hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/fpg/vdeu-bvnr-rxb8hydrophysics-726Research ArticleГИДРООПТИКАHYDROOPTICSАлгоритмы оценки биооптических характеристик в Финском заливе с использованием эмпирических ортогональных функцийAlgorithms for Evaluation of Biooptical Characteristics in the Gulf of Finland Using Empirical Orthogonal Functionshttps://orcid.org/0000-0001-7792-8489ВазюляС. В.VazyulyaS. V.

Вазюля  Светлана Васильевна. Старший научный сотрудник лаборатории оптики океана

117997, Нахимовский пр., д.36

 117997, Nakhimovsky prospect, 36, Moscow

svershova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8489-2859ШеберстовС. В.SheberstovS. V.

Шеберстов Сергей Валентинович. Старший научный сотрудник лаборатории оптики океана

117997, Нахимовский пр., д.36

 117997, Nakhimovsky prospect, 36, Moscow

sheberst@yandex.ruИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of SciencesRussian Federation20221010202215384–96Copyright © Вазюля С.В., Шеберстов С.В., 20222022Вазюля С.В., Шеберстов С.В.Vazyulya S.V., Sheberstov S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/726

Представлены результаты проверки возможности использования эмпирических ортогональных функций для разработки алгоритмов оценки концентрации хлорофилла-а и взвеси, биомассы цианобактерий в восточной части Финского залива. Для разработки алгоритмов использовался массив данных натурных измерений коэффициента яркости водной толщи 2012–2014 гг., проведенных одновременно с  прямыми определениями биооптических характеристик. Оказалось, что в случае концентрации хлорофилла-а и взвеси, такие алгоритмы можно создать не только при использовании гиперспектральных коэффициентов яркости моря, но и для спектральных каналов спутниковых сканеров цвета MODIS и OLCI. Для оценки биомассы цианобактерий методика применения эмпирических ортогональных функций в  случае использования спутниковых каналов неприменима. Было также проведено исследование возможности исключения из расчетов коротковолновых каналов MODIS, наиболее подверженных ошибкам атмосферной коррекции. Оказалось, что концентрация хлорофилла-а, более чувствительна к таким изменениям, чем концентрация взвеси. Валидация по данным MODIS показала, что алгоритмы с использованием эмпирических ортогональных функций, дают результаты не хуже, чем регрессионные.

The paper presents the results of testing the possibility of using empirical orthogonal functions to develop algorithms for estimating the concentration of chlorophyll a and suspended matter, the biomass of cyanobacteria in the eastern part of the Gulf of Finland. To develop the algorithms, we used an array of data from field measurements of the subsurface radiance reflectance in 2012–2014, carried out simultaneously with the determination of bio-optical characteristics. It turned out that in the case of the concentration of chlorophyll a and suspended matter, such algorithms can be created not only using the hyperspectral radiance reflectance, but also for the spectral channels of satellite color scanners MODIS and OLCI. An estimation of the cyanobacteria biomass with the empirical orthogonal functions method is not applicable in the case of using satellite channels. A study of the possibility of the most prone to atmospheric correction errors shortwave MODIS channels exclusion was also made. It turned out that the concentration of chlorophyll a is more sensitive to such exclusion than the concentration of suspended matter. Validation on a MODIS data showed that empirical orthogonal functions algorithms give results no worse than regression ones.

