Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 5. С. 273-284
О проявлениях биогенных плёнок на спутниковых мультиспектральных изображениях эвтрофированного водоёма
О.А. Даниличева
1 , С.А. Ермаков
1, 2 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
2 Волжский государственный университет водного транспорта, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 14.10.2023
DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-5-273-284
Выполнен анализ имеющихся данных спутниковых мультиспектральных наблюдений эвтрофированного водоёма на примере Горьковского вдхр., в частности в ближнем (NIR — англ. near infrared) и коротковолновом (SWIR — англ. short wave infrared) инфракрасном диапазонах, в областях интенсивного цветения фитопланктона, а также в разливах поверхностно-активных веществ (ПАВ) на водной поверхности. Для анализа использовались данные, полученные с помощью Sentinel 2 MSI (англ. Multispectral Instrument), а также сопутствующие подспутниковые наблюдения. Проанализированы спектральные контрасты для плёнок различной природы и толщины в видимом и NIR/SWIR диапазонах. Показано, что биогенные плёнки на поверхности воды в областях интенсивного цветения фитопланктона могут быть достаточно толстыми и проявляться в виде областей плотной «корки», которые характеризуются значительными контрастами на изображениях в NIR- и SWIR диапазонах. Тонкие биогенные плёнки, которые можно рассматривать как квазимономолекулярные, слабо проявляются в SWIR диапазоне подобно мономолекулярным плёнкам ПАВ, чьи контрасты во всех диапазонах близки к 1. В NIR-диапазоне контрасты тонких биогенных плёнок более существенны и близки к значениям для немономолекулярных (перенасыщенных) плёнок ПАВ, при этом контрасты последних, в отличие от тонких биогенных плёнок, значительны и в SWIR диапазоне. Указанные особенности мультиспектральных изображений биогенных плёнок могут быть использованы в качестве дополнительной информации, например при решении задач дистанционной диагностики плёнок, в том числе с использованием микроволновых радиолокаторов.
Ключевые слова: биогенные плёнки, плёнки ПАВ, спутниковые изображения, мультиспектральные данные, Sentinel 2
Полный текстСписок литературы:
- Даниличева О. А., Ермаков С. А., Капустин И. А., Ермошкин А. В., Лазарева Т. Н., Лещев Г. В., Доброхотова Д. В., Сергиевская И. А. Проявление зон интенсивного цветения фитопланктона в радиолокационных сигналах при зондировании внутренних водоемов // Тр. 7-й Всерос. науч. конф. «Проблемы экологии Волжского бассейна». Нижний Новгород, 2022. Вып. 5. 4 с.
- Ермаков С. А. Влияние пленок на динамику гравитационно-капиллярных волн. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2010. 164 с.
- Калинина О. Ю., Сапожников Ф. В. Результаты исследования обрастания микроводорослями пластикового мусора // Окружающая среда и энерговедение. 2019. № 4. С. 46–53. DOI: 10.5281/zenodo.3662774.
- Мольков А. А., Капустин И. А., Ермошкин А. В., Ермаков С. А. Дистанционные методы определения толщины плёнок нефти и нефтепродуктов на морской поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 3. С. 9–27. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-3-9-27.
- Alpers W., Hühnerfuss H. The damping of ocean waves by surface films: A new look at an old problem // J. Geophysical Research: Oceans. 1989. V. 94. No. C5. P. 6251–6265. DOI: 10.1029/JC094iC05p06251.
- Alpers W., Holt B., Zeng K. Oil spill detection by imaging radars: Challenges and pitfalls // Remote Sensing of Environment. 2017. V. 201. P. 133–147. DOI: 10.1016/j.rse.2017.09.002.
- Ermakov S. A., Kijashko S. V. Laboratory study of the damping of parametric ripples due to surfactant films // Marine Surface Films: Chemical Characteristics, Influence on Air-Sea Interactions and Remote Sensing. Berlin; Heidelberg: Springer, 2006. P. 113–128. DOI: 10.1007/3-540-33271-5_12.
- Ermakov S. A., Kapustin I. A., Lazareva T. N., Sergievskaya I. A., Andriyanova N. V. On the possibilities of radar probing of eutrophication zones in water reservoirs // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2013. V. 49. P. 307–314. DOI: 10.1134/S0001433813030055.
- Ermakov S. A., Sergievskaya I. A., Da Silva J. C. et al. Remote sensing of organic films on the water surface using dual co-polarized ship-based X-/C-/S-band radar and TerraSAR-X // Remote Sensing. 2018. V. 10. No. 7. Article 1097. DOI: 10.3390/rs10071097.
- Fingas M., Brown C. Review of oil spill remote sensing // Marine Pollution Bull. 2014. V. 83. No. 1. P. 9–23. DOI: 10.1016/j.marpolbul.2014.03.059.
