RU2616716C2 - Method for evaluating level of water area pollution by hyperspectral space sounding - Google Patents
Method for evaluating level of water area pollution by hyperspectral space sounding Download PDFInfo
- Publication number
- RU2616716C2 RU2616716C2 RU2015102402A RU2015102402A RU2616716C2 RU 2616716 C2 RU2616716 C2 RU 2616716C2 RU 2015102402 A RU2015102402 A RU 2015102402A RU 2015102402 A RU2015102402 A RU 2015102402A RU 2616716 C2 RU2616716 C2 RU 2616716C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- pollution
- areas
- spectral
- water surface
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N2021/559—Determining variation of specular reflection within diffusively reflecting sample
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам экологического мониторинга акваторий аэрокосмическими средствами и может найти применение при обнаружении и оценке степени загрязнений водных объектов нефтепродуктами и взвешенными веществами.The invention relates to methods for environmental monitoring of water areas by aerospace means and can find application in the detection and assessment of the degree of pollution of water bodies with oil products and suspended solids.
Известны способы определения загрязнения акваторий с привлечением морских средств сбора данных и судов экологического контроля [1]. В этих способах используют контактные датчики измерения концентрации различных примесей в воде, в связи с этим они позволяют получать только локальную оценку состояния воды вдоль маршрутов следования с аппроксимацией результатов на всю обследуемую площадь. Такой подход регламентирован "Методическими указаниями по гигиеническому контролю загрязнения морской среды", утв. Минздравом СССР от 17.10.1980 г., №2260-80. Согласно указаниям контроль качества вод акватории портов осуществляется в четырех точках, две из которых расположены на границе акватории, одна - в месте возможной наибольшей концентрации загрязнений (обычно это центральная часть бухты), и одна - в 500 м от выхода из порта.Known methods for determining the pollution of water using marine data collection and environmental monitoring vessels [1]. In these methods, contact sensors for measuring the concentration of various impurities in water are used; in this regard, they allow one to obtain only a local assessment of the state of water along the routes with approximation of the results over the entire area under investigation. This approach is regulated by the "Guidelines for the hygienic control of marine pollution", approved. The USSR Ministry of Health of 10/17/1980, No. 2260-80. According to the instructions, the quality control of the waters of the port water area is carried out at four points, two of which are located on the border of the water area, one at the place of the highest possible concentration of pollution (usually the central part of the bay), and one at 500 m from the port exit.
Недостатками указанных способов являются:The disadvantages of these methods are:
- локальность получаемых оценок загрязнения акватории;- the locality of the obtained estimates of water pollution;
- значительное повышение трудоемкости и низкая оперативность получения результатов экологического обследования акватории за счет увеличения количества точек;- a significant increase in the complexity and low efficiency of obtaining the results of environmental surveys of the water area by increasing the number of points;
- большая вероятность пропуска мест возможной наибольшей концентрации загрязнений и получения ошибочных результатов экологического обследования.- a high probability of missing places of the possible highest concentration of pollution and receiving erroneous results of environmental surveys.
К альтернативным способам обследования акваторий относится применение аэрокосмических средств сбора данных о состоянии окружающей среды, отличительной особенностью которых является оперативность получения исходной информации и большой пространственный охват.Alternative methods for inspecting water areas include the use of aerospace means of collecting data on the state of the environment, the distinguishing feature of which is the speed of obtaining initial information and a large spatial coverage.
Известны радиолокационные и лазерные технические средства для дистанционного определения участков распространения пятен нефтепродуктов на водной поверхности.Known radar and laser technical means for remote determination of areas of the spread of oil stains on the water surface.
Способ обнаружения углеводородных сликов на водной поверхности, посредством радиолокационных средств наблюдения (радиолокаторов с синтезированной апертурой), основан на регистрации изменений микрорельефа поверхности морской воды [2]. Известно, что нефтяные пятна могут быть обнаружены на радиолокационных изображениях благодаря воздействию на взволнованную морскую поверхность. Нефтяные пленки под действием поверхностного натяжения создают локальные области ветрового сглаживания, контрастно различимые на снимке по отношению к окружающей их морской поверхности [3]. Однако такие области могут создаваться благодаря ряду других факторов, не связанных с загрязнением акваторий, например, в результате резкого ослабления приповерхностного ветра, цветения водорослей, поверхностного проявления различных атмосферных и океанических процессов [4]. Это может привести к неоднозначности дешифрирования и необходимости дополнительных затрат на верификацию результатов.A method for detecting hydrocarbon slicks on a water surface by means of radar surveillance devices (synthetic aperture radars) is based on recording changes in the microrelief of the surface of sea water [2]. It is known that oil spills can be detected on radar images due to the effect on an agitated sea surface. Oil films under the influence of surface tension create local areas of wind smoothing, contrastively distinguishable in the image with respect to the surrounding sea surface [3]. However, such areas can be created due to a number of other factors not related to water pollution, for example, as a result of a sharp weakening of the surface wind, algal blooms, and surface manifestations of various atmospheric and oceanic processes [4]. This can lead to ambiguity of decryption and the need for additional costs for verification of results.
