Математическое и программное обеспечение информационной технологии дистанционного определения параметров первичной биопродуктивности

Ю.В. Фефилов (fefilov@ncmc.ru)

Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт экономики, информации и автоматизированных систем управления рыбного

хозяйства (ФГУП ВНИЭРХ )

Введение

Значительная роль фитопланктона, как показателя биопродуктивности акватории, связана с тем, что он является: первым звеном в морской пищевой цепи, кормовой базой для личиночных и ювенальных рыб, косвенным дешифровочным признаком крупно- и среднемасштабной океанической циркуляции (фронтальных зон, течений, вихревых образований, апвеллингов и др.) [1]. Достоверная оценка первичной продукции в морской воде необходима для более полного понимания и контроля экологических и социально-экономических факторов, связанных с рыбной ловлей и освоением морских пищевых ресурсов. Определение концентрации хлорофилла а , растворённого органического вещества и взвесей в морской воде может производиться с помощью как контактных, так и дистанционных методов с использованием спутниковых оптических спектрометров.

Естественно, что использование единых для всего океана алгоритмов может приводить к определенным погрешностям для акваторий, которые по своим условиям отличаются от среднеокеанических. Поэтому одна из задач обработки спутниковых данных состоит в разработке региональных алгоритмов, которые обладали бы более высокой точностью по сравнению со стандартными.

В настоящее время функционирует более десяти спутниковых сканеров цвета, производящих дистанционное определение концентрации хлорофилла а в морской воде, в то же время, существующее программное обеспечение для обработки этих данных представляет собой, как правило, отдельные программы созданные пользователями таких данных. Исключение представляет собой пакет SeaDAS для обработки данных спутникового сканера SeaWiFS, который в целом удовлетворяет запросам пользователя обрабатывающего данные SeaWiFS с использованием стандартных алгоритмов. В то же время, если предполагается использование региональных алгоритмов, когда производится независимая обработка большого объёма данных, или возникает вопрос совместимости

выходных данных, обработанных другими программами, появляется необходимость реализации ряда некоторых дополнительных возможностей.

Целью работы является разработка программного обеспечения новой информационной технологии восстановления первичной продуктивности океана по спутниковым данным. Программное обеспечение должно повышать эффективность обработки данных спутниковых видеоспектрометров и достоверность результатов обработки для их последующей интеграции в отраслевую систему мониторинга (ОСМ) Госкомрыболовства России.

Решаемые задачи: математическая и программная реализация региональных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла а , создание программного комплекса для реализации технологии обработки спутниковых данных.

Работа выполнялась при поддержке гранта INTAS - INFO - 00 - 598.

Биооптические алгоритмы

Существующие методы определения содержания в воде оптически активных компонентов по измеренному спектру коэффициента яркости (или диффузного отражения) можно разделить на две группы: эмпирические (или полуэмпирические) и аналитические. В эмпирических методах отношение или разность коэффициента яркости на двух длинах волн статистически связывается с концентрацией того или иного компонента. Работоспособность эмпирических методов в первую очередь определяется репрезентативностью выборки экспериментальных данных, на основе которых строятся регрессионные соотношения. Аналитические методы используют для связи между спектром и концентрацией оптически активных компонентов соотношения теории переноса излучения и модели оптических свойств воды.

На практике для обработки спутниковых изображений применяются эмпирические (регрессионные) методы. Идея использования отношения яркостей восходящего излучения на двух длинах волн Х1 и Х2 соответствующих максимуму и минимуму спектра поглощения фитопланктона, принадлежит работе [2]. Один из первых эмпирических алгоритмов определения концентрации хлорофилла (а точнее суммы концентраций хлорофилла и феофитина (Cchl+Cph) по отношению коэффициентов диффузного отражения r12=R(k])/R(k2) при 1=440 нм и 2=560 нм приведён в работах [3, 4]. Регрессионный анализ показал, что имеет место линейное соотношение

lg CChl = lg A - B lg Г12

Коэффициенты A и B зависят от типа вод.

S12

рол) eл) 12 еол) e(Л2)

Учитывая, что параметр Q (Q-5 - коэффициент пропорциональности между коэффициентом яркости и коэффициентом диффузного отражения) слабо зависит от Л и отношение освещённостей Е(Л1)/Е(Л2) для Л1=440 нм, Л2=550 нм также близко к единице (равно отношению солнечных постоянных 1.05), можно считать, что r12 = S12

=р(Л1)/р(Л2).

