Перспективные направления развития оптических дистанционных методов исследования океана
Аннотация
В статье содержится обзор основных задач и направлений оптики океана. Приводятся сведения об истории гидрооптики, о первичных гидрооптических характеристиках (ПГХ), методах их измерения и о физических и эмпирических моделях, позволяющих установить связь между различными ПГХ. Рассматриваются методы решения уравнения переноса излучения, дающие количественные сведения о световых полях естественного и искусственного, в том числе импульсного, излучения в море. Особое внимание уделяется дистанционным методам исследования океана, наиболее перспективным с точки зрения практического применения. Это – определение концентрации оптически активных веществ (фитопланктона, минеральной взвеси и растворенного органического вещества) при мультиспектральном зондировании океана; восстановление глубинных профилей ПГХ и обнаружение внутренних волн с помощью океанических лидаров; индикация нефтяных загрязнений поверхности моря; видение подводных объектов и морского дна с помощью систем наблюдения, расположенных на подводных, авиа и космических носителях. Приводится простая оптическая модель океанической атмосферы, необходимая для расчета видимости при авиа и спутниковом наблюдении. Рассматривается влияние взволнованной поверхности моря на видимость подводных объектов и методы устранения искажений изображения, вызванных поверхностным волнением.
При поддержке: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант 07-05-00099 и ONR, грант N000140610741 через проект CRDF RUG1-1619-NN-06.
Об авторе
И. М. Левин
Санкт-Петербургский филиал Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Россия
Россия
Санкт-Петербург
Список литературы
1. Spinrad R.W. Preface. Special issue «Hydrological optics». Limnology and Oceanography. 1989. V.34. N 8.
2. Johannessen S. Two thousand years of ocean optics. Opt. and Phon. News. NY. 2001. V.12. P.30-36.
3. Гершун А.А. Световое поле. ОНТИ. 1936. (См. также Гершун А.А. Избранные труды по фотометрии и светотехнике. М.: ГИТТЛ, 1958).
4. Берёзкин В.А., Гершун А.А., Янишевский Ю.Д. Прозрачность и цвет моря. Изд. ВМА, 1940.
5. Duntley S.Q. Light in the sea. J. Opt. Soc. Amer. 1963. V.53. N 2. P.214-233.
6. Иванов А.П. Физические основы гидрооптики. Минск: Наука и техника, 1975.
7. Preizendorfer R. Hydrologic Optics. NOAA. Honolulu. 1976.
8. Иванов А.П. Введение в океанографию / Пер. с франц. М.: Мир, 1978.
9. Ерлов Н.Г. Оптика моря / Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.
10. Монин А.С. (ред.) Оптика океана. М.: Наука, 1983. Т.1-2.
11. Шифрин К.С. Введение в оптику океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1983.
12. Gordon H.R., Morel A. Remote Assessment of Ocean Color for Interpretation of Satellite Visible Imagery: A Review. Springer. New York. 1983.
13. Kirk J.T.O. Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems. Cambridge University Press. NewYork. 1983.
14. Зеге Э.П., Иванов А.П., Кацев И.Л. Перенос изображения в рассеивающей среде. Минск: Наука и техника, 1985. 327 c.
15. Карабашев Г.С. Флюоресценция в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.
16. Долин Л.С., Левин И.М. Справочник по теории подводного видения. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
17. Dera J. Marine Physics. Elsevier. Amsterdam. 1992.
18. Mobley C.D. Light and Water: Radiative Transfer in Natural Waters / Academic Press. San Diego, 1994.
19. Walker R.E. Marine Light Field Statistics / Wiley. New York, 1994.
20. Dolin L.S., Levin I.M. Optics, Underwater. Encyclopedia of Applied Physics / VCH Publ. New York, 1995. V.12. P.571-601.
21. Dolin L.S., Levin I.M. Underwater optics. G. Brown et al. (Ed.) The Optics Encyclopedia. Wiley-VCH Publ. Weinheim, 2004. V.5. P.3237-3271.
22. Levin I.M., Gilbert G.D. (Ed.). Proceedings of the I International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW'2001) / D.S. Rozhdestvensky Optical Society. St.Petersburg, 2001.
23. Levin I.M., Gilbert G.D. (Editors). Proceedings of the II International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW'2003) / D.S. Rozhdestvensky Optical Society. St.Petersburg, 2003.
24. Levin I.M., Gilbert G.D. (Editors). Proceedings of the III International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW'2005) / D.S. Rozhdestvensky Optical Society. St.Petersburg, 2005.
