Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 3. С. 259-269
Разработка полимодельного комплекса оценивания содержания биогенных взвесей в водных объектах по данным многоспектральной космической съёмки
О.В. Григорьева
1 , Д.В. Жуков
1 , А.В. Марков
1 1 Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, Санкт-Петербург, Россия
Одобрена к печати: 22.04.2022
DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-3-259-269
Рассматривается решение задачи оценивания содержания биогенных взвесей в водных объектах на основе применения искусственных нейронных сетей при обработке данных многоспектральной оптико-электронной космической съёмки. Предложен оригинальный полимодельный комплекс, позволяющий определять наличие и интенсивность примесей в воде по значениям сигналов, зарегистрированных в обоснованно выбранных спектральных каналах съёмочной аппаратуры. Основная особенность комплекса заключается в использовании для обучения нейронной сети полуаналитической модели переноса светового потока в водной среде, которая может адаптивно настраиваться по данным натурных измерений или эмпирическим регрессионным зависимостям, устанавливающим связь между спектрально-яркостными характеристиками водной поверхности и концентрацией хлорофилла а. Совместное применение полуаналитических и регрессионных моделей обеспечивает классификацию многоспектральных изображений водных объектов в условиях априорной неопределённости (при отсутствии обучающих выборок) с одновременной возможностью уточнения получаемых результатов по имеющимся независимым экспериментальным данным.
Ключевые слова: биогенные взвеси, фитопланктон, многоспектральные данные, регрессионные и полуаналитические модели, яркость водной поверхности, искусственная нейронная сеть
Полный текстСписок литературы:
- Адаменко В. Н., Кондратьев К. Я., Поздняков Д. В., Чехин Л. В. Радиационный режим и оптические свойства озер. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 300 с.
- Буренков В. И., Васильков А. П., Шифрин К. С. Оптика океана. Физическая оптика океана. T. 1. М.: Наука, 1983. 371 с.
- Вершинин А. О., Орлова Т. Ю. Токсичные и вредные водоросли в прибрежных водах России // Океанология. 2008. Т. 48. № 4. С. 568–582.
- ГОСТ 17.1.4.02-90. Вода. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла. Межгосударственный стандарт. 1991. 15 с.
- Григорьева О. В., Жуков Д. В., Марков А. В., Мочалов В. Ф. (2016а) Восстановление глубин прибрежных акваторий по данным много- и гиперспектральной съемки // Оптика атмосферы и океана. 2016. T. 29. № 7. С. 553–559. DOI: 10.15372/AOO20160704.
- Григорьева О. В., Жуков Д. В., Марков А. В., Мочалов В. Ф., Николенко А. Н. (2016б) Возможности использования много- и гиперспектральной аппаратуры в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра для классификации мелководной части морей // Тр. Военно-косм. акад. им. А. Ф. Можайского. 2016. Вып. 653. С. 111–116.
- Гринин А. С., Орехов Н. А., Новиков В. Н. Математическое моделирование в экологии. М.: ЮНИТИ-ДАТА, 2003. 269 с.
- Джулай А. А. Сезонная динамика концентрации хлорофилла «а» и поглощения света пигментами фитопланктона в прибрежных водах Севастополя (2009–2010 гг.) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2011. № 25-2. С. 357–369.
- Копелевич О. В., Люцарев С. В., Родионов В. В. Спектральное поглощение света «желтым веществом» океанской воды // Океанология. 1989. Т. 29. № 3. С. 409–414.
- Копелевич О. В., Буренков В. И., Шеберстов С. В. Разработка и использование региональных алгоритмов для расчета биооптических характеристик морей России по данным спутниковых сканеров цвета // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2006. Т. 3. № 2. С. 99–105.
- Копелевич О. В., Салинг И. В., Вазюля С. В., Глуховец Д. И., Шеберстов С. В., Буренков В. И., Каралли П. Г., Юшманова А. В. Биооптические характеристики морей, омывающих берега западной половины России, по данным спутниковых сканеров цвета 1998–2017 гг. М.: ООО «ВАШ ФОРМАТ», 2018. 140 с.
- Левин И. М. Малопараметрические модели первичных оптических характеристик морской воды // Фундаментальная и прикладная геофизика. 2014. Т. 7. № 3. С. 3–22.
- Маньковский В. И. Основы оптики океана: метод. пособие. Севастополь, 1996. 119 с.
- Стельмах Л. В., Мансурова И. М. Многолетняя динамика фитопланктона и концентрации хлорофилла а в поверхностном слое прибрежных вод Черного моря (район Севастополя) // Вопросы современной альгологии. 2020. № 1(22). С. 66–81. DOI: 2311-0147-2020-1(22)-66-81.
- Суслин В. В., Чурилова Т. Я., Сосик Х. М. Региональный алгоритм расчета концентрации хлорофилла а в Черном море по спутниковым данным SeaWiFS // Морской экологич. журн. 2008. № 2. Т. 7. C. 24–42.
- Фефилов Ю. В. Разработка и создание информационной технологии дистанционного определения параметров первичной продуктивности в системах мониторинга океана: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: Московский гос. ин-т электроники и математики, 2003. 17 с.
- Хайкин С. Нейронные сети: полный курс / пер. с англ.; пер. Н. Н. Куссуль, А. Ю. Шелестова. М.: Вильямс, 2008. 1103 с.
- Bricaud A., Morel A., Prieur L. Absorption by dissolved organic matter of the sea yellow substance in the UV and visible domains // Limnology and Oceanography. 1981. V. 26. P. 43–53. DOI: 10.4319/lo.1981.26.1.0043.
- Bricaud A., Babin M., Morel A., Claustre H. Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplankton: Analysis and parameterization // J. Geophysical Research: Atmospheres. 1995. V. 100. No. C7. P. 13321–13332. DOI: 10.1029/95JC00463.
- Carder K. L., Chen F. R., Lee Z. P., Hawes S. K., Kamykowski D. Semi-analytic Moderate-Resolution Imaging Spectrometer algorithms for chlorophyll a and absorption with bio-optical domains based on nitrate-depletion temperatures // J. Geophysical Research: Atmospheres. 1999. V. 104. P. 5403–5422. DOI: 10.1029/1998JC900082.
- Heege T., Fischer J. Mapping of water constituents in Lake Constance using multispectral airborne scanner data and a physically based processing scheme // Canadian J. Remote Sensing. 2004. V. 30(1). P. 77–86. DOI: 10.5589/m03-056.
- Kiselev V., Bulgarelli B. Reflection of light from a rough water surface in numerical methods for solving the radiative transfer equation // J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2004. V. 8. P. 419–435. DOI: 10.1016/S0022-4073(03)00236-X.
- Lee Z., Carder K. L., Hawes S. K., Steward R. G., Peacock T. G., Davis C. O. A model for interpretation of hyperspectral remote-sensing reflectance // Applied Optics. 1994. V. 33. P. 5721–5732. DOI: 10.1364/AO.33.005721.
- Lee Z., Carder K. L., Mobley C. D., Steward R. G., Patch J. S. Hyperspectral remote sensing for shallow waters I. A semianalytical model // Applied Optics. 1998. V. 37. P. 6329–6338. DOI: 10.1364/AO.37.006329.
- Morel A. Optical modeling of the upper ocean in relation to its biogenous matter content (case I waters) // J. Geophysical Research. 1988. V. 93. No. C9. P. 10749–10768. DOI: 10.1029/JC093IC09P10749.