Мониторинг антропогенных воздействий на

31st International Symposium on Remote Sensing of Environment,
June 20-24, 2005, Saint Petersburg, Russian Federation
Мониторинг антропогенных воздействий на акватории Гавайских островов с
использованием радиолокационных изображений спутников RADARSAT и ENVISAT
В.Бондур*, С.Старченков
Научный центр проблем аэрокосмического мониторинга "Аэрокосмос",
104064, Москва, Гороховский пер., д. 4 – vgbondur@online.ru
Abstract - Рассматриваются результаты космического
мониторинга
антропогенных
воздействий
на
прибрежную акваторию, вызванных заглубленными
стоками в бухту Мамала (о.Оаху, Гавайи), по данным
радиолокационных съемок со спутников RADARSAT
и ENVISAT. Обнаружение зон распространения
поверхностных
проявлений
аномалий,
обусловленных
этими
антропогенными
воздействиями, проводилось по информативным
признакам радиолокационных изображений с
использованием метода скользящего статистически
обеспеченного окна. При проведении мониторинга в
период 2003 - 2004 г.г. использовались также данные
подспутниковых измерений гидрофизических полей,
а также характеристик полей ветра в исследуемой
акватории. На основании результатов выполненного
космического
мониторинга
разработаны
рекомендации к снижению антропогенной нагрузки
на прибрежную акваторию бухты Мамала (о. Оаху,
Гавайи).
Ключевые слова: Radar image processing, ocean
pollution, monitoring, RADARSAT, ENVISAT
1. ВВЕДЕНИЕ.
Радиолокационные методы широко применяются для
решения целого спектра задач, связанных с
исследованием верхнего слоя океана и процессов
взаимодействия океана и атмосферы. Применение
радиолокационной съемки весьма эффективно для
решения задач мониторинга антропогенных воздействий
на акватории морей и океанов и их прибрежных зон
(Бондур, 2004, 2005, Булатов и др., 2003).
Применение
радиолокационных
методов
для
мониторинга морских акваторий весьма перспективно
ввиду их всепогодности и возможности круглосуточной
работы. Эти методы интенсивно развиваются, и уже в
ближайшее время возможно получение космических
радиолокационных изображений с пространственным
разрешением около 1 м.
Задача мониторинга антропогенных воздействий на
акватории
морей
и
океанов
по
данным
радиолокационной съемки может быть решена при
использовании
специальных
методов обработки,
сочетающих как классические алгоритмы цифрового
анализа изображений, так и специализированные методы
распознавания и классификации (Бондур, 2004, Бондур,
Старченков, 2001).
В настоящей работе рассматриваются результаты
применения
радиолокационных
изображений,
полученных с борта спутников RADARSAT и ENVISAT
для мониторинга антропогенных воздействий на
акваторию бухты Мамала (о. Оаху, Гавайи).
2. ОСОБЕННОСТИ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ,
ОРГАНИЗАЦИИ МОНИТОРИНГА И ОБРАБОТКИ
ДАННЫХ
Основным источником антропогенных воздействий на
акватории вблизи Гавайских островов, как и для
большинства прибрежных акваторий, является сброс
(dumping) сточных вод в открытый океан по
заглубленным коллекторам. В г. Гонолулу на острове
Санд функционирует Sand Island Wastewater Treatment
Plant (WWTP) мощностью более 300000 м3/сутки (Fisher,
1979). Он имеет сбросовое устройство длиной около 4
км. Это устройство на глубине 70 м заканчивается
трехсекционным диффузором, длиной ∼1 км, через
который происходит сброс очищенных вод в акваторию
бухты Мамала. В западной части этой бухты расположен
Honouliuli WWTP с мощностью более 190000 м3/сутки.
Таким образом, суммарный объем сбрасываемых вод,
которые поступают в бухту Мамала, может достигать
что
является
существенной
500000
м3/сутки,
антропогенной нагрузкой на акваторию бухты (Fisher,
1979).