Способ лазерного зондирования водной поверхности [5] включает облучение исследуемого участка импульсным оптическим пучком с перестраиваемой в узком спектральном диапазоне длиной волны излучения, регистрацию излучения, отраженного от водной поверхности, определение по данным измерений зависимости мощности отраженного излучения от длины волны и нахождение на основе этой зависимости коэффициента отражения и его второй производной по длине волны. О наличии нефтяной пленки на водной поверхности судят по выполнению одновременно двух соотношений, в которые входят коэффициенты отражения от исследуемой и чистой водной поверхности и вторые производные по длине волны коэффициента отражения от исследуемой и чистой водной поверхности. Отличительной особенностью аналога является возможность обнаруживать тонкие пленки нефтепродуктов (с толщиной от десятых долей до единиц микрометров) с вероятностью правильного обнаружения, близкой к единице. Однако к недостаткам способа можно отнести необходимость генерализации энергии для активного зондирования атмосферы и локальность получаемых результатов оценок, привязанных к трассе распространения луча зондирования.The method of laser sensing of the water surface [5] includes irradiating the studied area with a pulsed optical beam with a radiation wavelength tunable in a narrow spectral range, detecting radiation reflected from the water surface, determining the dependence of the reflected radiation power on the wavelength from the measurement data and finding based on this dependence reflection coefficient and its second derivative with respect to wavelength. The presence of an oil film on a water surface is judged by the fulfillment of two ratios simultaneously, which include reflection coefficients from the investigated and clean water surface and second derivatives of the reflection coefficient from the studied and clean water surface with respect to the wavelength. A distinctive feature of the analogue is the ability to detect thin films of oil products (with a thickness from tenths to units of micrometers) with a probability of correct detection close to unity. However, the disadvantages of the method include the need for generalization of energy for active sensing of the atmosphere and the locality of the obtained estimates associated with the propagation path of the sensing beam.
Наиболее близким по технической сущности аналогом к предлагаемому изобретению является способ [6], который состоит в оценке дальности и интенсивности распространения шлейфов мутности в реках по качественным дешифровочным признакам на космических многоспектральных снимках. В способе ближайшего аналога переход к количественной оценке мутности основан на учете различий в отражательной способности чистой воды и воды, содержащей взвешенные частицы. На первом этапе яркость водной поверхности в разных спектральных зонах многоспектрального снимка космических аппаратов Landsat, SPOT или WordView-2 пересчитывается в коэффициенты рассеянной спектральной отражательной способности. Непосредственно оценка мутности осуществляется по линейной регрессионной зависимости, построенной между значениями спектрального отражения в красном диапазоне спектра и фактическими значениями мутности, полученными по результатам наземной инструментальной съемки.The closest in technical essence analogue to the proposed invention is the method [6], which consists in assessing the range and intensity of the distribution of turbidity plumes in rivers according to qualitative decoding features in multispectral satellite images. In the closest analogue method, the transition to a quantitative assessment of turbidity is based on taking into account differences in the reflectivity of pure water and water containing suspended particles. At the first stage, the brightness of the water surface in different spectral zones of a multispectral image of Landsat, SPOT or WordView-2 spacecraft is converted into the scattered spectral reflectivity coefficients. The turbidity is directly estimated by a linear regression dependence constructed between the spectral reflection values in the red spectrum and the actual turbidity obtained from the results of ground-based instrumental surveys.
Недостатками ближайшего аналога являются:The disadvantages of the closest analogue are:
- оперируют понятием мутности воды, что не является прямым определением количества взвеси в объеме воды и отражает только величину рассеивания света на взвешенных частицах;- they operate with the concept of turbidity of water, which is not a direct determination of the amount of suspension in the volume of water and reflects only the amount of light scattering by suspended particles;
- определяют показатели мутности, вызванные только минеральными примесями антропогенного происхождения, и не предлагаются способы их выделения на фоне органических примесей и участков мелководья, которые вносят аналогичный вклад в величину спектрального отражения водной поверхности в красном диапазоне спектра, как и взвешенные вещества;- turbidity indicators determined only by mineral impurities of anthropogenic origin are determined, and methods for their isolation against the background of organic impurities and shallow water areas are not proposed, which make a similar contribution to the magnitude of the spectral reflection of the water surface in the red spectrum, as well as suspended substances;
- обработка материалов аэрокосмической съемки производится высококвалифицированными операторами-дешифровщиками;- processing of aerospace imagery materials is carried out by highly qualified descramblers;
- не проводятся одновременные измерения характеристик нескольких гидрооптических компонентов воды для получения интегральных оценок состояния акватории под воздействием не только нефтяных пленок, но и других загрязнителей морской среды в виде органических и минеральных примесей.- simultaneous measurements of the characteristics of several hydro-optical components of water are not carried out to obtain integral estimates of the state of the water area under the influence of not only oil films, but also other marine pollutants in the form of organic and mineral impurities.