эмпирические ортогональные функциихлорофиллвзвесьцианобактерииФинский заливспутниковые данныеMODISOLCIempirical orthogonal functionschlorophyllsuspended mattercyanobacteriaGulf of Finlandsatellite dataMODISOLCIАвторы благодарят А.Н. Храпко, В.Р. Таскаева, Е.К. Ланге, Т.Р. Еремину за предоставленные результаты измерений, также анонимных рецензентов за внимательное прочтение текста статьи и полезные замечания. Сопоставление данных судовых и спутниковых измерений выполнено в рамках государственного задания ИО РАН (тема № 0128-2021-0001), разработка алгоритмов для определения биооптических характеристик морской воды с использованием эмпирических ортогональных функции проведена при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 21-77-10059). Грант предоставлен через Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН.Comparison of shipborne and satellite measurements was carried out within the framework of the state task of the IO RAS (theme No. 0128-2021-0001), the development of algorithms for determining the biooptical characteristics of sea water using empirical orthogonal functions was carried out with the support of a grant from the Russian Science Founda￾tion (theme No. 21-77-10059). The grant was provided through the Institute of Oceanology. P.P. Shirshov RAS.ReferencesЕршова А.А., Коробченкова К.Д., Агранова Ю.С. Оценка состояния Финского залива по индикаторам эвтрофирования ХЕЛКОМ // Ученые записки РГГМУ. 2018. № 51. С. 137–149.Ershova A.A., Korobchenkova K.D., Agranova Ju.S. Assessment of the state of the Gulf of Finland based on HELCOM indicators of eutrophication. Uchenye Zapiski RGGMU. 2018, 51, 137–149 (in Russian).Кочеткова Е.С., Исаев А.В., Еремина Т.Р. Валидация регионального алгоритма для определения концентрации хлорофилла а в восточной части Финского залива по данным спутниковых измерений // Ученые записки РГГМУ. 2017. № 47. С. 43–48.Kochetkova E.S., Isaev A.V., Eremina T.R. Validation of a regional algorithm for the chlorophyll a concentration determination in the eastern part of the Gulf of Finland with satellite measurements. Uchenye Zapiski RGGMU. 2017, 47, 43–48 (in Russian).Kauppila P., Eremina T., Ershova A., Maximov A., Lips I., Lips U., Alasalmi H., Anttila S., Attila J., Bruun J., Kaitala S., Kallio K., Keto V., Kuosa H., Pitkänen H., Lange E. Chlorophyll a and phytoplankton blooms // The Gulf of Finland assessment. Reports of the Finnish Environment Institute. SYKE, 2016. N 27. Р. 114–123.Kauppila P., Eremina T., Ershova A., Maximov A., Lips I., Lips U., Alasalmi H., Anttila S., Attila J., Bruun J., Kaitala S., Kallio K., Keto V., Kuosa H., Pitkänen H., Lange E. Chlorophyll a and phytoplankton blooms. The Gulf of Finland assess-ment. Reports of the Finnish Environment Institute. SYKE. 2016, 27, 114–123.Максимов А.А., Еремина Т.Р., Ланге Е.К., Литвинчук Л.Ф., Максимова О.Б. Режимная перестройка экосистемы восточной части Финского залива вследствие инвазии полихет Marenzelleria arctia // Океанология. 2014. Т. 54, № 1. С. 52–59. doi:10.7868/S0030157413060063Maximov A.A., Eremina T.R., Lange E.K., Litvinchuk L.F., Maximova O.B. Regime shift in the ecosystem of the eastern Gulf of Finland caused by the invasion of the polychaete Marenzelleria arctia. Oceanology. 2014, 54(1), 46–53. doi:10.1134/S0001437013060052Vazyulya S., Khrapko A., Kopelevich O., Burenkov V., Eremina T., Isaev A. Regional algorithms for the estimation of chlorophyll and suspended matter concentration in the Gulf of Finland from MODIS-Aqua satellite data // Oceanologia. 2014. Vol. 56, № 4. P. 737–756. doi:10.5697/oc.56–4.737Vazyulya S., Khrapko A., Kopelevich O., Burenkov V., Eremina T., Isaev A. Regional algorithms for the estimation of chlorophyll and suspended matter concentration in the Gulf of Finland from MODIS-Aqua satellite data. Oceanologia. 2014, 56(4), 737–756. doi:10.5697/oc.56–4.737Вазюля С.В., Копелевич О.В., Кочеткова Е.С., Ланге Е.К., Шеберстов С.В., Еремина Т.Р., Храпко А.Н. Региональные алгоритмы количественной оценки цветений цианобактерий в восточной части Финского залива по данным спутниковых сканеров цвета // Тезисы Четырнадцатой Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2016. 