Оригинальная методика валидации спутниковых данных в условиях сильной пространственно-временной изменчивости оптических свойств воды внутренних эвтрофных водоемов

Региональные биооптические модели восстановления концентраций оптически активных компонентов воды для внутренних водоемов строятся по всему миру. Эта задача оказывается особенно трудной в условиях сильной пространственно-временной изменчивости оптических свойств воды вследствие регулярных неоднородных течений, ветрового форсинга и плюмов впадающих рек. В этом случае результаты традиционных подспутниковых измерений на станциях для описания сезонного состояния водоема или для валидации спутниковых данных теряют информативность, а иногда и рациональность. В качестве альтернативы нами был предложен оригинальный подход, заключающийся в непрерывной синхронной регистрации яркости воды портативным спектрометром и концентраций ее оптически активных компонентов флуоресцентным лидаром с борта скоростного судна. Такой подход обеспечил возможность сбора данных с высоким пространственным и временным разрешениями (8 м и 1 Гц соответственно) с больших площадей за короткий промежуток времени, внутри которого можно считать, что пространственное распределение биооптических характеристик воды остается неизменным. Одновременно с этим эффективность метода не падает и при полевых работах в условиях разрывной облачности. В результате он был успешно применен для создания статистически достоверных моделей восстановления концентраций хлорофилла-а и общей взвеси по спутниковым изображениям высокого разрешения Sentinel-2 и Sentinel-3 применительно к водам Горьковского водохранилища как примера эвтрофного динамичного водоема.

1. Moses W.J., Gitelson A.A., Berdnikov S., Povazhnyy V. Satellite estimation of Chlorophyll-a concentration using the red and NIR bands of MERIS-2014: The Azov sea case study // IEEE Geosci. Remote Sens. Lett. 2009. V. 6. P. 845–849.

2. Soomets T., Uudeberg K., Jakovels D., Zagars M., Reinart A., Brauns A., Kutser T. Comparison of Lake Optical Water Types Derived from Sentinel-2 and Sentinel-3 // Remote Sens. 2019. V. 11. P. 2883.

3. Mueller J.L., Pietras C., Hooker S.B., Austin R.W., Miller M., Knobelspiesse K.D., Frouin R., Holben B., Voss K. Ocean Optics Protocols For Satellite Ocean Color Sensor Validation. Revision 4, Volume II: Instrument Specifications, Characterization and Calibration. Greenbelt, MD. Goddard Space Flight Space Center, (NASA/TM-2003–21621/Rev-Vol II). 2003. P. 1–56.

4. Pelevin V., Molkov A., Fedorov S., Korchemkina E. Ultraviolet fluorescence lidar (UFL) as a high-resolution measurement tool for water quality parameters used as ground-truth data for Sentinel-2 regional models // Proc. SPIE11150, Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions 2019. 111500P (14 October 2019). P. 1–14.

5. Molkov A.A., Fedorov S.V., Pelevin V.V., Korchemkina E.N. Regional Models for High-Resolution Retrieval of Chlorophyll a and TSM Concentrations in the Gorky Reservoir by Sentinel-2 Imagery // Remote Sens. 2019. V. 11. P. 1215.

6. Мольков А.А., Корчёмкина Е.Н., Лещев Г.В., Даниличева О.А., Капустин И.А. О влиянии цианобактерий, волнения и дна на коэффициент яркости воды Горьковского водохранилища // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16, № 4. С. 203–212.

7. Мольков А.А., Капустин И.А., Щегольков Ю.Б., Воденеева Е.Л., Калашников И.Н. Об исследовании оптических свойств Горьковского водохранилища // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 3. С. 26–33.

8. Капустин И.А., Мольков А.А. Структура течений и глубины в озерной части Горьковского водохранилища // Метеорология и гидрология. 2019. № 7. С. 110–117.

9. Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР. Водохранилища Верхней Волги / Под ред. З. А. Викулиной, В. А. Знаменского. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1975. 292 с.