При
проведении
мониторинга
антропогенных
воздействий, вызванных заглубленными стоками в
акваторию бухты Мамала, в 2003-2004 годах
осуществлялась радиолокационная съемка с бортов
спутников RADARSAT (длина зондирующей волны 5.6
см, HH-поляризация) и ENVISAT (аппаратура ASAR,
длина волны 5.6 см, HH-, HV-, VH- и VV-поляризация)
(Бондур, 2004, 2005). При съемке с борта спутника
RADARSAT использовались режимы Fine Beam и
Standard Beam (RADARSAT Data Products Specifications,
2000), а при съемке с борта спутника ENVISAT – Image
Mode и Alternating Polarisation Mode (HH- и VVполяризация) (ENVISAT ASAR Product Handbook, 2004).
Для анализа синоптических ситуаций и полей
температуры поверхности океана (SST) использовались
многоспектральные
изображения,
полученные
аппаратурой MODIS с борта космических аппаратов
AQUA и TERRA в моменты времени, максимально
близкие к моментам радиолокационных съемок (Бондур,
2005).
Обработка
радиолокационных
изображений
выполнялась в
автоматизированном
режиме
с
использованием специально созданного программного
обеспечения, описанного в (Бондур, Старченков, 2001).
При
анализе
радиолокационных
изображений
реализовывались этапы предварительной и тематической
обработки. Предварительная обработка заключалась в
осуществлении операций калибровки (расчет σ0 (sigma
nought), подавления спекл-шума, геокодирования,
формирования улучшенных изображений посредством
применения процедур эквализации. Тематическая
обработка включала следующие основные этапы:
сканирование
предварительно
обработанных
изображений скользящим статистически обеспеченным
окном; расчет информативных признаков в каждом окне;
статистический
анализ;
выбор
оптимальных
информативных
признаков;
автоматическая
классификация.
Учитывая важную роль ветрового режима в
формировании
радиолокационных
изображений
(Митягина и др., 2004), при анализе использовались
данные о полях ветра, полученные при измерениях с
борта кораблей, а также на береговых станциях. Для
верификации результатов обработки радиолокационных
Proceed. of 31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment, St.Petersburg, 2005
BONDUR, STARCHENKOV
изображений,
использовались
также
данные
подспутниковых
гидрофизических
и
гидробиологических измерений in situ (Бондур, 2004,
2005). Применение дополнительной информации
позволило
снизить
вероятность
ошибок
при
классификации радиолокационных изображений до
величин 0.04-0.06 (с использованием критерия НейманаПирсона).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ И ИХ АНАЛИЗ
На рис. 1 и 2 в качестве примеров приведены по одному
из серии радиолокационных изображений, полученных
исследуемой
акватории
при
мониторинге
с борта спутников RADARSAT и ENVISAT
(Бондур, 2004, 2005). На рис. 1 а приведено исходное
Рисунок 1. Исходное (а) и предварительно обработанное
(б) радиолокационное изображение бухты Мамала,
полученное спутником RADARSAT 5 сентября
2003 года
радиолокационное
изображение
бухты
Мамала,
полученное 5 сентября 2003 года в 18:40:26 (Hawaiian
Local Time (HLT) с борта спутника RADARSAT, а на рис
1
б
представлено
изображение,
подвергнутое
процедурам предварительной обработки. На рис. 2 а
приведен фрагмент исходного радиолокационного
изображения, полученного аппаратурой ASAR спутника
ENVISAT 13 сентября 2003 года в 10:26:12 (HLT), а на
рис. 2 б - улучшенное изображение.
Учет влияния ветра на формирование радиолокационных
изображений особенно актуален
для прибрежных
акваторий, где воздушные потоки, взаимодействуя с
прибрежным формами рельефа, претерпевают различные
изменения.