25. Levin I.M., Gilbert G.D., Haltrin V.I., Trees Ch. (Editors). Current research on remote sensing, laser probing and imagery in natural water. SPIE Proceedings, 2007. V.6615.
26. Долин Л.С., Левин И.М., Радомысльская Т.М. Способ определения показателя рассеяния в жидких средах и устройство для его осуществления. Патент № 2018116 по заявке 5016397/25 // Бюллетень изобретений. 1994. № 15.
27. Dolin L.S., Levin I.M., Radomyslskaya T.M. New instrument for measuring the scattering coefficient and the concentration of suspended particles in turbid water. SPIE Proceedings // Ocean Optics XII, J.S.Jaffe (ed.). 1994. V.2258. P.522-528.
28. Dolin L.S., Levin I.M. Optimal design of instruments for determining total scattering coefficient in sea water: theoretical background // Proceedings of the International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters" (ONW'2001), I.Levin and G.Gilbert, Ed. D.S.Rozhdestvensky Optical Society. St.Petersburg, 2001. P.334-339.
29. Pope R.M., Fry E.S., Montgomery R.L., Sogandares F. Integrating Cavity Absorption Meter: Measurement Result. SPIE Proceedings // Ocean Optics, 1990. V.1302. P.165-175.
30. Zaneveld J.R.W., Kitchen J.C., Moore C.C. Scattering error correction of reflecting tube absorption meters. SPIE Proceedings // Ocean Optics XII, J.S. Jaffe (ed.). 1994. V.2258. P.44-55.
31. Voss K.J. Use of radiance distribution to measure the optical absorption coefficient in the ocean // Limnology and Oceanography. 1989. V.34. N 8. P.1614–1622.
32. Левин И.М., Николаев В.П. Новый метод определения спектральных значений показателя поглощения и параметра вытянутости индикатрисы рассеяния света водой // Океанология. 1992. № 6. Т.32. С.1145-1150.
33. Arnone R.A., Tucker S., Hilder F. Secchi depth atlas of the world coastlines. SPIE Proceedings, Ocean Optics VII. 1984. V.489. P.195-201.
34. Simonot J.-Y., Trout H. A climatological field of mean optical properties of the World Ocean // Journal of Geophysical Research. 1986. V.91. N C5. P.6642-6646.
35. Sydor M., Arnone R.A. Effect of suspended particulate and dissolved organic matter on remote sensing of coastal and riverine waters // Applied Optics. 1997. V.36. N 27. P.6905-6912.
36. Pope R., Fry E.S. Absorption spectrum (380-700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements // Applied Optics. 1997. V.36. N 33. P.8710-8723.
37. Prieur L., Sathyendranath S. An optical classification of coastal and oceanic waters based on the specific spectral absorption curves of phytoplankton pigments, dissolved organic matter, and other particulate materials// Limnology and Oceanography. 1981. V.26, N 4. P.671-689.
38. Sathyendranath S., Prieur L., Morel A. A three-component model of ocean colour and its application to remote sensing of phytoplankton pigments in coastal waters // International Journal of Remote Sensing. 1989. V.10. N 8. P.1373-1394.
39. Bricaud A., Babin M., Morel A., Claustre H. Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplankton: Analysis and parameterization // Journal of Geophysical Research. 1995. V.100. No C 7, P.13,321-13,332.
40. Kopelevich O.V. The current low-parametric models of seawater optical properties // Proceedings of the I International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW'2001). I.Levin and G.Gilbert, Editors. D.S.Rozhdestvensky Optical Society. St.Petersburg. 2001. P.18-23.
41. Morel A., Antoine D., Gentili B. Biderectional reflectance of oceanic waters: accounting for Raman emission and varying particle scattering phase function // Applied Optics. 2002. V.41. N 30. P.6289-6306.
42. Sathyendranath S., Cota G., Stuart V., Maass H., Platt T. Remote sensing of phytoplankton pigments: a comparison of empirical and theoretical approaches // Journal of Remote Sensing. 2001. V.22. N 2&3. P.249 –273.
43. Gould R.W., Arnone R.A., Martinolich P.M. Spectral dependence of the scattering coefficient in case 1 and case 2 waters // Applied Optics. 1999. V.38. N 12. P.2377-2383.
44. Копелевич О.В. Оптические свойства морской воды // Оптика океана / Под ред. А.С.Монина. Л.: Наука, 1983. Т.1. C.150-234.