10. Palmer S.C., Pelevin V.V., Goncharenko I.V., Kovács A., Zlinszky A., Présing M., Horváth H., Nicolás-Perea V., Balzter H., Tóth V. Ultraviolet Fluorescence Lidar (UFL) as a Measurement Tool for Water Quality Parameters in Turbid Lake Conditions // Remote Sensing. 2013. V. 5. P. 4405–4422.

11. Zibordi G., Ruddick K., Ansko I., Moore G., Kratzer S., Icely J., Reinart A. In situ determination of the remote sensing reflectance: an inter-comparison // Ocean Sci. 2012. V. 8. P. 567–586.

12. Gitelson A.A., Gurlin D., Moses W.J., Barrow T. A bio-optical algorithm for the remote estimation of the Chlorophyll-a concentration in case 2 waters // Environmental Research Letters. 2009. V. 4. P. 1–5.

13. Lee M.E., Shybanov E.B., Korchemkina E.N., Martynov O.V. Retrieval of concentrations of seawater natural components from reflectance spectrum // Proc. SPIE10035, 22nd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 100352Y (29 November 2016). 2016.

14. Mobley C.D. Estimation of the remote sensing reflectance from above–water methods // Appl. Optics. 1999. V. 38. P. 7442–7455.

15. Ли М.Е., Шибанов Е.Б., Корчёмкина Е.Н., Мартынов О.В. Определение концентрации примесей в морской воде по спектру яркости восходящего излучения // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 6. C. 17–33.

16. Report of SCOR-UNESCO working group 17 on determination of photosynthetic pigments in Sea Water // Monograph of Oceanography Methodology. UNESCO, Paris. 1966. V. 1. P. 9–18.

17. Jeffrey S.W., Humphrey G.F. New spectrophotometric equations for determining chlorophylls a, b, c1 and c2 in higher plants, algae and natural phytoplankton // Biochem. Physiol. Pflanz. 1975. P. 191–194.

18. Mueller J.L., Bidigare R.R., Trees C., Balch W.M., Dore J., Drapeau D.T., Karl D., Van Heukelem L., Perl J. Ocean Optics Protocols For Satellite Ocean Color Sensor Validation. Revision 5, Volume 5: Biogeochemical and Bio-Optical Measurements and Data Analysis Protocols. Greenbelt, MD. Goddard Space Flight Space Center. 2003. P. 5–24.

19. Santos A.C.A., Calijuri M.C., Moraes E.M., Adorno M.A.T., Falco P. B., Carvalho D. P., Deberdt G. L.B., Benassi S. F. Comparison of three methods for Chlorophyll determination: Spectrophotometry and Fluorimetry in samples containing pigment mixtures and spectrophotometry in samples with separate pigments through High Performance Liquid Chromatography // Acta Limnol. Bras. 2003. V. 15. P. 7–18.

20. Коновалов Б.В., Кравчишина М.Д., Беляев Н.А., Новигатский А. Н. Определение концентрации минеральной взвеси и взвешенного органического вещества по их спектральному поглощению // Океанология. 2014. Т. 54, № 5. С. 704.

21. Pelevin V., Zlinszky A., Khimchenko E., Toth V. Ground truth data on Chlorophyll-a, chromophoric dissolved organic constituents and suspended sediment concentrations in the upper water layer as obtained by LIF Lidar at high spatial resolution // International Journal of Remote Sensing. 2017. V. 38. P. 1967–1982.

22. Pelevin V., Zavialov P., Konovalov B., Zlinszky A., Palmer S., Toth V., Goncharenko I., Khymchenko L., Osokina V. Measurements with high spatial resolution of Chlorophyll-a, CDOM and total suspended constituents in coastal zones and inland water basins by the portable UFL Lidar // 35th EARSeL Symposium — European Remote Sensing: Progress, Challenges and Opportunities: Stockholm, Sweden. 2015.