230 с.Vazyulya S.V., Kopelevich O.V., Kochetkova E.S., Lange E.K., Sheberstov S.V., Eremina T.R., Khrapko A.N. Regional algorithms for quantifying cyanobacteria blooms in the eastern part of the Gulf of Finland based on satellite color scanner data. Abstracts of 14th All-Russian Open Conference “Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa”. Moscow, IKI, 2016, 230 (in Russian).Копелевич О.В., Салинг И.В., Вазюля С.В., Глуховец Д.И., Шеберстов С.В., Буренков В.И., Каралли П.Г., Юшманова А.В. Биооптические характеристики морей, омывающих берега западной половины России, по данным спутниковых сканеров цвета 1998–2017 гг. / Под ред. О.В. Копелевича. М.: ИО РАН, 2018. 140 с. https://optics.ocean.ru/Atlas_2019/8_Monography_2018.pdf (дата обращения: 10.02.2022).Kopelevich O.V., Saling I.V., Vazyulya S.V., Glukhovets D.I., Sheberstov S.V., Burenkov V.I., Karalli P.G., Yushmanova A.V. Biooptical characteristics of the seas washing the shores of the western half of Russia, according to satellite color scanners 1998–2017 / Ed. by O.V. Kopelevich. Moscow, SIO RAS, 2018. 140 p. https://optics.ocean.ru/Atlas_2019/8_Monography_2018.pdf (access date: 10.02.2022) (In Russian).Обухов А.М. О статистически ортогональных разложениях эмпирических функций // Известия академии наук СССР. Серия геофизика. 1960. № 3. С. 432–439.Obukhov A.M. On statistically orthogonal expansions of empirical functions. Izvestiya AN SSSR, Ser. geofizicheskaya, 1960, 3, 432–439 (in Russian).Barnes B.B., Hu C., Cannizzaro J.P., Craig S.E., Hallock P., Jones D.L., Lehrter J.C., Melo N., Schaeffer B.A., Zepp R. Estimation of diffuse attenuation of ultraviolet light in optically shallow Florida Keys waters from MODIS measurements // Remote Sensing of Environment. 2014. Vol. 140. P. 519–532. doi:10.1016/j.rse.2013.09.024Barnes B.B., Hu C., Cannizzaro J.P., Craig S.E., Hallock P., Jones D.L., Lehrter J.C., Melo N., Schaeffer B.A., Zepp R. Estimation of diffuse attenuation of ultraviolet light in optically shallow Florida Keys waters from MODIS measurements. Remote Sensing of Environment. 2014, 140, 519–532. doi:10.1016/j.rse.2013.09.024Craig S.E., Jones C.T., Li W.K.W., Lazin G., Horne E., Caverhill C. Deriving optical metrics of coastal phytoplankton biomass from ocean colour // Remote Sensing of Environment. 2012. Vol. 119. P. 72–83. doi:10.1016/j.rse.2011.12.007Craig S.E., Jones C.T., Li W.K.W., Lazin G., Horne E., Caverhill C. Deriving optical metrics of coastal phytoplankton biomass from ocean colour. Remote Sensing of Environment. 2012, 119, 72–83. doi:10.1016/j.rse.2011.12.007Qi L., Hu C., Duan H., Barnes B.B., Ma R. An EOF-based algorithm to estimate chlorophyll a concentrations in Taihu lake from MODIS land-band measurements: implications for near real-time applications and forecasting models // Remote Sensing. 2014. Vol. 6. P. 10694–10715. doi:10.3390/rs61110694Qi L., Hu C., Duan H., Barnes B.B., Ma R. An EOF-based algorithm to estimate chlorophyll a concentrations in Taihu lake from MODIS land-band measurements: implications for near real-time applications and forecasting models. Remote Sensing. 2014, 6, 10694–10715. doi:10.3390/rs61110694Моисеенко Г.С., Левашов С.Д. Применение эмпирических ортогональных функций при спутниковом мониторинге верхнего слоя морской воды // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17, № 1. С. 42–49. doi:10.21046/2070-7401-2020-17-1-42-49Moiseenko G.S., Levashov S.D. Application of empirical orthogonal functions in satellite monitoring of the upper layer of sea water. Sovremennye Problemy Distancionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2020, 17, 1, 42–49 (in Russian). doi:10.21046/2070-7401-2020-17-1-42-49Wozniak M., Bradtke K., Darecki M., Krezel A. Empirical model for phycocyanin concentration estimation as an indicator of cyanobacterial bloom in the optically complex coastal waters of the Baltic Sea // Remote Sensing. 2016. Vol. 8, N 3. 212. doi:10.3390/rs8030212Wozniak M., Bradtke K., Darecki M., Krezel A. Empirical model for phycocyanin concentration estimation as an indicator of cyanobacterial bloom in the optically complex coastal waters of the Baltic Sea. Remote Sensing. 