Задача, решаемая данным изобретением, состоит в количественной оценке уровня (концентрации) взвешенных веществ и толщины пленок нефтепродуктов на основе знания их влияния на величину коэффициента спектральной яркости водной поверхности в нескольких наиболее информативных полосах электромагнитного спектра излучений, в которых регистрирует изображения гиперспектральная аппаратура дистанционного зондирования. Особенность способа заключается в выделении нефтяных пленок и участков внутримассового загрязнения воды минеральными взвесями на фоне других неоднородностей водной поверхности, обусловленных присутствием в воде органических примесей и мелководьем, и в количественном определении содержания взвеси в объеме воды и мощности пленки. Таким образом, проводится одновременное измерение характеристик более двух гидрооптических составляющих водных объектов. Способ относится к области обработки информации и реализован в виде программного комплекса с высокой степенью автоматизации процесса тематической обработки гиперспектральных данных, что обеспечивает оперативность получения информации о существующих загрязнениях акватории даже неквалифицированными операторами. Предлагаемый способ также позволяет дать оценку экологического состояния акватории на основе восстановленных по гиперспектральным данным характеристик загрязнений с учетом того факта, что на поверхности пленок и взвесей адсорбируются другие растворенные в воде вредные токсичные примеси и тяжелые металлы.The problem solved by this invention is to quantify the level (concentration) of suspended solids and the thickness of the films of petroleum products based on the knowledge of their influence on the value of the spectral brightness coefficient of the water surface in several of the most informative bands of the electromagnetic spectrum of radiation in which the hyperspectral remote sensing equipment registers images. A feature of the method is the separation of oil films and areas of intramassive contamination of water with mineral suspensions against the background of other heterogeneities of the water surface due to the presence of organic impurities in the water and shallow water, and the quantitative determination of the suspension content in the volume of water and the film thickness. Thus, the simultaneous measurement of the characteristics of more than two hydro-optical components of water bodies is carried out. The method relates to the field of information processing and is implemented as a software package with a high degree of automation of the process of thematic processing of hyperspectral data, which ensures the speed of obtaining information about existing water pollution even by unqualified operators. The proposed method also makes it possible to assess the ecological state of the water area based on the characteristics of contaminants recovered from hyperspectral data, taking into account the fact that other toxic toxic substances and heavy metals dissolved in water are adsorbed on the surface of films and suspensions.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи повышения оперативности получения информации об экологическом состоянии акватории.The claimed invention is aimed at solving the problem of increasing the efficiency of obtaining information about the ecological state of the water area.
Технический результат достигается тем, что в способе для определения загрязнителей используются гиперспектральные данные в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, а выделение интересующих областей осуществляется методом иерархий, который заключается в последовательной реализации следующих операций:The technical result is achieved by the fact that the method for determining pollutants uses hyperspectral data in the visible and near infrared ranges of the spectrum, and the selection of areas of interest is carried out by the hierarchy method, which consists in the sequential implementation of the following operations:
- вычисление признаков кластеров водной поверхности, относящихся к мощным пленкам нефтепродуктов с толщиной пленки более 0,2 мм и крупнодисперсной взвеси с концентрацией более 200 мг/л;- calculation of signs of water surface clusters related to high-power oil products films with a film thickness of more than 0.2 mm and coarse suspension with a concentration of more than 200 mg / l;
- исключение областей чистой воды по интегральному показателю отражения во всем анализируемом диапазоне спектра;- the exclusion of areas of pure water by the integrated reflection index in the entire analyzed range of the spectrum;
- использование полуаналитического подхода для расчета концентрации взвешенных минеральных веществ и хлорофилла «а» по регрессионным зависимостям в спектральных полосах, соответствующих максимальной вариации значений яркости под воздействием взвеси и поглощению излучения хлорофиллом;- the use of a semi-analytical approach for calculating the concentration of suspended minerals and chlorophyll "a" according to the regression dependences in the spectral bands corresponding to the maximum variation in brightness values under the influence of suspension and absorption of radiation by chlorophyll;
- формирование признакового пространства для выделения тонких пленок нефтепродуктов от участков интенсивного распространения хлорофилла «а» и сегментация участков взвесей на фоне мелководья;- the formation of a feature space for the separation of thin films of oil products from areas of intense distribution of chlorophyll "a" and the segmentation of areas of suspended matter in the background of shallow water;
- классификация водной поверхности в созданном признаковом пространстве.- classification of the water surface in the created attribute space.
Функциональная схема, реализующая способ, представлена на фиг. 1.A functional diagram implementing the method is shown in FIG. one.
