Дистанционные методы исследования полей гидрофизических характеристик поверхностного слоя озера Байкал
Сутырина Е.Н., 
аспирантка географического факультета 
Иркутского государственного университета
1 Постановка задачи
Внутренний водоем представляет собой весьма уязвимую систему, так как является по своему гидрографическому положению естественным коллектором для питающего его водосбора. Самоочистительный потенциал озера действует до тех пор, пока не нарушена его экосистема.
В число неблагоприятных факторов входит не только антропогенное загрязнение водосбора и попадание излишков биогенных и других, не свойственных в естественных условиях элементов в водоем, но и нарушение его естественного гидрологического режима, вызванного зарегулированием стока. Следовательно, хотя изменение качества воды это, прежде всего изменение ее биохимического состояния, тем не менее, причиной этих явлений может быть не только биохимическое загрязнение.
Для понимания многих лимнологических процессов, озерной гидродинамики и биологии в целом, необходима детальная и оперативная информация о происходящих в водоеме процессах, что далеко не всегда можно обеспечить традиционными наземными методами даже там, где регулярно проводятся исследования. Дистанционные методы исследования природных объектов обеспечивают большую обзорность, возможность регулярного получения данных, применения комплексного анализа и оценки временной динамики развития явления. Они все шире применяются и для водных объектов. 
Появление эксплуатационных и экспериментальных спутниковых систем нового поколения (американских AVHRR/NOAA и SEAWIFS/SEASTAR, MODIS/TERRA, европейской ATSR/ERS, японской OCTS/ADEOS) позволяющих быстро и с большой точностью измерять ряд параметров поверхностного слоя вод Мирового океана, а так же ожидаемые в ближайшее время аппараты для оптического мониторинга водных экосистем дадут принципиальную возможность получения информации высокого пространственного и спектрального разрешения о параметрах состояния экосистем крупных внутренних водоемов. По мнению ряда исследователей, крупные озерные экосистемы являются уникальными моделями функционирования глобальных экосистем, и их изучение подводит нас к пониманию закономерностей взаимодействия всего многообразия биогеохимических связей. Учитывая тот факт, что построение мониторинговых полигонов, основанных на традиционных контактных измерениях, для водных объектов площадью более 5 тысяч км2 требует огромных материальных затрат, в ближайшем будущем дистанционные спутниковые методы являются единственной адекватной альтернативой судовым измерениям.
В связи с этим в научных кругах интенсифицировались разработки, связанные с выяснением сфер и границ применимости многоканальной спутниковой информации, построением алгоритмов ее обработки. Исследуются различного рода параметры, которые возможно с достаточной степенью точности определить по дистанционным данным – состояние ледового покрова и степень его заснеженности, температура поверхности воды, радиационный баланс, уровень, волнение, содержание взвешенного вещества. 
Препятствием для непосредственного использования данных дистанционного зондирования является надежность их количественной интерпретации. Спутниковый сенсор регистрирует интенсивность потока электромагнитного излучения, который проходя от подстилающей поверхности до верхней границы атмосферы в значительной степени трансформируется, и встает нетривиальный вопрос о восстановлении параметров поверхности (альбедо, температуры, диэлектрической проницаемости и др.) с учетом трансформации излучения в атмосфере. Эта задача назвается «атмосферной коррекцией» данных дистанционного зондирования. Для ее решения имеется два принципиальных подхода: 
	- на основании детальных данных о состоянии атмосферы, вертикальном распределении поглощающих и рассеивающих субстанций (водяного пара, углекислого газа, озона, метана окислов азота, атмосферного аэрозоля) в точке зондирования восстанавливается сигнал на уровне подстилающей поверхности. Этот путь является более обоснованным, но на настоящем этапе развития средств наблюдения полный «набор» данных о состоянии атмосферы получить невозможно, а математические методы расчета переноса излучения с учетом многократного отражения и переизлучения в атмосфере носят приближенный характер;
	- второй подход основан на использовании «подспутниковых» измерений параметров подстилающей поверхности в точке зондирования для выяснения их связей с сигналом, регистрируемым спутником. Этот подход проще реализуем и получил наибольшее развитие в настоящее время. 
В любом случае, при формировании спутниковой системы мониторинга параметров подстилающей поверхности необходим этап верификации и калибровки спутниковых данных с помощью подспутниковых контактных наблюдений. Кроме того, дистанционно определяются только параметры поверхностного слоя, которые не отражают существенно трехмерной структуры водной экосистемы. Наиболее адекватную информацию возможно получить только при совместном анализе пространственно распределенных спутниковых данных и детальной контактной информации о вертикальной структуре водной толщи. Для таких параметров как температура, концентрация хлорофилла и взвешенного вещества разрабатываются численные процедуры усвоения спутниковых данных в моделях динамики процессов в водной толще. Хорошо известны алгоритмы усвоения спутниковых данных, развиваемые на основе идей Г.И. Марчука, Гилла, Робинсона в гидродинамических моделях физических процессов в морях и океанах. 
