Решение прямой и обратной задач в рамках дистанционного зондирования параметров качества природных вод

ВВЕДЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Основы процессов взаимодействия солнечного света с ноглошаюшими и рассеивающими водными средами, взволнованной ветром I рани цен воздух-вода и дном.............................. 14
1.1. Уравнение переноса излучения, механизмы ослабления и приращения излучения в водной среде, первичные и вторичные гидрооптические характеристики..............................
1.2.Влияние поглощения и упругого рассеяния света в волной среде на спектральное распределение коэффициента диффузного огражения......................................................... 21
1.3 Феноменология процесса комбинационного рассеяния воды................................................................ 25
1.4. Пигментные комплексы фитопланктона и феноменология флюоресценции хлорофилла...................................... 29
1.5.Природа флюоресценции РОВ...................................... 31
1.6.Оптические свойства дна. Влияние альбедо дна на яркость света,
выходящего из воды.............................................. 35
1.7. Влияние взволнованности поверхности волы и условий се освещения Солнцем и небосводом на восходящую яркость................ 40
Глава 2. Первичные гидрооптические характеристики природных вол................................................................... 45
2.1 .Основные оптически активные компоненты природных вод........
2.2.Удельные первичные гидрооптические характеристики основных ОАК........................................................... 49
2.3. Выводы по главе 2............................................. 58
з
І лава 3. Концептуальная схема методологическою подхода по
решению прямой и обратной задач......................................... 59
3.1 Общая схема методологического подхода и входные данные для
моделирования.....................................................
3.2. Численное решение прямой задачи................................. 66
3 2.1. Моделирование спектра коэффициента диффузного
отражения света водным столбом в приближении
поглощения и упругого рассеян ия.........................
3.2.2. Оценка влияния комбинационного рассеяния и флюоресценции на спектральное распределение коэффициента диффузного отражения........................................................ 68
3.2.3. Оценка влияния дна на спектральное распределение результирующего коэффициента диффузного отражения 76
3.2.4. Оценка влияния взволнованности поверхности воды и условий освещенности на восходящую яркость............................
3.2.5. Формирование радиометрических характеристик цвета воды как функций состава воды и освещенности приходящего солнечного излучения............................................. 89
3.3. Решение обратной задачи: алгоритмы восстановления параметров
качества воды.................................................. 94
3.3.1. Регрессионные алгоритмы.................................
3.3.2. Процедура многомерной оптимизации......................... 97
3.3.3. Метод нейронных сетей..................................... 99
3.3 4 Результаты и анализ численных экспериментов по решению
обратной задач и............................................... 102
а) без учета трансспектральных взаимодействий и влияния альбедо дна..............................................
б) с учетом трансспектральных взаимодействий и влияния альбедо дна............................................... 109
3.3.5. Итерационный подход для повышения точности
ІЗ
(NERSC, Берген, Норвегия), господину Л. Петтерссону (NERSC, Берген, Норвегия), исполнительному директору Института Макса Планка по Метеорологии проф. X. Грасслу (МРІМ. Гамбург, Германия), доктору С. Бакану (МРІМ, Гамбург, Германия), директору ERIM Europe Inc. господину Р. Шухману (ERIM, Анн Арбор, США), господину Ф. Танису (ER1M, Анн Арбор, США), зав. кафедрой ФЭОП СПбГЭТУ д. т. н. проф. А. А. Бузникову, зав. кафедрой физики атмосферы РГГМУ д. ф.-м. и. проф. А. Д. Кузнецову, директору института водных проблем севера д. г. и проф. Н. Н. Филатову (Петрозаводск).
14
Глава 1
ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОГО СВЕТА С ПОГЛОЩАЮЩИМИ И РАССЕИВАЮЩИМИ ВОДНЫМИ СРЕДАМИ, ВЗВОЛНОВАННОЙ ВЕТРОМ ГРАНИЦЕЙ ВОЗДУХ-ВОДА И ДНОМ
1. 1. Уравнение переноса излучения: механизмы ослабления и приращения излучения в водной среде, первичные н вторичные гидрооптические
характеристики
При визировании с высоты Ь водного объекта под зенитными и азимутальными углами (К> ф дистанционный датчик регистрирует спектральный яркостный сигнал Ц, который в общем случае является суммой нескольких компонентов:
£,(»1..г.Д)=(А1.(+0.^,Я)+1/(Ру1АЛГ#+Г(^,*.Я) (1.1.1)
гле /,„, /„• составляющие яркостного сигнала, сформированные соответственно светом, вышедшим из-под поверхности воды и отраженным поверхностью воды в направлении дистанционного датчика, Та - фактор, учитывающий ослабление яркостных сигналов 1Г при прохождении через атмосферный слой толщиной И, С - яркостный сигнал, обусловленный рассеянием солнечного света на молекулах воздуха и аэрозолем в направлении дистанционного датчика.
В данном исследовании мы исключаем из рассмотрения комплекса вопросов, связанных с влиянием атмосферы на полезный сигнал и представляющих собой самостоятельную тему, и ограничиваемся рассмотрением задачи создания более точных и работоспособных биооптических алгоритмов восстановления параметров качества природных вод на основе анализа спектрального состава полезного сигнала Таким образом, рассматривается ситуация, когда дистанционный датчик находится настолько близко к поверхности воды, что влиянием атмосферы на