Выявление мощных нефтяных пятен на водной поверхности в способе основывается на том, что их значения коэффициентов спектральной яркости в интервале 700…1000 нм в несколько раз превышают коэффициенты спектральной яркости других неоднородностей водной поверхности за счет усиленного отражения фракциями нефти в этом диапазоне. В качестве признака для идентификации мощных нефтяных пленок в способе используется значение яркостного контраста анализируемого кластера с фрагментом условно чистой воды на длине волны, соответствующей максимуму значений яркости в интервале спектра λr max∈(730…980) нм, где контраст пары "объект-фон" рассчитывается по формуле Сλ=|ro-rф|/(ro-rф).The detection of powerful oil spots on the water surface in the method is based on the fact that their values of spectral brightness coefficients in the range of 700 ... 1000 nm are several times higher than the spectral brightness coefficients of other inhomogeneities of the water surface due to enhanced reflection by oil fractions in this range. As a sign for identifying high-power oil films, the method uses the brightness contrast value of the analyzed cluster with a fragment of conditionally pure water at a wavelength corresponding to the maximum brightness values in the spectrum interval λ r max ∈ (730 ... 980) nm, where the contrast is an object-background pair "calculated by the formula With λ = | r o -r f | / (r o -r f ).
Обнаружение внутримассового загрязнения вод крупнодисперсными взвешенными веществами минерального происхождения с концентрациями выше 200 мг/л производится на основании того, что для таких загрязнений характерным признаком является положение максимума спектральных значений яркости, приходящегося на интервал λr max∈(59°-71°) нм. В этой части спектра изменения возвращенного потока излучения от толщи воды, содержащей взвешенные вещества, сильнее, чем в более коротковолновом диапазоне, что связано с эффектом сильного рассеивания света взвесью при увеличении ее концентрации (фиг. 2). В связи с этим, идентификация участков распространения взвесей высоких концентраций в заявленном способе может осуществляться по яркостному контрасту с условно чистой водой в диапазоне 590…710 нм.Intramassive water pollution is detected by coarse suspended solids of mineral origin with concentrations above 200 mg / L based on the fact that for such contaminants a characteristic feature is the position of the maximum spectral brightness values falling in the range λ r max ∈ (59 ° -71 °) nm. In this part of the spectrum, changes in the returned radiation flux from the water column containing suspended solids are stronger than in the shorter wavelength range, which is associated with the effect of strong light scattering by the suspension with increasing concentration (Fig. 2). In this regard, the identification of the areas of distribution of suspensions of high concentrations in the claimed method can be carried out by brightness contrast with conventionally pure water in the range of 590 ... 710 nm.
Для выявления участков загрязнения акватории тонкими нефтяными пленками и взвесями малых концентраций необходимо осуществить их селектирование от таких неоднородностей водной поверхности, как участки интенсивного развития фитопланктона и мелководья соответственно.To identify areas of pollution of the water area with thin oil films and suspensions of low concentrations, it is necessary to select them from such heterogeneities of the water surface as areas of intensive development of phytoplankton and shallow water, respectively.
Тонкие нефтяные пленки обладают спектральными характеристикам в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, идентичными участкам высокого содержания флуоресцирующего вещества в виде феопигментов в воде. Учет наличия и исключение этих участков в способе осуществляется через оценку трофности анализируемого фрагмента воды по общему содержанию хлорофилла "а".Thin oil films have spectral characteristics in the visible and near infrared spectral ranges that are identical to areas of a high content of fluorescent substance in the form of pheopigments in water. Accounting for the presence and exclusion of these sites in the method is carried out by assessing the trophicity of the analyzed fragment of water according to the total content of chlorophyll "a".
