Зависимость спектрального сигнала от концентрации в воде различных примесей

3.5.7. Зависимость спектрального сигнала от концентрации в воде различных примесей

На большинство вопросов геологической практики можно ответить уже при визуальном дешифрировании аэрокосмических снимков, например о границах чистых и замутненных вод, выносе и переносе твердого стока у морских побережий, седиментации и транспортировке осадков течениями. Как уже упоминалось выше (рис. 42 и 43), на аэрокосмических изображениях по цветовым и тоновым различиям выделяются толщи воды, несущие твердый сток и без него (структура, фронт, градиент). Такие в разной степени нагруженные твердым стоком воды можно отдешифрировать на снимках, сделанных наложением негативов и позитивов или методом эквиденсит (разд. 5.3.6 и 6.3.3), При соответствующей постановке работ, как это ни удивительно, можно определить в толще воды вид и концентрацию (мг/л) примесей, растворенных или находящихся в виде суспензии.
При настройке многозонального сканера как измерительного прибора [58] можно получить информацию о виде и концентрации примесей по спектрам эхо-сигналов от разных толщ воды, которые связаны в виде функции показателя отражения R(k) и спектрального соотношения Rt = (ki/X2) = R(k1)/R(k2) (рис. 48). Правильное определение различных примесей и их концентраций основано на знании количественной зависимости между величиной сигнала и определенной концентрацией примесей. Прежде всего здесь важна зависимость коэффициентов рассеяния и поглощения от количества и состава примесей. Приблизительно эти зависимости можно рассчитать по сигналу, сформированному рассеянным свечением атмосферы [58]. Рассмотрим результаты исследований [14, 58, 59, 200, 202, 265, 322], связанных с оптическими процессами параметров, которые необходимы для определения примесей в приповерхностном слое по данным дистанционного зондирования.

Рис. 48. Рассчитанное отражение Rw и спектральная яркость Rt для твердого отока, взвешенного в воде [59].

Рис. 49. Поглощение (а) и ослабление (к) в зависимости от концентрации твердого стока. Представленные точки характеризуют средние значения. Пробы отобраны в трех местах на берегах Эльбы: 1 – Штёрмюндунг, 2 – Брокдорф, 3 – Брунсбюттель. Измерения проводились в зеркальной кювете [59].

Систематизированное изложение основных представлений и проблем дистанционного изучения примесей в приповерхностном слое воды сделано в работе Дёрффера [58], который приводит результаты экспериментальных исследований в эстуарии Эльбы [59].
Фишер [14] в своей монографии описывает результаты измерений твердого стока в водах океана, эксперименты на моделях, приводит расчет соответствующих математических моделей и комментирует их.
Концентрация групп примесей (геля, твердых частиц и фитопланктона) вызывает спектральное ослабление, или аттенуацию. Оно определяет глубину, на которой формируется направленный вверх эхо-сигнал, регистрируемый на поверхности.

В своей публикации Дёрффер [59] описывает основные результаты пронумерованных экспериментов, которые ниже приведены в его же последовательности. Выводы Дёрффера строги только для условий, описанных в разд. 5.3 его работы. Это – вертикальная гомогенность, диффузное облучение, коррекция ошибок из-за граничного слоя и атмосферы.
1. Если в воде содержится только оптически однородная субстанция, то можно определить ее присутствие и концентрацию (с помощью эмпирического алгоритма или инверсии уравнений переноса излучения, полученных опытным путем) по возвращенному потоку излучения (эхо-потоку), используя параметры, полученные опытным путем по показателю отражения лучей отдельных спектральных диапазонов или из соотношения спектрального отражения двух диапазонов.
2. Только при пониженной концентрации ее колебания вызывают существенное изменение сигнала. При высоких концентрациях изменение сигнала незначительно. Чтобы вывести абсолютные данные измерений, необходимо очень точно определить параметры поля излучения. Так как необходимая точность, как правило, не достигается, то можно рассчитать по величине измеренного сигнала только область и порядок концентрации.
3. Измеренные значения параметров только тогда могут быть эквивалентны концентрации некоторых групп поглощающих и рассеивающих примесей, когда колебания концентрации других примесей происходят в незначительных пределах. Для вод эстуария Эльбы такое измерение можно было провести только для твердых частиц (твердого стока). В оценке его концентрации могли иметь значение параметр R(k = 0,65 мкм) – в качестве независимого от колебаний концентрации планктона и геля (желтого вещества) и параметр Rt (0,65 мкм/0,55 мкм) – только при высоком отношении концентраций нерастворимых частиц мути и геля.
4. Только качественное распознавание групп примесей в смеси без определения их концентраций, как правило, невозможно, потому что эквивалент и концентрация трех различных групп примесей (геля, нерастворимых твердых частиц и фитопланктона) всегда вместе определяют поле яркости возвращенного потока излучения. Поэтому для определения некоторых субстанций (примесей) необходим к тому же спектральный анализ.
5. Спектральную глубину сигнала и глубину проникновения излучения можно рассчитать, если известны концентрации и коэффициенты всех абсорбирующих и всех рассеивающих субстанций. Они могут иметь смысл в предположении вертикальной гомогенности столба воды, если не принимать в расчет расслоенности вод океана. Вывод этих величин из поля яркости возвращенного излучения предполагает точное определение концентраций [59].