Это
может
проявляться
на
радиолокационных изображениях в виде различных
сигнатур [Митягина и др., 2004]. Для учета влияния
ветровых эффектов при выделении аномалий, связанных
с глубинными стоками, использовалась цифровая модель
рельефа (DEM) острова Оаху с разрешением 30
м/пиксель. Фрагмент модели с радиолокационным
изображением (рис. 1 б) приведен на рис. 3.
Использование такой модели позволило получить
информацию
об
орографических
особенностях
побережья острова Оаху. Кроме того, анализ
радиолокационного изображения в 3D-режиме позволяет
аномальные сигнатуры и
более точно выявить
Рисунок 2. Исходное (а) и предварительно обработанное
(б) радиолокационное
изображение бухты Мамала,
полученное спутником ENVISAT 13 сентября 2003 года
провести оценку влияния ветра на формирование
радиолокационных сигналов. Как видно из рис. 3,
орографические особенности гряды Koolau Range, а
именно наличие в ней сквозных долин Kalihi Valley и
Nuuanu Valley, позволяют северо-восточным пассатам
проникать сквозь них в бухту Мамала.
С
использованием
процедур
автоматической
классификации на основе использования различных
типов информативных признаков (Bondur, Starchenkov,
2004) было проведено выделение областей, связанных с
глубинными стоками,
и
аномалий, вызванных
Proceed. of 31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment, St.Petersburg, 2005
BONDUR, STARCHENKOV
Рисунок 3. Трехмерное представление радиолокационного изображения, полученного спутником RADARSAT 5
сентября 2003 года, с орографическими особенностями горной гряды Koolau Range
Рисунок 4. Результаты выделения аномалий, вызванных заглубленными стоками в акваторию бухты Мамала, по
радиолокационному изображению, полученному со спутника RADARSAT 5 сентября 2003 года и геометрические
характеристики аномалий
Proceed. of 31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment, St.Petersburg, 2005
BONDUR, STARCHENKOV
Рисунок 5. Результат выделения аномалии, вызванной заглубленным стоком в акваторию бухты Мамала, по
радиолокационному изображению спутника ENVISAT (ASAR) 13 сентября 2003 года и геометрические
характеристики аномалии. Внизу - прогрессивно-векторная диаграмма течений
динамическим
воздействием
ветра.
Благодаря
возмущениям поверхности океана, проявляющимся в
вариациях
брэгговской
компоненты
отраженных
радиоволн (Bondur, 2004), стало возможным выявление
заглубленных стоков в акваторию бухты Мамала на фоне
аномалий, обусловленных ветровыми потоками из долин
Nuuanu Valley и Manoa Valley. Результаты выделения
аномалии, обусловленной сбросом с о. Санд, приведены
на рис. 4.
В результате классификации участка изображения в
окрестности окончания коллектора Honouliuli удалось
также выделить аномалию, связанную с этим глубинным
стоком (рис. 4). Максимальный размер аномалии,
вызванной сбросом с Sand Island, составил 18.5 км в
направлении 232°.
Результат выделения аномалии, вызванной стоком с Sand
Island
путем
автоматической
классификации
радиолокационного
изображения,
полученного
спутником ENVISAT 13 сентября 2003 года, приведен на
рис. 5. Максимальный размер этой аномалии составил
13.6 км, а направление вытянутости - 237°.
Как показал анализ результатов подспутниковых
гидрофизических измерений, в момент съемки 13
сентября 2003 года в бухте Мамала наблюдалась
изотермия до глубины 65-75 м, а сезонный термоклин
располагался на глубинах около 80-90 м. Это создавало
благоприятные условия для подъема глубинного стока в
приповерхностные слои океана и способствовало
проявлению поверхностной аномалии. По результатам
измерений полей течений с помощью ADP (Acoustic
Doppler Profiler) в интервале времени 5:00-12:00 (HLT)
13 сентября 2003 года был выявлен юго-западный
перенос водных масс в районе диффузора. Это хорошо
коррелирует с ориентацией аномалии, выделенной по
радиолокационному изображению (рис. 5).