45. Barnard A.H., Pegau W.S., Zaneveld J.R.V. Global relationships of the inherent optical properties of the oceans // Journal of Geophysical Research. 1998. V.103. N C11. P.24,955-24,968.
46. Voss K. A spectral model of the beam attenuation coefficient in the ocean and coastal areas // Limnology and Oceanography. 1992. V.37. N 3. P.501-509.
47. Левин И., Копелевич O. Корреляционные соотношения между первичными гидрооптическими характеристиками в спектральном диапазоне около 550 нм // Океанология, 2007. № 3. C.374–379.
48. Levin I.M. Back to the Secchi depth theory: when, why, and how can it be used? Proceedings of the II International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW'2003). I.Levin and G.Gilbert, Ed. D.S.Rozhdestvensky Optical Society. St.Petersburg. 2003. P.231-238.
49. Кейз К., Цвайфель П. Линейная теория переноса / Пер. с англ. М.: Мир, 1972.
50. Gordon H.R. Simple calculation of the diffuse reflectance of the ocean // Applied Optics. 1973. V.12. N 12. P.2803-2804.
51. Голубицкий Б.М., Левин И.М., Танташев М.В. Освещенность в морской воде от бесконечно широкого пучка // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1974. Т.10. № 7. С.798-801.
52. Голубицкий Б.М., Левин И.М. Пропускание и отражение слоя среды с сильно анизотропным рассеянием // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1980. Т.16. № 10. C.1051-1058.
53. Долин Л.С. Автомодельное приближение в теории многократного сильно анизотропного рассеяния света // Доклады АН СССР. 1981. Т.260. № 6. C.1344-1347.
54. Левин И.М. Следствие теоремы оптической взаимности для рассеивающих сред // Оптика и спектроско- пия. 1986. Т.6. № 5. C.1148-1150.
55. Левин И.М. О коэффициенте яркости моря: учет молекулярного рассеяния // Океанология. 1997. Т.37. № 2. C.192-194.
56. Gordon H.R., Brown O.B., Evans R.H., Brown J.W., Smith R.C., Baker K.S., Clark D.K. A semianalytic radiance model of ocean color // Journal of Geophysical Research. 1988. V. 93. N D2, P.10,909-10,924.
57. Долин Л.С. О рассеянии светового пучка в слое мутной среды // Известия вузов. Радиофизика. 1964. Т.7. № 2. C.380-382.
58. Долин Л.С. О распространении узкого пучка света в среде с сильно анизотропным рассеянием // Известия вузов. Радиофизика. 1966. Т.9. № 1. C.61-71.
59. Браво-Животовский Д.М., Долин Л.С., Савельев В.А., Лучинин А.Г. О структуре узкого пучка света вморской воде // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1969. Т.5. № 2. C.160-167.
60. Долин Л.С., Савельев В.А. Новая модель размытия светового пучка в среде с сильно анизотропным рассеянием // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2000. Т.36. № 6. C.794-801.
61. Долин Л.С. Модель размытия светового пучка в стратифицированной мутной среде // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2002. Т.38. № 2. C.273-281.
62. Гольдин Ю.А., Долин Л.С., Пелевин В.Н. Световое поле от искусственных источников света в океане // Оптика океана / Под ред. А.С.Монина. Л.: Наука, 1983. Т.1. C.307-343.
63. Долин Л.С. О прохождении импульсного светового сигнала через поглощающую среду с сильно анизотропным рассеянием // Известия вузов. Радиофизика. 1983. Т.26. № 3. C.300-309.
64. Gordon H.R., Clark D.K., Brown J.W., Evans R.H., Broenkov W.W. Phytoplankton pigment concentrations in the Middle Atlantic Bight: comparison of ship determinations and CZCS estimates // Applied Optics. 1983. V.22. N 1. P.20-36.
65. Gordon H.R. Atmospheric correction in ocean color imagery in the Earth Observing System era // Journal of Geophysical Research. 1997. V.102. N D14. P.17,081–17,106.
66. Chomko R., Gordon H.R. Atmospheric correction of ocean color imagers: test of spectral optimization algorithm with the Sea-viewing Wide Field of View Sensor // Applied Optics. 2001. V.40, No 18. P.2973-2984.
67. O’Reilly J.E., Maritorena S., Mitchell B.G., Siegel D.A., Carder K.L., Garver S.A., Kahru M., McClain C. Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS // Journal of Geophysical Research. 1998. V.103. N C11. P.24,937–24,953.
68. Соболев В.В. Рассеяние света в атмосферах планет. М.: Наука, 1972. 332 с.