2016, 8(3), 212. doi:10.3390/rs8030212Soja-Wozniak M., Craig S.E., Kratzer S., Wojtasiewicz B., Darecki M., Jones C.T. A novel statistical approach for ocean colour estimation of inherent optical properties and cyanobacteria abundance in optically complex waters // Remote Sensing. 2017. Vol. 9, N4. P. 343–365. doi:10.3390/rs9040343Soja-Wozniak M., Craig S.E., Kratzer S., Wojtasiewicz B., Darecki M., Jones C.T. A novel statistical approach for ocean colour estimation of inherent optical properties and cyanobacteria abundance in optically complex waters. Remote Sensing. 2017, 9(4), 343–365. doi:10.3390/rs9040343Lee Z., Carder K.L., Mobley C.D., Steward R.G., Patch J.S. Hyperspectral remote sensing for shallow waters. I. A semianalytical model // Applied Optics. 1998. Vol. 37. P. 6329–6338.Lee Z., Carder K.L., Mobley C.D., Steward R.G., Patch J.S. Hyperspectral remote sensing for shallow waters. I. A semianalytical model. Applied Optics. 1998, 37, 6329–6338.Артемьев В.А., Буренков В.И., Вортман М.И., Григорьев А.В., Копелевич О.В., Храпко А.Н. Подспутниковые измерения цвета океана: новый плавающий спектрорадиометр и его метрология // Океанология. 2000. Т. 40, № 1. С. 148–155.Artemiev V.A., Burenkov V.I., Vortman M.I., Grigoriev A.V., Kopelevich O.V., Khrapko A.N. Sea-truth measurements of ocean color: a new floating spectroradiometer and its metrology. Oceanology. 2000, 40(1), 139–145.Lange E. Plankton algae in ecological mapping of the Gulf of Finland // Baltic Floating University Research Bulletin. UNESCO, 2008. N 10. Р. 28–32.Lange E. Plankton algae in ecological mapping of the Gulf of Finland. Baltic Floating University Research Bulletin. UNESCO, 2008, 10, 28–32.Ланге Е.K., Еремина Т.Р., Ершова А.А., Исаев А.В. Влияние термогалинного режима на структуру позднелетнего фитопланктона восточной части Финского залива Балтийского моря // Морские биологические исследования: достижения и перспективы. Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, приуроченной к 145-летию Севастопольской биологической станции. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2016. Т. 2. С. 335–338.Lange E.K., Eremina T.R., Ershova A.A., Isaev A.V. Influence of thermohaline regime at late summer phytoplankton structure in the Eastern Gulf of Finland (Baltic Sea). Morskiye biologicheskiye issledovaniya: dostizheniya i perspektivy. Proceedings of All-Russian conference with international participation devoted to 145-anniversary of Sevastopol biological station. Sevastopol’, EKOSI-Gidrofizika, 2016, 2, 335–338 (in Russian).Holm-Hansen O., Lorenzen C.J., Holmes R.W., Strickland J.D.H. Fluorometric determination of chlorophyll // Journal du Conseil — Conseil Permanent International pour l’Exploration de la Mer. 1965. Vol. 30. P. 3–15.Holm-Hansen O., Lorenzen C.J., Holmes R.W., Strickland J.D.H. Fluorometric determination of chlorophyll. Journal du Conseil — Conseil Permanent International pour l’Exploration de la Mer. 1965, 30, 3–15.Шеберстов С.В. Система пакетной обработки океанологических спутниковых данных // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12, № 6. С. 154–161.Sheberstov S.V. System for batch processing of oceanographic satellite data. Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2015, 12, 6, 154–161 (In Russian).Mograne M.A., Jamet C., Loisel H., Vantrepotte V., Mériaux X., Cauvin A. Evaluation of Five Atmospheric Correction Algorithms over French Optically-Complex Waters for the Sentinel‑3A OLCI Ocean Color Sensor // Remote Sensing. 2019. Vol. 11. 668. doi:10.3390/rs11060668Mograne M.A., Jamet C., Loisel H., Vantrepotte V., Mériaux X., Cauvin A. Evaluation of Five Atmospheric Correction Algorithms over French Optically-Complex Waters for the Sentinel‑3A OLCI Ocean Color Sensor. Remote Sensing. 2019, 11, 668. doi:10.3390/rs11060668Glukhovets D., Kopelevich O., Yushmanova A., Vazyulya S., Sheberstov S., Karalli P., Sahling I. Evaluation of the CDOM Absorption Coefficient in the Arctic Seas Based on Sentinel‑3 OLCI Data // Remote Sensing. 2020. Vol. 12, N 19. 3210. doi:10.3390/rs12193210Glukhovets D., Kopelevich O., Yushmanova A., Vazyulya S., Sheberstov S., Karalli P., Sahling I. Evaluation of the CDOM Absorption Coefficient in the Arctic Seas Based on Sentinel‑3 OLCI Data. Remote Sensing. 2020, 12(19), 3210. doi:10.3390/rs12193210

The authors declare that there are no conflicts of interest present.