Рис. 50. Рассчитанная глубина сигнала в зависимости от концентраций твердого стока и желтого вещества. Рисунок дает представление о глубине, с которой на поверхность воды возвращается 99% энергии эхо-сигнала. В воде содержится также фитопланктон с концентрацией хлорофилла (скелетонема) 50 мг/л [59].
1 – 650 нм; 2 – 550 нм; 3 – 450 нм.

Достоверность определения вида встреченных примесей и их концентрации может быть сведена к минимуму, если примеси в столбе воды распределены равномерно, если дно моря расположено выше оптической глубины и его отражение влияет на спектральный сигнал и если в пределах района съемки концентрации примесей и их оптические коэффициенты изменчивы.
Из результатов изучения вод устья Эльбы [58] следует, что дистанционное зондирование близповерхностных слоев воды невозможно без точного знания вида, области концентрации примесей, их распределения по составу и количеству в толще воды и оптических коэффициентов каждой из них.
На примере обработки сканерных изображений Гельголандской бухты в эстуарии Эльбы (каналы 5 и 4, соответственно 0,5-0,6 и 0,6-0,7 мкм), полученных со спутника «Лэндсат-2», была показана возможность изучения твердого стока, или мутьевой взвеси [59]. Но так как во время полета не были проведены подспутниковые измерения с судна, о виде взвеси в ее водах нет информации. Есть доказательства, что оптическая плотность и соответственно разница оттенков (серого тона) на снимках с «Лэндсат» представляют фотообразы существующих полей взвеси, что следует из увеличения оптической плотности фотообразов Балтийского моря на разных снимках, которые соответственно передают постепенно уменьшающееся содержание взвеси. По опыту многих измерений in situ установлено, что мутьевая взвесь в устье Эльбы состоит преимущественно из неорганических частиц. Количественная интерпретация основывалась на записанных на магнитную ленту данных об оптической плотности изображения в отдельных точках (пиксель-элементах). Обработка изображений проводилась по «Дибиас-системе» (специально написанной программе в научно-исследовательской организации DFVLR, Оберпфаффенхоффен). Различные этапы обработки состояли из измерения отражения в каналах 4 и 5 многозонального сканера и построения по этим данным ратио-изображения, т. е. числового изображения по отношениям спектральных яркостей каналов 4 и 5. Все три изображения переводились (пересчитывались) на относительный состав мутьевой взвеси одинаковым способом. На представленных в таком числовом виде отношениях яркостей каналов 4 и 5 и яркости изображения канала 5 отчетливо передали наиболее сильные зоны мутности. Такие же данные по каналу 4, наоборот, показали различия в зонах небольших концентраций примесей в относительно чистых водах. Расчет концентраций проводился по спектральным яркостям изображения канала 5 при предположении, что средняя концентрация гелей и фитопланктона постоянна. Были введены поправки на атмосферные условия во время съемки.
Для рассчитанных областей концентрации эквиденситные ступени хорошо коррелировались с концентрациями мутьевой взвеси, полученными при более ранних съемках и измерениях на месте.
Сидор [289] на примере Верхнего озера изучал, как оптическая плотность черно-белого изображения озерных вод, сделанного со спутника «Лэндсат», передает изменения содержания вредных веществ и осадков в водах близ юго-восточного побережья. Он сравнивал данные измерений с лодки (в представительных пунктах) с изменениями оптической плотности (в сравнении со ступенями серого тона оптического клина), фиксирующими характерные воды на снимках. Результаты его исследований представлены в виде графика (рис. 51), который может иметь основополагающее значение в вопросах количественной обработки спектральных характеристик вод. Прежде всего график показывает, как изменяются отражательные свойства двух участков воды, содержащей осадки, в зависимости от длины волны падающего излучения. Оба типа вод – промышленно загрязненные воды гавани и воды озера, переносящие благодаря эрозии юго-восточного берега частицы красной глины, – отражают падающий солнечный свет в голубой и зеленой зоне сильнее, чем в красной и ближней инфракрасной зонах спектра. Поэтому на графике показано, что одинаковые концентрации (в мг/л) суспензий различных веществ на изображениях каналов 4, 5 и 6, полученных многозональным сканером спутника «Лэндсат», каждый раз могут быть почти идентичны по спектральным признакам. Положение обеих кривых на графике соответствует концентрации осадка до 3,2 мг/л. Различие спектральных характеристик обеих суспензий недостаточно для того, чтобы можно было определить разницу в их вещественном составе. Соответствующее определение может иметь значение для сравнения спектральных характеристик взвесей более высокой концентрации. Примерно в полосе перекрытия каналов 5 и 6 (около 0,6 мкм) кривые пересекаются. Здесь величины спектрального отражения разновидностей взвесей при одинаковой концентрации равны. Интенсивность отражения, т.е. яркость изображения канала 4, для обеих суспензий – вод озера с концентрацией 3,2 мг/л и загрязненных вод гавани с концентрацией 12 мг/л – так близко подходят друг к другу, что нет возможности различить тип и концентрацию мути в отснятой толще воды. Напротив, эта интенсивность очень четко в сравнении с предыдущими типами разделяет спектральные признаки вод побережья, имеющих высокую концентрацию глинистых частиц, на снимках канала 4. В канале 6 интенсивность отражения (оптическая плотность) четырех типов взвеси различается больше, если их спектральные сигналы хоть немного отличаются друг от друга. Эти схематические представления показывают, как проблематична и противоречива может быть корреляция данных спектральных съемок вод, переносящих осадки.

