Способ определения удельной массы нефтяных пленок на водной поверхности по гиперспектральным данным дистанционного зондирования Земли Российский патент 2019 года по МПК G01N21/3577 

Изобретение относится к области обработки данных гиперспектральной (ГС) аэрокосмической съемки и может быть использовано для определения количественных показателей, которые необходимы для оценивания вреда, причиненного водному объекту вследствие загрязнения пленками нефтепродуктов (НП), в соответствии с требованиями нормативно-методических документов, устанавливающих порядок исчисления эколого-экономического ущерба.

В настоящее время в интересах экологического мониторинга морей и внутренних водоемов все более активно используются авиационные и космические средства наблюдения, позволяющие оперативно проводить обследования обширных акваторий. Вместе с тем практическое применение материалов аэрокосмической съемки существенно ограничивается тем обстоятельством, что информации только о местоположении и типе загрязнения, как правило, недостаточно для оценивания степени опасности выявленного негативного воздействия и размера ущерба, нанесенного водному объекту. Для определения этих показателей в соответствии с действующими нормативно-методическими документами [1] необходимо знание не только площади распространения загрязняющего вещества, но и его удельной массы - характеристики, которая по данным дистанционного зондирования непосредственно не измеряется.

Известны следующие традиционно используемые способы определения удельной массы НП:

1) Метод визуального определения на основе анализа формы и цветности пленок НП [1].

2) Судовые инструментальные измерения (отбор проб). Существенным недостатком первого метода является зависимость

результатов от квалификации эксперта и большая вероятность "ложных тревог" - случаев ошибочного отнесения к загрязнениям неоднородностей морской поверхности, вызванных естественными причинами. Например, тонкие белесовато-маслянистые нефтяные пятна на воде визуально схожи с пленками биогенного происхождения. Отражение облаков на водной поверхности может быть ошибочно идентифицировано как пленка НП белесовато-серого или серовато-стального цвета.

Ограничения судовых инструментальных измерений связаны с существенными временными затратами при обследовании значительных по площади акваторий и их локальным характером, что не позволяет получить объективную картину о степени загрязненности всей акватории, в том числе вследствие сравнительно быстрого перемещения пленок НП в водном объекте под влиянием ветра и течений.

К альтернативному способу оценки состояния акваторий относится применение аэрокосмических средств сбора данных о состоянии окружающей среды, преимуществом которых является оперативность получения исходной информации и большой пространственный охват.

Традиционно используемые средства аэрокосмического мониторинга в автоматическом режиме обеспечивают только обнаружение пленок НП, а также определение границ и направления их распространения в акватории [2-8].

Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом) к предъявляемому изобретению является способ, направленный на использование ГС данных аэрокосмического зондирования для оценки загрязнений водных объектов пленками НП и взвешенными веществами [9]. Способ основан на использовании системы информативных признаков для определения контуров и параметров загрязнений типа нефтяных пленок, органических и минеральных веществ по отражательным спектральным характеристикам водной поверхности. Применительно к НП авторами была обоснована система спектральных признаков [10], позволяющая при обработке ГС изображений не только обнаруживать пленки НП, но и селектировать их от зон распространения фитопланктона, имеющих с загрязнениями схожие спектры.

Недостатком прототипа является то, что ранжирование пленок НП производится только на два класса в зависимости от толщины - мощные и тонкие, что недостаточно для определения удельной массы НП.

Задача, решаемая данным изобретением, состоит в реализации автоматизированной классификации пленок НП по удельной массе на основе использования оригинальных спектральных признаков, характеризующих физическую природу потока излучения от чистой и загрязненной нефтепродуктами водной поверхности. Эти признаки представляют собой результат экспертного анализа и последующей формализации установленных в ходе специально проведенных экспериментов особенностей спектральных характеристик пленок НП, которые устойчиво наблюдались при различных условиях и соответствовали теоретическим закономерностям распространения оптического излучения в водной среде.

Классификация пленок НП по удельной массе производится в зависимости от их цветности (таблица 1) в соответствии с рекомендациями нормативно-методических документов.

