Алгоритмы оценки биооптических характеристик в Финском заливе с использованием эмпирических ортогональных функций

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.

1. Ершова А.А., Коробченкова К.Д., Агранова Ю.С. Оценка состояния Финского залива по индикаторам эвтрофирования ХЕЛКОМ // Ученые записки РГГМУ. 2018. № 51. С. 137–149.

2. 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.

3. 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.

4. 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/S0030157413060063

5. Vazyulya 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.56–4.737

6. Вазюля 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.

7. 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).

8. Обухов А.М. О статистически ортогональных разложениях эмпирических функций // Известия академии наук СССР. Серия геофизика. 1960. № 3. С. 432–439.

9. 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.2013.09.024

10. Craig 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.2011.12.007

11. Qi 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/rs61110694

12. Моисеенко 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:10.21046/2070-7401-2020-17-1-42-49

13. Wozniak 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/rs8030212

14. Soja-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/rs9040343

15. 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. Vol. 37. P. 6329–6338.

16. 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.

17. Lange E. Plankton algae in ecological mapping of the Gulf of Finland // Baltic Floating University Research Bulletin. UNESCO, 2008. N 10. Р. 28–32.

18. 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.

19. 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.

20. Шеберстов С.В. Система пакетной обработки океанологических спутниковых данных // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12, № 6. С. 154–161.

21. 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/rs11060668

22. Glukhovets 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/rs12193210