Для определения концентрации хлорофилла "а" предусмотрена реализация биооптических алгоритмов с использованием гиперспектральных каналов с максимумом чувствительности 485 и 560 нм. Пигмент в составе фитопланктона, необходимый для фотосинтеза, определяет сильные полосы поглощения в голубой (около 440 нм) и красной (около 675 нм) полосах спектра. При этом минимум поглощения видимой части излучения приходится на волны длиной около 530 нм. То есть с ростом концентрации хлорофилла для водоемов с большим количеством органических примесей наблюдается смещение максимума спектра яркости восходящего излучения в зеленую часть спектра. Это позволяет использовать сильное поглощение излучения феопигментами и связанными материалами при 440 нм и слабое поглощение при 520…570 нм в качестве индикатора содержания хлорофилла «а» в воде и, соответственно, выделения нефтепродуктов и минеральных взвесей на фоне хлорофиллсодержащих примесей. Зависимость между содержанием хлорофилла «а», максимальным значением яркости в зеленой зоне спектра и минимальным значением яркости в районе длины волны 440 нм определяется биооптическим алгоритмом вида:To determine the concentration of chlorophyll "a", implementation of bio-optical algorithms using hyperspectral channels with a maximum sensitivity of 485 and 560 nm is provided. The pigment in phytoplankton, necessary for photosynthesis, determines strong absorption bands in the blue (about 440 nm) and red (about 675 nm) bands of the spectrum. In this case, the minimum absorption of the visible part of the radiation falls on waves with a length of about 530 nm. That is, with an increase in the concentration of chlorophyll for reservoirs with a large amount of organic impurities, a shift in the maximum of the brightness spectrum of the ascending radiation to the green part of the spectrum is observed. This makes it possible to use strong absorption of radiation by feopigments and related materials at 440 nm and weak absorption at 520 ... 570 nm as an indicator of the content of chlorophyll “a” in water and, accordingly, the release of oil products and mineral suspensions against the background of chlorophyll-containing impurities. The relationship between the content of chlorophyll "a", the maximum value of the brightness in the green region of the spectrum and the minimum value of brightness in the region of the wavelength of 440 nm is determined by a bio-optical algorithm of the form:
где Схл, Схл por - концентрация хлорофилла "а" в воде и пороговое значение концентрации, соответствующее эфтрофным и мезотрофным водоемам (мг/л);where C chl , C chl por - the concentration of chlorophyll "a" in the water and the threshold concentration value corresponding to the eutrophic and mesotrophic reservoirs (mg / l);
Отличительной особенностью спектров яркости тонких нефтяных пленок от участков, содержащих высокие концентрации фитопланктона, является также наличие максимума не только в спектральном канале, взятом в диапазоне спектра 550…580 нм, но и 400…450 нм, который соответствует возбуждению люминесцентного свечения нефтяными фракциями в коротковолновой части видимого диапазона спектра за счет интенсивного поглощения ультрафиолета в интервале 363…365 нм (зачастую этот принцип используется в ультрафиолетовой спектроскопии). Поэтому в заявленном способе их соотношение используется как дополнительный признак наличия нефтяной пленки при стремлении его значения к единице (фиг. 3):A distinctive feature of the brightness spectra of thin oil films from areas containing high phytoplankton concentrations is also the presence of a maximum not only in the spectral channel taken in the spectral range 550 ... 580 nm, but also 400 ... 450 nm, which corresponds to the excitation of the luminescent glow by oil fractions in the short-wavelength part of the visible spectrum due to intense absorption of ultraviolet radiation in the range 363 ... 365 nm (often this principle is used in ultraviolet spectroscopy). Therefore, in the claimed method, their ratio is used as an additional sign of the presence of an oil film when its value tends to unity (Fig. 3):
Таким образом, чтобы отнести анализируемый участок гиперспектрального изображения к тонкой пленке нефтепродуктов на водной поверхности, необходимо выполнение двух условий:Thus, in order to attribute the analyzed section of the hyperspectral image to a thin film of oil products on the water surface, two conditions must be met:
отношение максимального значения КСЯ в интервале 500…580 нм к значению КСЯ в интервале 400…450 нм должно стремиться к единице,the ratio of the maximum QWS in the
величина концентрации хлорофилла "а", рассчитанная по зависимости от отношения КСЯ в узких спектральных каналах зеленой части спектра, не должна превышать порогового значения, характерного для эфтрофных и мезотрофных водоемов.the concentration of chlorophyll "a", calculated according to the ratio of the QWS in the narrow spectral channels of the green part of the spectrum, should not exceed the threshold value characteristic of eptrophic and mesotrophic reservoirs.
Принимается, что если концентрация хлорофилла "а" для анализируемого полигона меньше порогового значения (Cхл<10 мг/м3), то исследуемый участок водной поверхности загрязнен тонкой нефтяной пленкой.It is assumed that if the concentration of chlorophyll "a" for the test site is less than the threshold value (C chl <10 mg / m 3 ), then the studied section of the water surface is contaminated with a thin oil film.
Распознавание и классификация участков внутримассового загрязнения воды взвесями с концентрацией менее 200 мг/л в способе основывается на полуаналитическом подходе. Исследования показали наличие корреляционной зависимости между яркостью излучения моря в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах и вариацией содержания взвеси. При диапазоне изменения концентраций минеральной взвеси в пределах от 0 до 1300 мг/л установлено, что в области 450…700 нм наблюдается нелинейная зависимость между указанными параметрами. В результате анализа экспериментальных данных было выяснено, что наибольшее значение корреляции приходится на спектральный диапазон 600…700 нм. В результате может быть получена регрессионная зависимость между ориентировочной концентрацией взвешенных минеральных веществ и средним значением коэффициента яркости на длине волны, соответствующей значению яркости в спектральном интервале 600…700 нм:Recognition and classification of areas of intramassual water pollution with suspensions with a concentration of less than 200 mg / l in the method is based on a semi-analytical approach. Studies have shown a correlation between the brightness of sea radiation in the visible and near infrared ranges and the variation in the content of suspended matter. In the range of changes in the concentration of mineral suspension in the range from 0 to 1300 mg / l, it was found that in the region of 450 ... 700 nm a nonlinear dependence between the indicated parameters is observed. As a result of the analysis of experimental data, it was found that the highest correlation value falls on the
где Свв - концентрация минеральных взвесей, мг/л,where C BB - the concentration of mineral suspensions, mg / l,
rср - среднее значение коэффициентов спектральной яркости.r cf is the average value of the spectral brightness coefficients.
