., Eramo R., Fini L., Materazzi M. Raman spectroscopy for water temperature sensing // Laser Physics. 1999. Vol. 9. P. 422–425.
- Brown C.E., Fingas M.F. Review of the development of laser fluorosensors for oil spill application // Marine pollution bulletin. 2003. Vol. 47. No. 9. P. 477–484.
- Bunkin A.F., Klinkov V.K., Lednev V.N., Lushnikov D.L., Marchenko A.V., Morozov E.G., Pershin S.M., Yulmetov R.N. Remote sensing of seawater and drifting ice in Svalbard fjords by compact Raman lidar // Applied optics. 2012. Vol. 51. No. 22. P. 5477–5485.
- Bunkin A.F., Bunkin A., Voliak K.I. Laser remote sensing of the ocean: methods and applications // Wiley-Interscience. 2001. Vol. 5. P. 150–195.
- Chekalyuk A.M., Demidov A.A., Fadeev V.V., Lapshenkova T.V. Lidar mapping of phytoplankton and organic matter distributions in the Baltic Sea // Laser Spectroscopy of Biomolecules: 4th International Conference on Laser Applications in Life Sciences. 1993. P. 401–405.
- Dolenko T.A., Fadeev V.V., Gerdova I.V., Dolenko S.A., Reuter R. Fluorescence diagnostics of oil pollution in coastal marine waters by use of artificial neural networks // Appl. Opt. 2002. Vol. 41. No. 24. P. 5155–5166.
- Dolin L.S., Luchinin A.G. Water-scattered signal to compensate for the rough sea surface effect on bottom lidar imaging // Applied Optics. 2008. Vol. 47. No. 36. P. 6871–6878.
- Ermakov S.A., Kapustin I.A., Lazareva T.N. Ship wake signatures in radar/optical images of the sea surface: observations and physical mechanisms // Proc. of SPIE. 2014. Vol. 9240, 92400N.
- Fadeev V.V., Maslov D.V., Matorin D.N., Reuter R., Zavyalova T.I. Some peculiarities of fluorescence diagnostics of phytoplankton in coastal waters of the Black Sea // Available at: http//las.Phys.uni-oldenburg.de/eProceedings/Vol01. 2000. Vol. 1. No. 01. P. 1.
- Fadeev V.V., Sysoev N.N., Fadeeva I.V., Dolenko S.A., and Dolenko T.A. On the potentiality of using the fluorescence of humic substances for the determination of hydrological structures in coastal sea waters and in inland water basins // Oceanology. 2012. Vol. 52. No. 4. P. 566–575.
- Hallegraeff G.M. A review of harmful algal blooms and their apparent global increase // Phycologia. 1993. Vol. 32. No. 2. P. 79–99.
- Hoge F.E., Swift R.N. Airborne simultaneous spectroscopic detection of laser-induced water Raman backscatter and fluorescence from chlorophyll a and other naturally occurring pigments // Applied Optics. 1981. Vol. 20. No. 18. P. 3197–3205.
- Leonard D.A., Caputo B., Hoge F.E. Remote sensing of subsurface water temperature by Raman scattering // Applied Optics. 1979. Vol. 18. No. 11. P. 1732–1745.
- Luchinin A.G. Light pulse propagation along the path: atmosphere – rough surface – sea water // Applied Optics. 2010. Vol. 49. No. 28. P.5059–5066.
- Measures R.M. Laser remote sensing: fundamentals and applications. Krieger, 1992. 524 P.
- Pershin S.M., Lednev V.N., Klinkov V.K., Yulmetov R.N., Bunkin A.F. Ice thickness measurements by Raman scattering // Optics Letters. 2014. Vol. 39, P. 2573–2575.
- Pershin S.M., Bunkin A.F., Klinkov V.K., Lednev V.N., Lushnikov D., Morozov E.G., Yul’metov R.N. Remote sensing of Arctic Fjords by Raman lidar: heat transfer screening by layer of glacier’s relict water // Physics of Wave Phenomena. 2012. Vol. 20. No. 3. P. 212–222.
- Pershin S.M., Bunkin A.F., Luk'yanchenko V.A. Evolution of the spectral component of ice in the OH band of water at temperatures from 13 to 99 C // Quantum Electronics. 2010. Vol. 40. No.12. P. 1146.
- Raimondi V., Cecchi G. Lidar Field Experiment for Monitoring Sea Water Column Temperature // EARSEL Advances in Remote Sensing. 1995. Vol. 3. P. 84-89.
- Richardson L.L. Remote sensing of algal bloom dynamics // BioScience. 1996. P. 492–501.
- Rull F., Vegas A., Sansano A., Sobron P. Analysis of arctic ices by remote Raman spectroscopy // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2011. Vol. 80. No. 1. P. 148–155.
- Seppälä J., Ylöstalo P., Kaitala S., Hällfors S., Raateoja M., Maunula P. Ship-of-opportunity based phycocyanin fluorescence monitoring of the filamentous cyanobacteria bloom dynamics in the Baltic Sea // Estuar. Coast. Shelf Sci. 2007. Vol. 73. P. 489–500.
- Soloviev A.V., Lukas R. Observation of large diurnal warming events in the near-surface layer of the western equatorial Pacific warm pool // Deep-Sea Research. 1997. Vol. 44. P. 1055–1076.