- Gade M., Alpers W., Hühnerfuss H., Masuko H., Kobayashi T. Imaging of biogenic and anthropogenic ocean surface films by the multifrequency/multipolarization SIR‐C/X‐SAR // J. Geophysical Research: Oceans. 1998. V. 103. No. C9. P. 18851–18866. DOI: 10.1029/97JC01915.
- Gade M., Hühnerfuss H., Korenowski G. Marine Surface Films: Chemical Characteristics, Influence on Air-Sea Interactions, and Remote Sensing. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2006. 341 p. DOI: 10.1007/3-540-33271-5.
- Gilerson A. A., Gitelson A. A., Zhou J. et al. Algorithms for remote estimation of chlorophyll-a in coastal and inland waters using red and near infrared bands // Optics Express. 2010. V. 18. No. 23. P. 24109–24125. DOI: 10.1364/OE.18.024109.
- Gitelson A. A. Nature of the peak near 700-nm on the radiance spectra and its application for remote estimation of phytoplankton pigments in inland waters // 8th Meeting on Optical Engineering in Israel: Optical Engineering and Remote Sensing. 1993. V. 1971. P. 170–179. DOI: 10.1117/12.150992.
- Hu C. A novel ocean color index to detect floating algae in the global oceans // Remote Sensing of Environment. 2009. V. 113. No. 10. P. 2118–2129. DOI: 10.1016/j.rse.2009.05.012.
- Hu C. Hyperspectral reflectance spectra of floating matters derived from Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean (HICO) observations // Earth System Science Data. 2022. V. 14. No. 3. P. 1183–1192. DOI: 10.5194/essd-14-1183-2022.
- Hühnerfuss H., Lange P., Walter W. Wave damping by monomolecular surface films and their chemical structure. Part II: Variation of the hydrophilic part of the film molecules including natural substances // J. Marine Research. 1984. V. 42. No. 3. P. 737–759.
- Kram M., Laverman L. System and method for optical detection of petroleum and other products in an environment. Patent US 7227139. Reg. 05.06.2007.
- Lin I. I., Alpers W., Liu W. T. First evidence for the detection of natural surface films by the QuikSCAT scatterometer // Geophysical Research Letters. 2003. V. 30. No. 13. Article 1713. DOI: 10.1029/2003GL017415.
- Molkov A. A., Fedorov S. V., Pelevin V. V., Korchemkina E. N. Regional models for high-resolution retrieval of chlorophyll a and TSM concentrations in the Gorky Reservoir by Sentinel 2 imagery // Remote Sensing. 2019. V. 11. No. 10. Article 1215. DOI: 10.3390/rs11101215.
- O’Reilly J. E., Maritorena S., O’Brien M. C., Siegel D. A., Toole D., Menzies D., Smith R. C., Mueller J. L., Mitchell B. G., Kahru M. et al. SeaWiFS Postlaunch Calibration and Validation Analyses // NASA Technical Memorandum. Greenbelt, Maryland: NASA Goddard Space Flight Center. 2000. V. 11. Pt. 3. Ch. 2. P. 9–23.
- Qi L., Wang M., Hu C., Holt B. On the capacity of Sentinel 1 synthetic aperture radar in detecting floating macroalgae and other floating matters // Remote Sensing of Environment. 2022. V. 280. Article 113188. DOI: 10.1016/j.rse.2022.113188.
- Rajendran S., Sadooni F. N., Al-Kuwari H. A. S. et al. Monitoring oil spill in Norilsk, Russia using satellite data // Scientific Reports. 2021. V. 11. No. 1. Article 3817. DOI: 10.1038/s41598-021-83260-7.
- Scott J. C., Thomas N. H. Sea surface slicks-surface chemistry and hydrodynamics in radar remote sensing / Inst. Mathematics and its Applications Conf. Sers. Oxford; Clarendon, 1999. V. 69. P. 221–230.
- Smith I., Stanton T., Law A. Plastic habitats: Algal biofilms on photic and aphotic plastics // J. Hazardous Materials Letters. 2021. V. 2. Article 100038. DOI: 10.1016/j.hazl.2021.100038.
- Zettler E. R., Mincer T. J., Amaral-Zettler L. A. Life in the “plastisphere”: microbial communities on plastic marine debris // Environmental Science and Technology. 2013. V. 47. No. 13. P. 7137–7146. DOI: 10.1021/es401288x.
- Zhao J., Temimi M., Ghedira H., Hu C. Exploring the potential of optical remote sensing for oil spill detection in shallow coastal waters-a case study in the Arabian Gulf // Optics Express. 2014. V. 22. No. 11. P. 13755–13772. DOI: 10.1364/OE.22.013755.