Обязательным условием для успешной реализации всех алгоритмов (решающих правил), составляющих способ, является обеспечение геопривязки, радиометрической калибровки (в величинах коэффициента спектральной яркости (КСЯ)) и атмосферной коррекции обрабатываемых ГС изображений.

Использовавшиеся для установления спектральных признаков типовые спектральные характеристики пленок НП различных классов приведены на фиг. 1.

Функциональная схема, реализующая способ, представлена на фиг. 2 и предусматривает выполнение следующей последовательности действий.

Выделение мощных пленок НП, относящихся к пятому классу по цветности, производится с помощью спектрального признака, рассмотренного в работе [10].

Остальные, более тонкие, пленки НП, попадающие в классы цветности с первого по четвертый, в целом характеризуются монотонным уменьшением значений КСЯ в видимом и ближнем инфракрасном (БИК) диапазонах спектра. Для их дальнейшего ранжирования предлагается использовать следующие особенности спектральных характеристик пленочных нефтезагрязнений:

1) По сравнению с другими тонкими пленками в спектре пленок НП классов 1-2 наблюдаются существенно меньшие (вследствие не столь интенсивной флуоресценции) величины КСЯ в фиолетовой полосе, что позволяет в качестве спектрального признака для выделения этих загрязнений использовать яркостной контраст С_440-450 с чистой водой в спектральном интервале 440-450 нм. Пороговое значение признака для принятия решения о принадлежности пленок к первому или второму классу по результатам обработки экспериментальных данных установлено на уровне 0,2:

где - КСЯ пленки НП и чистой водной поверхности в интервале длин волн 440-450 нм.

2) Основное отличие спектральных свойств пленок НП классов 1 и 2 между собой заключается в том, что первые в БИК области спектра (более 750 нм) имеют незначительные яркостные контрасты с чистой водой, так как солнечное излучение практически полностью, не отражаясь, проходит через такие очень тонкие пленки. Данный факт можно формализовать в виде следующего признака распознавания пленок первого класса по пороговому значению 0,35:

3) Наиболее сложно при автоматической обработке ГС данных разделяются пленки НП 3 и 4 класса. Вместе с тем анализ их спектральных характеристик позволяет отметить, что вследствие ярко выраженной цветности для пленок третьего класса в полосе 440-650 нм характерно монотонное достаточно существенное уменьшение или увеличение КСЯ с длиной волны, в то время как у тусклых пленок четвертого класса функция КСЯ имеет заметно более медленно убывающий тренд (фиг. 3).

Отмеченная закономерность позволяет для идентификации пленок четвертого класса ввести следующий спектральный признак:

где - производная линейно аппроксимированной на интервале 440-650 нм функции КСЯ пленки НП.

Способ относится к области обработки информации и реализован в виде программного комплекса с высокой степенью автоматизации процесса тематической обработки ГС данных, что обеспечивает оперативность получения информации о существующих загрязнениях акватории и размере вреда, нанесенного водному объекту.

Способ оценки удельной массы пленок НП верифицирован по ГС данным аэрокосмического зондирования прибрежных участков акватории Черного и Баренцева морей. Способ обеспечивает высокую оперативность, объективность и точность по сравнению с ближайшими аналогами.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи повышения оперативности и достоверности получения информации об экологическом состоянии акватории и принятии управленческих решений в области охраны водных объектов.

В результате реализации заявленного способа специалистам в области гидрографии, а также научным и инженерным учреждениям выдается унифицированная информационная продукция о загрязнениях в цифровом картографическом представлении. Определяемые показатели удельной массы НП позволяют производить расчет эколого-экономического ущерба и могут быть применимы в интересах информационной поддержки деятельности органов государственной власти (Росприроднадзора), связанной с надзором в области использования и охраны водных объектов, а также при принятии управленческих решений по определению срочности и приоритетности мероприятий по ликвидации выявленных загрязнений акваторий. Таким образом, способ отвечает критерию "промышленная применимость".