Некоторые из существующих регрессионных алгоритмов приводятся в таблице 1, где Lwn - нормализованные значения исходящего излучения, Rrs - коэффициенты диффузного отражения.

Стандартный алгоритм SeaWiFS в настоящее время выглядит следующим образом

2 , D3

+ а

4 >

R (490)

где R lg--- - соотношения коэффициентов диффузного отражения для длин волн

Rrs (555)

490 и 555 нанометров. Значения коэффициентов а следующие: а=0.341; а;=-3.001; а2=2.811; аз=-2.041; а¥=-0.040;

При разработке региональнгх алгоритмов производился анализ соотношений R35 и R45, после чего для соотношения, для которого зависимость была наилучшей, методом наименьших квадратов подбирались коэффициенты а^.

Регрессионные алгоритмы, как правило, применимы в диапазоне концентраций хлорофилла 0.02-20 мг/м3. В то же время исключение данных с высоким коэффициентом диффузного отражения R (такие данные характерны для вод 2-го типа) существенно повышает точность регрессии [5].

В настоящее время получено довольно много регрессионных соотношений, в которых используются как отношение коэффициентов диффузного отражения r12, так и отношения яркостей восходящего излучения для двух длин волн

Б(М р(Л) Е(Л) 12 В(Л) р(Л) Е(Л,)

где р(Л) коэффициенты яркости восходящего излучения. Эти две величины связаны простым соотношением:

р(Л) E(Л) б(Л) e(Л)

о 0.2 -J

-0.16 -0.12

-0.24 -0.2 -0.16 -0.12 -0.08 -0.04

lg R35

-0.08 -0.04 0

lg R45

0.04 0.08

Рис. 1 Зависимость между концентрацией хлорофилла и соотношением яркостей нормализованного восходящего излучения в двух спектральных каналах 490 и 555нм (рисунок слева) и 510 и 555нм (рисунок справа) для Охотского моря

Cchl

10.00 -н

10.00

Рис. 2 Зависимость между концентрацией хлорофилла и соотношением яркостей нормализованного восходящего излучения в двух спектральных каналах 490 и 555нм (рисунок слева) и 510 и 555нм (рисунок справа) для района Канарского апвеллинга

На рисунках 1 и 2 приводятся зависимости между концентрацией хлорофилла и соотношением яркостей нормализованного восходящего излучения в двух спектральных каналах для районов Охотского моря и Канарского апвеллинга. Основываясь на анализе этих соотношений, автор предлагает следующие зависимости для этих регионов:

lgCChl = 0.752 R353 -0.077 R352 -3.308 R35 + 0.248 - для Канарского апвеллинга [6] и

lgCChl = -2.542 R35 - 0.135 - для Охотского моря [7], где R35 = lg

Rrs (490) Rrs (555)

0.5 -,

О

-0.1

-0.1

Cchl

10.0

0.10

0.01

Таблица 1

Эмпирические алгоритмы восстановления Ссы

Программное обеспечение

В результате проведённого автором анализа существующего программного обеспечения, используемого для обработки спутниковых данных [8], а так же алгоритмов восстановления параметров первичной продуктивности [6,7] были сформулированы следующие требования к программному обеспечению отраслевой информационной технологии:

в связи с тем, что стандартная процедура атмосферной коррекции может давать существенные погрешности [6,7], программное обеспечение должно обеспечивать возможность использования моделей атмосферной коррекции предлагаемых пользователем;

поскольку использование единых для всего океана биооптических алгоритмов может приводить к значительным погрешностям для акваторий [6,7], программное обеспечение должно обеспечивать возможность расчета концентрации хлорофилла а с использованием алгоритмов отличных от стандартных;

программное обеспечение должно предоставлять пользователю возможность выделения области интересов и расчета концентрации с использованием предопределённых настроек и моделей для заданного географического региона (набора регионов);

так как стандартом поставки спутниковых данных являются магнитные ленты двух типов (4мм DAT или 8мм Exabyte), то программное обеспечение должно обеспечивать возможность работы с накопителями на магнитной ленте;

должна быть предусмотрена возможность пакетной обработки файлов, включающая все этапы обработки (расчет биооптических параметров, выделение заданного региона, построение проекции изображения, экспорт результатов в графических, бинарных или ASCII форматах);

должен быть обеспечен механизм совместимости выходных данных с распространёнными пакетами обработки спутниковых изображений (Erdas Imagine), геостатистическими программами (Surfer) и геоинформационными системами (ArcView GIS версий 3.Х и 8.Х).