69. Levin I.M., Radomyslskaya T.M., Sheberstov S.V. Simple optical model of atmosphere radiance for the problem of bottom imaging from air // Proceedings of the III International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW'2005). I.Levin and G.Gilbert, Ed. D.S.Rozhdestvensky Optical Society. St.Petersburg. 2005. P.164-169.
70. Gregg W.W., Carder K.L. A simple spectral solar irradiance model for cloudless maritime atmospheres // Limnology and Oceanography. 1990. V.35, N 8. P.1657-1675.
71. Gordon H.R., Castano D.J. Aerosol analysis with the Coastal Zone Color Scanner: a simple method for including multiple scattering effects // Applied Optics. 1989. V.28, N 7. P.1320-1326.
72. Шифрин К.С., Минин И.Н. О негоризонтальной теории видимости // Труды ГГО (Главной Геофизической Обсерватории). Л.: ГГО, 1957. Т.68. C.5-75.
73. Шифрин К.С. Оптические свойства атмосферы над океаном // Рассеяние и поглощение света в природных и искусственных дисперсных средах. Минск: Институт физики, 1991. С.277-288.
74. Lee Z., Carder K.L., Mobley C.D., Steward R.G., Patch J.S. Hyperspectral remote sensing for shallow waters: 2. Deriving bottom depths and water properties by optimization // Applied Optics. 1999. V.38. N 18. P.3831-3843.
75. Козлов В.П. Избранные труды по теории планирования эксперимента и обратным задачам оптического зондирования. СПб.: Санкт-Петербургский Государственный Университет, 2000.
76. Kozlov V.P., Levin I.M., Zolotukhin I.V. Optimum selection of spectral channels in the problem of remote sensing of phytoplankton concentration in ocean water. Proc. of Pacific Ocean Remote Sensing Conference (PORSEC-92). Okinava. 1992. P.1073-1075.
77. Levin I.М., Zolotukhin I.V. Method of experimental design for optical remote sensing of chlorophyll concentration in ocean waters // J.Jaffe (Ed.). SPIE Proceedings. Ocean Optics XII. 1994. V.2258. P.861-869.
78. Золотухин И.В., Левин И.М. Оптимальное планирование эксперимента в задаче дистанционного определения содержания оптически активных веществ в океане // Доклады РАН. 1997. Т.354. № 6. C.817-820.
79. Золотухин И.В., Левин И.М. Применение теории оптимального планирования эксперимента в задаче дистанционного определения концентрации фитопланктона и других оптически активных веществ в океане // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1999. Т.35. N 5. C.679-688.
80. Левин И.М., Левина Е.И., Гильберт Г.Д., Стюарт С.Ю. Оптимальный алгоритм дистанционного опре- деления оптически активных веществ в океане с помощью многоканального спектрометра // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2005. Т.41. № 5. C. 693-701.
81. Levin I., Levina E., Gilbert G., Stewart S. Role of sensor noise in hyperspectral remote sensing of natural waters: Application to retrieval of phytoplankton pigments // Remote Sensing of Environment. 2005. V.95. N 2. P.264-271.
82. Levin I.M. and Levina E.I. Effect of atmospheric interference and sensor noise in retrieval of optically active materials in the ocean by hyperspectral remote sensing // Applied Optics. 2007. v.46. N 28. P.6896-6906.
83. Фадеев Д.Н., Клышко В.В. Дистанционное определение концентрации примесей в воде методом лазер- ной спектроскопии с калибровкой по Рамановскому рассеянию // Доклады АН СССР. 1978. Т.23, № 1. C.55-57.
84. Osadchy V.Ju., Shifrin K.S., Gurevich I.Y. The airborne indification of oil films at the Caspian sea surface using CO2 Lidar // Oceanologia Acta. 1999. V.2. N 1. P.51-56.
85. Dolina I.S., Dolin L.S., Levin I.M., Rodionov A.A. Diagnostic abilities of oceanic lidars // Proceedings of the IIIморской воде // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1969. Т.5. № 2. C.160-167.
86. Dolina I.S., Dolin L.S., Levin I.M., Rodionov V.A., Savel'ev V.A. Inverse problems of lidar sensing of the ocean // «Current research on remote sensing, laser probing and imagery in natural water». SPIE Proceedings. 2007. V.6615. 66150C (10 pages).
87. Лисицин А.Л., Виноградов М.Е., Романкевич Е.А. (ред.). Опыт системных океанологических исследований в Арктике. М.: Научный мир, 2001.