С целью сегментации классифицированных участков внутримассового загрязнения от зон мелководья в способе анализируется интервал спектра, соответствующий длинам волн от 710 до 790 нм. В этом интервале у мелководья, в отличие от глубоководных участков, наблюдается увеличение значений коэффициентов спектральной яркости за счет отражения потока излучения от дна. Таким образом, если в указанном диапазоне функция спектральных характеристик убывает для какого-либо из анализируемых участков, то такой участок относится к загрязнениям акватории минеральными взвесями. В способе в качестве признака убывания спектральной яркости в рассматриваемом диапазоне выбрана производная функции спектральной сигнатуры r'(λ710-790)<0.In order to segment the classified sections of intramass pollution from shallow water zones, the method analyzes the spectrum interval corresponding to wavelengths from 710 to 790 nm. In this interval, in shallow water, in contrast to deep-sea areas, an increase in the values of the spectral brightness coefficients due to reflection of the radiation flux from the bottom is observed. Thus, if in the indicated range the function of spectral characteristics decreases for any of the analyzed sites, then this site refers to the pollution of the water area with mineral suspensions. In the method, as a sign of a decrease in spectral brightness in the considered range, the derivative of the function of the spectral signature r '(λ 710-790 ) <0 is selected .
Таким образом, способ позволяет выявить и различить на водной поверхности мощные нефтяные пятна (толщиной более 0,2 мм) и тонкие нефтяные пленки (толщиной менее 0,2 мм), а также определить участки внутримассового загрязнения воды взвесями минерального происхождения. Дополнительными входными данными, обеспечивающими применение заявленного способа, являются спектральные характеристики условно чистой воды.Thus, the method allows to identify and distinguish on the water surface powerful oil stains (with a thickness of more than 0.2 mm) and thin oil films (with a thickness of less than 0.2 mm), as well as determine areas of intramassual water pollution by suspensions of mineral origin. Additional input data that ensure the application of the claimed method are the spectral characteristics of conditionally pure water.
Отличие заявленного способа оценки уровня загрязнения акваторий по гиперспектральным данным аэрокосмического зондирования от аналогов обеспечивается:The difference of the claimed method for assessing the level of pollution of water areas by hyperspectral data of aerospace sounding from analogues is provided:
- обнаружением пленок нефтепродуктов и участков внутримассового загрязнения воды взвесями путем определения отражательных характеристик естественного излучения водной поверхностью в нескольких узких спектральных каналах гиперспектральных данных;- detection of films of oil products and areas of intramassual water pollution by suspension by determining the reflection characteristics of natural radiation by the water surface in several narrow spectral channels of hyperspectral data;
- выделением участков загрязнения на фоне органических примесей и участков мелководья;- the allocation of areas of pollution against a background of organic impurities and areas of shallow water;
- выявлением не только контуров загрязнений, но и поэлементное восстановление количественных параметров выявленных токсикантов на основе статистического анализа экспериментальных исследований, подтверждаемых теоретическими закономерностями поглощения и биохимического взаимодействия между биооптическими активными компонентами воды и излучением;- the identification of not only the contours of pollution, but also the step-by-step restoration of the quantitative parameters of the identified toxicants based on statistical analysis of experimental studies, confirmed by theoretical laws of absorption and biochemical interaction between the bio-optical active components of water and radiation;
- автоматизацией процесса обработка материалов гиперспектральной аэрокосмической съемок.- automation of the process of processing materials hyperspectral aerospace surveys.
В способе рекомендуется в качестве исходных данных использовать гиперспектральные изображения со спектральным разрешением в видимой области спектра не хуже 5 нм, а в ближней инфракрасной - не хуже 10 нм. Это обеспечивает возможность:In the method, it is recommended to use hyperspectral images with spectral resolution in the visible region of the spectrum of not less than 5 nm as the initial data, and in the near infrared region of not worse than 10 nm. This provides the opportunity:
определения длины волны, соответствующей максимальному значению спектральной яркости на интервале 590…710 нм, в том числе для определения концентрации минеральных взвесей в интервале 600…700 нм;determining the wavelength corresponding to the maximum value of spectral brightness in the range 590 ... 710 nm, including for determining the concentration of mineral suspensions in the
определения знака производной спектральной функции, используемой на этапе сегментации участков распространения взвесей малых концентраций среди мелководья, в диапазоне 710…790 нм;determining the sign of the derivative of the spectral function used at the stage of segmentation of the propagation sites of suspensions of low concentrations among shallow water, in the range of 710 ... 790 nm;
определения локального максимума спектральной кривой в диапазоне 550…580 нм и расчета отношений КСЯ в узких спектральных каналах, принадлежащих голубой и зеленой части спектра, для идентификации тонких пленок нефтепродуктов, а также их селекции от ложных объектов.determination of the local maximum of the spectral curve in the range 550 ... 580 nm and calculation of the QWS ratios in narrow spectral channels belonging to the blue and green parts of the spectrum to identify thin films of oil products, as well as their selection from false objects.