В
результате
гидробиологических
измерений,
проведенных 13 сентября 2003 года, к юго-западу от
диффузора
сбросового
устройства
Sand
Island
зафиксировано повышенное содержание в морской воде
гетеротрофных (Hbact) и цианобактерий (Syn) до
глубины около 70 метров. Высокий уровень
концентрации гетеротрофных бактерий Hbact служит
биологическим индикатором загрязнения вод. Более
высокое значение параметра TOTBact=Hbact+Syn
наблюдалось в юго-западном направлении от диффузора
от глубины ∼70 м до поверхности. Это свидетельствует о
подъеме струи сбрасываемых вод к поверхности и их
переносе в юго-западном направлении.
Процедуры обработки и анализа, аналогичные
описанным выше, были проведены для каждого из
радиолокационных изображений, полученных при
мониторинге прибрежной зоны о.Оаху, что позволило
получить представление о процессах, происходящих в
акваториях,
подверженных
антропогенным
воздействиям, при различных гидрометеорологических
условиях. Так выявлено, что направление переноса
всплывающей струи глубинного стока (рис. 4, 5)
изменяется в диапазоне углов 180-250°. Это
подтверждается подспутниковыми измерениями полей
течений при помощи аппаратуры ADP (рис. 5).
Протяженность
аномалий,
выделяемых
по
радиолокационным изображениям, в этом направлении
может превышать 20 км, что свидетельствует о широком
распространении области поверхностных проявлений
таких антропогенных воздействий.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Комплексный анализ космических радиолокационных
изображений и результатов измерений гидрофизических
Proceed. of 31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment, St.Petersburg, 2005
BONDUR, STARCHENKOV
и гидробиологических параметров водной среды в
акватории бухты Мамала, свидетельствует об их
хорошем совпадении. Это подтверждает эффективность
радиолокационных методов мониторинга прибрежных
акваторий и предложенных методов цифровой обработки
и классификации радиолокационных изображений. При
этом обеспечивается оперативное выделение и анализ
ареалов
распространения
аномалий,
вызванных
заглубленными стоками. Автоматизация процессов
классификации значительно уменьшает время обработки
радиолокационных
изображений
и
повышает
достоверность полученных результатов.
5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бондур В.Г. Аэрокосмические методы в современной
океанологии. В кн. "Новые идеи в океанологии". Т. 1:
Физика. Химия. Биология. / Отв ред. М.Е. Виноградов,
С.С. Лаппо. - М.: Наука, 2004, 351 с.
Бондур В.Г. Комплексный космический мониторинг
антропогенных воздействий на прибрежные акватории.
Материалы 31 ISPRE, 2005.
Бондур В.Г., Старченков С.А. Методы и программы
обработки
и
классификации
аэрокосмических
изображений. // Изв. ВУЗов. Сер. Геодезия и
аэрофотосъемка. 2001 г , №1, с. 118-146.
Булатов М.Г. и др. Физические механизмы
формирования аэрокосмических ра-диолокационных
изображений океана // Успехи физических наук, 2003. Т.
173, № 1. С. 69-87.
Fischer H.B., List E. J., Koh R. C. Y., Imberger J. Mixing in
Inland and coastal waters. Academic Press. San Diego. 1979,
453p.
Митягина М.И., Лаврова О.Ю., Бочарова Т.Ю.
Наблюдение подветренных волн и вихревых структур за
природными препятствиями в атмосфере при помощи
радиолокационного зондирования морской поверхности.//
Исследования Земли из космоса, 2004, № 5, с. 44-50.
RADARSAT Data Products Specifications. RSI-GS-026,
Revision 3/0, May 8, 2000, RADARSAT International (RSI),
133 p. www.rsi.ca
ENVISAT ASAR Product Handbook // European Space
Agency,
Issue
1.2,
September
2004,
566
p.
www.envisat.esa.int
Proceed. of 31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment, St.Petersburg, 2005
BONDUR, STARCHENKOV
Proceed. of 31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment, St.Petersburg, 2005