88. Gossard E.E., Hooke W.H. Waves in the atmosphere // Elsevier. Amsterdam. 1975.
89. Фадеев В.В., Чубаров В.В. Количественное определение нефтепродуктов в воде методами лазерной спектроскопии // Доклады АН СССР. 1981. Т.261. № 2. C.342-346.
90. Levin I.M. Spectral contrast of oil films on the sea surface: influence of water type, wind velocity and solar altitude. In: J.Jaffe (Ed.). SPIE Proceedings, Ocean Optics XII. Bergen. 1994. V. 2258. P.759-767.
91. Алешин И.В., Гончаров В.К., Осадчий В.Ю., Левин И.М., Радомысльская Т.М., Клементьева Н.Ю., Колобков В.С., Зеленский В.В., Джун Ли. Современные методы и технические средства обнаружения в толще морской среды аварийных утечек нефти из подводных нефтепроводов // Морской вестник. 2006. № 2(18). C.78-82.
92. Левин И.М. О наблюдении объектов, освещенных узким световым пучком, в рассеивающей среде // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1969. Т.5. № 1. C.62-76.
93. Браво-Животовский Д.М., Долин Л.С., Лучинин А.Г., Савельев В.А. Некоторые вопросы теории видения в мутных средах // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1969. Т.5. № 7. C.672-684.
94. Mertens L.E., Replogle F.S. Use of point spread and beam function for analysis of imaging systems in water. J. Opt. Soc. Amer. 1977. V.67. No 8. P.1105-1117.
95. Левин Е.И., Левин И.М. К теории подводного видения при произвольной диаграмме направленности излучателя или приемника // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1989. Т.25. № 9. C.979-987.
96. Мулламаа Ю.А.-Р. Влияние взволнованной поверхности моря на видимость подводных объектов // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1975. Т.11. № 2. C.199-205.
97. Лучинин А.Г. Некоторые закономерности формирования изображения шельфа при его наблюдении через взволнованную поверхность моря // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1981. Т.17. № 7. C.732-735.
98. Вебер В.Л. О влиянии волнения на качество изображения, полученного при наблюдении через взволнованную поверхность // Оптика атмосферы и океана. 1992. Т.5. № 8. C.869-875.
99. Лучинин А.Г. Об основных принципах формирования изображения подводных объектов при наблюдении через взволнованную поверхность // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1996. Т.32. № 2. C.296-302.
100. Gilbert G.D., Dolin L.S., Levin I.M., Luchinin A.G, Stewart S.E. An application of an advanced stochastic bottom imaging model for airborne hyperspectral imager data collection // SPIE Proceedings, Ocean Optics: Remote sensing and underwater imaging. 2002. V.4488. P.36-45.
101. Гильберт Г.Д., Долин Л.С., Левин И.М., Лучинин А.Г., Стюарт С. Влияние условий освещения на видимость морского дна // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2006. Т.42. № 2. C.126-135.
102. Dolin L., Gilbert G., Levin I., Luchinin A. Theory of imaging through wavy sea surface // Institute of Applied Physics. 2006.
103. Осадчий В.Ю., Левин И.М., Савченко В.В., Французов О.Н. Лабораторно-модельная установка для исследования переноса излучения и изображения через взволнованную водную поверхность // Океанология. 2004. Т.44. № 1. C.154-159.
104. Долин Л.С., Лучинин А.Г., Турлаев Д.Г. Алгоритм восстановления изображений подводных объектов, искаженных поверхностным волнением // Известия. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 2004. Т.40. № 6. C.842-850.
105. Лучинин А.Г., Долин Л.С., Турлаев Д.Г. О коррекции изображений подводных объектов при неполной информации о поверхностном волнении // Известия. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 2005. Т.41. № 2. C.272-277.
106. Вебер В.Л. Наблюдение подводных объектов через бликовые участки морской поверхности // Известия вузов. Радиофизика. 2005. Т.48. № 1. C.38-52.
107. Osadchy V.Yu., Savtchenko V.V., Levin I.M., Frantzuzov O.N., Rybalka N.N. Correction of images distorted by wavy water surface: a laboratory experiment // Proceedings of the IV International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW'2007). Niznij Novgorod. Institute of Applied Physics. 2007. P.91-93.
Рецензия
Для цитирования:
Левин И.М. Перспективные направления развития оптических дистанционных методов исследования океана. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2008;(1):14-47.
For citation:
Levin I.M. Promising lines of studying the ocean by optical remote sensing metods. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2008;(1):14-47. (In Russ.)
Просмотров:
129
Послать статью по эл. почте 