Способ реализован в специализированном программном продукте и применен к данным, полученным авиационными и космическими гиперспектральными средствами, обеспечивающими спектральное разрешение 5-10 нм. Таким образом, способ отвечает критерию "промышленная применимость".The method is implemented in a specialized software product and applied to data obtained by aviation and space hyperspectral means providing a spectral resolution of 5-10 nm. Thus, the method meets the criterion of "industrial applicability".
На фиг. 4 показан пример обработки гиперспектральных данных заявленным способом.In FIG. 4 shows an example of processing hyperspectral data by the claimed method.
Способ оценки уровня загрязнения акваторий по гиперспектральным данным аэрокосмического зондирования основан на результатах экспериментальных исследований (проведенных специалистами Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского летно-экспериментальных работ с использованием авиационного гиперспектрометра и наземных спектрометрических исследований) спектральных характеристик загрязненной водной поверхности и подтверждаемых физическими закономерностями формирования отраженного излучения от поверхности воды за счет спектрального ослабления излучения рассматриваемыми примесями.A method for assessing the level of water pollution based on hyperspectral data from aerospace sensing is based on the results of experimental studies (carried out by specialists of the AF Mozhaisk Military Academy using flight hyperspectrometer and ground-based spectrometric studies) spectral characteristics of a contaminated water surface and confirmed by physical laws the formation of reflected radiation from the surface of the water due to cial radiation attenuation contemplated impurities.
Используемая литератураUsed Books
1. Гуральник Д.Л. Судовой природоохранный комплекс «Акватория». Новые технологии контроля экологического состояния водных объектов // Экологические системы и приборы. - 2003. - №6. - С. 12-17.1. Guralnik D.L. Marine nature protection complex “Aquatoria”. New technologies for monitoring the ecological state of water bodies // Ecological systems and devices. - 2003. - No. 6. - S. 12-17.
2. Бурчу Озой-Чичек Методы дистанционного зондирования для решения задач на море / «Земля из космоса - наиболее эффективные решения», V международная конференция 29 ноября - 1 декабря 2011 г. Сборник тезисов. - М.: Инженерно-технологический центр СканЭкс.- С. 55-56.2. Burchu Ozoy-Cicek Remote sensing methods for solving problems at sea / “Earth from space - the most effective solutions”, V international conference November 29 - December 1, 2011 Abstracts. - M .: Engineering and Technology Center ScanEx.- S. 55-56.
3. В.В. Затягалова, Н.А. Филимонова Космические технологии России: во благо экологии Азово-Черноморского региона / Территория Нефтегаз. - Май (№5). 2009. - С. 12-15.3. V.V. Zatyagalova, N.A. Filimonova Space technologies of Russia: for the benefit of the ecology of the Azov-Black Sea region / Territory Neftegaz. - May (No. 5). 2009 .-- S. 12-15.
4. Лаврова О., Митягина М. Спутники помогают бороться с загрязнениями в прибрежной зоне / Наука. Мониторинг российских морей. - Май №5(41). 2009. - С. 1-7.4. Lavrova O., Mityagina M. Satellites help fight pollution in the coastal zone / Science. Monitoring of the Russian seas. - May No. 5 (41). 2009 .-- S. 1-7.