Используемые ссылки:

1. Об утверждении Методики исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства [электронный ресурс]: приказ Минприроды России от 13.04.2009 г. №87 (ред. от 26.08.2015 г.). - Доступ из информ. - справ. системы «Техэксперт»: htpp://www.docs.cntd.ru/document/902159034.

2. Бондур, В.Г. Аэрокосмические методы и технологии мониторинга нефтегазоносных территорий и объектов нефтегазового комплекса / B.Г. Бондур // Исследование Земли из космоса. - 2010. - №6. - С. 3-17.

3. Лаврова, О.Ю. Нефтяные загрязнения морской поверхности: взгляд из космоса / О.Ю. Лаврова, М.И. Митягина // Природа. - 2015. - №9. - C. 83-89.

4. Мельников, Г.С. Метод и аппаратура дистанционного обнаружения, распознавания и количественного анализа разливов нефти на морской поверхности / Г.С. Мельников, В.М. Самков, Б.С. Товбин, О.А. Дерин // Оптический журнал. - 2013. - №6(80). - С. 36-42.

5. Неконтактный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды: пат. 2387977 Рос. Федерация: МПК G01N 21/55 / Белов М.Л., Городничев В.А., Козинцев В.И., Федотов Ю.В.; заявитель и патентообладатель МГТУ им. Н.Э. Баумана. - №2008151936/28; заявл. 29.12.2008; опубл. 27.04.2010, Бюл. №12.

6. Clark, R. N. A method for quantitative mapping of thick oil spills using imaging spectroscopy / R. N. Clark, G. A. Swayze, I. Leifer et al. - U.S. Geological Survey, Reston, Virginia, 2010. - III, 51 p.

7. Svejkovsky, J. Real-time detection of oil slick thickness patterns with a portable multispectral sensor / J. Svejkovsky, J. Muskat. - U.S. Department of the Interior Minerals Management Service, 2006. - 37 p.

8. Fingas, M. Review of oil spill remote sensing / M. Fingas, C. Brown // Marine Pollution Bulletin. - 2014. - №83. - P. 9-23.

9. Способ оценки уровня загрязнения акваторий по гиперспектральным данным аэрокосмического зондирования: пат. RU 2616716 С2: МПК G01N 21/55 / Григорьева О.В., Жуков Д.В., Марков А.В., Саидов А.Г.; заявитель и патентообладатель ВКА имени А.Ф. Можайского. - №2015102402; заявл. 26.01.2015; опубл. 18.04.17, Бюл. №11.

10. Жуков, Д.В. Спектральные признаки для идентификации типовых загрязнений акваторий морей по данным авиационной и космической съемки / Д.В. Жуков // Оптика атмосферы и океана. - 2016. - Т. 29. №07. - С. 560-565.

Изобретение относится к области экологического мониторинга природных объектов и касается способа определения удельной массы пленок нефтепродуктов на водной поверхности по гиперспектральным данным дистанционного зондирования Земли. Способ включает в себя использование для определения удельной массы классов цветности пленок, устанавливаемых на основе оригинальных спектральных признаков, выявленных в результате исследования закономерностей изменения коэффициентов спектральной яркости водной поверхности в узких полосах видимого и ближнего инфракрасного диапазонов электромагнитного спектра, проявляющихся при загрязнении водных объектов пленками нефтепродуктов различной цветности. Технический результат заключается в повышении оперативности и достоверности получаемой информации. 3 ил.

Способ определения удельной массы пленок нефтепродуктов на водной поверхности по гиперспектральным данным дистанционного зондирования Земли, отличающийся тем, что используемые для определения удельной массы классы цветности пленок устанавливаются на основе оригинальных спектральных признаков, выявленных в результате исследования закономерностей изменения коэффициентов спектральной яркости водной поверхности в узких полосах видимого и ближнего инфракрасного диапазонов электромагнитного спектра, проявляющихся при загрязнении водных объектов пленками нефтепродуктов различной цветности.