Для реализации функций, перечисленных выше, автором было разработано соответствующее математическое и программное обеспечение.

Разработанный комплекс программ функционирует в среде программирования IDL под управлением операционной системы Red Hat Linux 7.3. Комплекс является дополнением к пакету для обработки спутниковых изображений - SeaDAS.

Программы для обработки исходных спутниковых данных написаны на языке программирования IDL, разработанном и распространяемом компанией Research Systems, Inc.(http: www.rsinc.com).

IDL (Interactive Data Language) - среда программирования, ориентированная на обработку массивов, и содержащая богатую библиотеку процедур математического анализа и визуализации данных. Пакет предназначен для инженерных и научных расчетов. Выбор данного пакета обусловлен в значительной степени тем, что большинство модулей SeaDAS написано на языке IDL и новые модули могут быть туда легко интегрированы. Интерпретатор языка IDL является необходимым условием работоспособности пакета SeaDAS, поэтому является предустановленным, что также делает целесообразным его использование.

Программное обеспечения предназначено для расчета концентрации хлорофилла а по спутниковым данным, построения карт концентрации, нанесения дополнительной информации, экспорта данных.

На данный момент разработаны и реализованы программные модули, осуществляющие следующие функции:

возможность расчёта концентрации хлорофилла с использованием алгоритмов, отличных от стандартного;

использование предопределённых настроек (параметров задаваемой географической проекции и алгоритмов восстановления) при выборе пользователем региона из предложенного в меню списка;

обработка изображений в пакетном режиме (выделение участка с заданными географическими координатами на снимке, расчет биооптических параметров, проекция изображений, наложения береговой линии и координатной сетки, экспорт результатов);

наложение в векторном виде на карты концентрации хлорофилла и построение в виде отдельных карт метеорологической информации (сила и направление ветра, влажность)

работа с накопителем на магнитной ленте, управление устройством HP Superstore DAT 24, чтение с магнитной ленты спутниковых данных в формате архива tar.

Данные на магнитной

ленте

Выделение заданного региона

Программа работы с магнитной лентой

1=>

формата L1

Архивированные

спутниковые данные

Программа работы с архивами

Данные формата L1 (регион)

Алгоритм атмосферной коррекции

1=>

Данные по

метеорологии

Карты +

дополнительные данные

Программа работы с метеоданными

Региональный биооптический алгоритм

Данные формата L2

Создание картографической проекции

Карты

концентрации

хлорофилла

Рис. 3 Схема обработки данных

Рис. 4 Главное меню программы

prog subset region

Подпрограмма выбора региона. В графическом режиме предлагает пользователю выбор региона из списка. На данный момент в списке содержатся следующие предопределённые регионы:

Sakhalin - район северо-востока острова Сахалин

Far East Region - район Дальнего Востока

North Atlantics - район Северной Атлантики

Barents Sea - район Баренцева моря

White Sea - район Белого моря

Caspian Sea - район Каспийского моря

Gulf of Mexico - Мексиканский залив

Canary Upwelling - район Канарского апвеллинга

Black Sea - Чёрное и Азовское моря

User Region - координаты района задаются пользователем.

Разработанный программный комплекс реализует схему обработки данных спутниковых видеоспектрометров, изображенную на рисунке 3 и включает в себя следующие основные модули:

prog main menu

Данный модуль реализует главное меню программы и осуществляет вызов остальных программ. Запуск программы осуществляется из командной строки. Представляет собой графическую панель со следующим набором кнопок: Settings - вызов программы установок и настроек пользователя; Regional processing - вызов меню выбора регионов; Meteo Data - модуль работы с метеорологическими данными; Tape - вызов модуля работы с накопителем на магнитной ленте; Unpack - программа пакетной распаковки файлов; About - информация о программе; Exit - выход из программы.