5. Неконтактный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды, Патент RU №2387977, G01N 21/55 2010 г.5. Non-contact method for the detection of oil pollution on the surface of the water, Patent RU No. 2387977, G01N 21/55 2010
6. Леман В.Н., Чалов С.Р., Книжников А.Ю. Дистанционный мониторинг среды обитания лососевых рыб в районе разработки россыпных месторождений (бассейн р. Вывенки, Камчатский край) / «Земля из космоса - наиболее эффективные решения», V международная конференция 29 ноября - 1 декабря 2011 г. Сборник тезисов. - М.: Инженерно-технологический центр СканЭкс. - С. 127-129.6. Leman V.N., Chalov S.R., Knizhnikov A.Yu. Remote monitoring of the habitat of salmon fish in the area of placer deposits development (Vyvenki river basin, Kamchatka Territory) / “Earth from space - the most effective solutions”, V international conference November 29 - December 1, 2011 Abstract. - M .: Engineering and technology center ScanEx. - S. 127-129.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015102402A RU2616716C2 (en) | 2015-01-26 | 2015-01-26 | Method for evaluating level of water area pollution by hyperspectral space sounding |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015102402A RU2616716C2 (en) | 2015-01-26 | 2015-01-26 | Method for evaluating level of water area pollution by hyperspectral space sounding |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015102402A RU2015102402A (en) | 2016-08-10 |
| RU2616716C2 true RU2616716C2 (en) | 2017-04-18 |
Family
ID=56612722
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015102402A RU2616716C2 (en) | 2015-01-26 | 2015-01-26 | Method for evaluating level of water area pollution by hyperspectral space sounding |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2616716C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU184754U1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-11-07 | Евгений Витальевич Алтухов | Digital panchromatic and multispectral imaging device |
| CN109738367A (en) * | 2018-12-29 | 2019-05-10 | 首都师范大学 | A method for inverting water environment elements of estuarine wetlands by using hyperspectral sensors on UAVs |
| RU2694096C1 (en) * | 2018-09-11 | 2019-07-09 | Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Method of determining specific weight of oil films on a water surface based on hyperspectral data of remote probing of the earth |
| CN112378866A (en) * | 2021-01-18 | 2021-02-19 | 航天宏图信息技术股份有限公司 | Water quality parameter inversion model training method, water quality monitoring method and device |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112014331A (en) * | 2020-08-21 | 2020-12-01 | 中国第一汽车股份有限公司 | A detection method, device, equipment and storage medium for water pollution |
-
2015
- 2015-01-26 RU RU2015102402A patent/RU2616716C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU184754U1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-11-07 | Евгений Витальевич Алтухов | Digital panchromatic and multispectral imaging device |
| RU2694096C1 (en) * | 2018-09-11 | 2019-07-09 | Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Method of determining specific weight of oil films on a water surface based on hyperspectral data of remote probing of the earth |
| CN109738367A (en) * | 2018-12-29 | 2019-05-10 | 首都师范大学 | A method for inverting water environment elements of estuarine wetlands by using hyperspectral sensors on UAVs |
| CN109738367B (en) * | 2018-12-29 | 2020-09-29 | 首都师范大学 | Method for inverting river mouth wetland water environment elements through unmanned aerial vehicle high-spectrum sensor |
| CN112378866A (en) * | 2021-01-18 | 2021-02-19 | 航天宏图信息技术股份有限公司 | Water quality parameter inversion model training method, water quality monitoring method and device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015102402A (en) | 2016-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Moshtaghi et al. | Spectral reflectance of marine macroplastics in the VNIR and SWIR measured in a controlled environment | |
| RU2616716C2 (en) | Method for evaluating level of water area pollution by hyperspectral space sounding | |
| Sun et al. | The challenges of interpreting oil–water spatial and spectral contrasts for the estimation of oil thickness: Examples from satellite and airborne measurements of the deepwater horizon oil spill | |
| Davies et al. | The use of wide-band transmittance imaging to size and classify suspended particulate matter in seawater | |
| Berthon et al. | Ocean colour remote sensing of the optically complex European seas | |
| Wu et al. | Assessment of CALIPSO attenuated backscatter and aerosol retrievals with a combined ground-based multi-wavelength lidar and sunphotometer measurement | |
| RU2720734C1 (en) | Detection of hydrocarbons | |
| Schulien et al. | Shifts in phytoplankton community structure across an anticyclonic eddy revealed from high spectral resolution lidar scattering measurements | |
| RU2750853C1 (en) | Method for determining the boundaries of water bodies and areas of distribution of semi-aquatic species based on multispectral data of remote sensing of the earth | |
| Jiao et al. | Optical quantification of oil emulsions in multi-band coarse-resolution imagery using a lab-derived HSV model | |
| Harsdorf et al. | Submarine lidar for seafloor inspection | |
| Baszanowska et al. | Fluorometry in application to fingerprint of petroleum products present in the natural waters | |
| Babichenko et al. | Locating water pollution and shore discharges in coastal zone and inland waters with FLS lidar | |
| RU2440566C1 (en) | Method for remote detection of oil contamination on water surface | |
| Sun et al. | Optical discrimination of emulsified oil in optically complex estuarine waters | |
| Martín et al. | Oil pollution detection using spectral fluorescent signatures (SFS) | |
| RU2498275C2 (en) | Remote classification method of oil impurities on water surface | |
| WO2017174978A1 (en) | Combining laser doppler velocimetry and spectroscopy for particle characterisation | |
| Gugliandolo et al. | Microplastic identification in marine environments: A low-cost and effective approach based on transmitted light measurements | |
| RU2694096C1 (en) | Method of determining specific weight of oil films on a water surface based on hyperspectral data of remote probing of the earth | |
| Růžička et al. | STARCOP: Semantic Segmentation of Methane Plumes with Hyperspectral Machine Learning Models | |
| Jayabhavani et al. | Floating litter detection at the estuary of Puducherry using Sentinel‐2 data and machine learning model | |
| Singha et al. | Offshore oil spill detection using synthetic aperture radar | |
| Sulma et al. | Adaptive threshold from the Sentinel-2 oil spill index for oil spill detection | |
| Lin et al. | Spectral feature analysis for quantitative estimation of cyanobacteria chlorophyll-a |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170519 |