Рис. 51. Соотношение спектров отражения вод озера Верхнего при различном составе и разной концентрации твердого стока. По данным сканерных съемок с «Лэндсат» [289]. 1 – воды гавани с твердым стоком; 2 – мутные воды южного побережья.

Проблематичность зависимости цвета воды и соответственно величины ее мутности от количества находящегося в ней во взвеси вещества подчеркивалась и другими исследователями [267]. Так, могут быть, например, взвешены в воде некие мелкие частицы темного материала, которые будут излучать часть нисходящего потока энергии так же, как большое число очень тонких белых частиц (при одинаковом их массовом содержании в мг/л). С другой стороны, встречающиеся в озерах речная муть и осадки имеют разные удельные спектральные свойства, которые можно использовать для их распознавания по данным дистанционного зондирования.

Более детальные исследования показали, что получение количественной и качественной информации о примесях в воде и их концентрациях возможно по результатам многозонального сканирования. Для этого необходимо иметь данные о доле в регистрируемом приемником потоке излучения от границы вода-воздух, от дна моря и из атмосферы. Опытным путем было установлено, что на точность определения возвратного реактивного рассеяния можно установить высокие требования, такие же как требования на методы фильтрации и коррекции шумов от обоих типов источников: отражения Френеля на границе вода-воздух и рассеяния атмосферы [58]. Дёрффер сформулировал эти требования для решения проблем, возникающих при многозональном сканировании:
а) Для выбора методов обработки необходимо изучить в районе исследований следующие параметры:
- вид рассеивающей и поглощающей субстанций и их объединение в генетически единые группы;
- вариации их оптических коэффициентов в зависимости от величин концентрации;
- встречающиеся в районе исследований повышения концентрации;
- преобладающее вертикальное разделение от поверхности до оптической глубины kz = 2,3 (к – коэффициент ослабления для излучения, z – глубина в метрах).
б) Во время полета необходимо регистрировать для коррекций величину шумов:
- высоту Солнца;
- облачность (влияние геометрии общего потока солнечного излучения и потока отраженного излучения на граничных поверхностях облаков);
- аэрозольную составляющую (модификацию атмосферного излучения);
- ветер (модификации спектров наклона волн на поверхности, неодинаково действующие на геометрию проникающего в воду потока излучения).
в) При установке многозонального сканера следует добиваться, чтобы показатель отражения R(k) определялся как можно точнее, причем по мере возможности следует избегать:
- угла измерения, при котором фиксируется прямо отраженный солнечный свет;
- больших углов наблюдения, при которых велика доля отраженного диффузного излучения и длинен путь луча через атмосферу;
- неопределенных соотношений для излучения (совершается ли съемка при безоблачном небе или при сплошной облачности);
- высоких долей рассеянного излучения, которые уменьшают снижением высоты полета;
- при высотных полетах необходимо, кроме того, точное определение доли атмосферной дымки в сигнале [59].