Мониторинг состояния экосистемы озера Байкал, уникального природного объекта, внесенного в список всемирного наследия ЮНЕСКО, включает целый ряд измеряемых и анализируемых параметров. Измерения отдельных параметров, таких как температура, волнение, уровень производятся достаточно давно и регулярно на метеорологических станциях и полигонах Лимнологического института. Но следует учитывать, что эти измерения отражают процессы, происходящие в прибрежных зонах, и не могут быть распространены на всю акваторию озера. Эпизодические измерения, проводимые на НИС, позволили развить модели основных процессов, происходящих в поверхностном слое озера и их связь с глубинными процессами. 
Использование средств и методов космического мониторинга экосистемы озера Байкал, позволяет получать качественно новую пространственно-временную информацию об озере. Такого рода регулярный контроль дает уникальные данные о характеристиках пространственного распределения водных экосистем, их сезонной и межгодовой изменчивости, реакции на климатические изменения и антропогенное воздействие. 
В целом, имеющийся опыт в исследованиях озера Байкал, огромный материал натурных измерений, накопленный массив спутниковых снимков и разработанная совместно с автором методика исследований дают основание считать, что по степени полноты анализа отдельных процессов уровень ожидаемых результатов сопоставим с мировым, а с точки зрения разработки новых для Байкала методов обработки данных дистанционного зондирования является уникальным. Методики обработки спутниковой и наземной информации, алгоритмы калибровки и верификации спутниковых данных, разработанное программное обеспечение будут основой дистанционного мониторинга состояния поверхности озера Байкал.

2 Имеющийся научный задел
Предлагаемая научно-исследовательская работа является продолжением дипломной работы Сутыриной Е.Н. «Дистанционные методы оценки температуры поверхности воды озера Байкал», которая была посвящена исследованию применимости метода пассивного дистанционного зондирования для определения температуры поверхности воды озера Байкал. В рамках данной работы решались первоочередные задачи по созданию системы обработки данных дистанционного радиометрического зондирования на предмет оценки полей температуры поверхности воды озера Байкал, к которым относятся верификация алгоритмов восстановления температуры воды и разработка программного обеспечения для автоматизации всего процесса обработки от этапов получения данных до предоставления готового продукта потребителям.
Результатом проведенной работы стали разработка и внедрение автоматизированной системы обработки данных дистанционного зондирования на предмет восстановления полей температуры поверхности воды озера Байкал с использованием разработанных Сутыриной Е.Н. региональных регрессионных алгоритмов в Центре космического мониторинга Института солнечно-земной физики СО РАН.
В рамках работы над диссертационной работой, посвященной исследованию взаимодействия пограничных слоев атмосфера-водоем на основе космической информации, также разработаны подлежащие калибровке по натурным данным алгоритмы оценки полей течений на поверхности с помощью анализа последовательных изображений и алгоритмы классификации ледово-снежного покрова озера по спутниковым данным. 
Основные результаты проделанной работы неоднократно докладывались на конференциях и были опубликованы в сборнике трудов II Всероссийской школы-семинара молодых ученых с международным участием «Леоновские чтения - 2006» и в журнале «Естественные и технические науки». 
Для продолжения исследований в заданном направлении основным источником данных будет служить многоспектральная информация со спутников серии NOAA, получаемая станциями приема ИСЗФ СО РАН и Иркутской базы авиационной охраны лесов. На настоящий момент автором собрано, подвергнуто первичной обработке, включающей географическую привязку и кадрирование снимка, и сохранено в архиве на DVD-дисках порядка 80 гигабайт космической информации за период с 1999 по 2006 годы. Также собрана необходимая калибровочная судовая информация, полученная в ходе экспедиций НИС ЛИН СО РАН в течение навигационного периода 1999 – 2004 годов. После необходимого для сопоставления со спутниковыми данными километрового осреднения было получено 1011 точек подспутниковых судовых измерений, свободных от облачности. Также на настоящий момент начат сбор необходимой метеорологической информации в архивах Иркутского управления гидрометеослужбы. 
3 Основные этапы и ожидаемые результаты
В качестве первоочередной задачи научно-исследовательской работы предлагается  разработать и откалибровать эффективные алгоритмы дешифрирования полей течений на поверхности, ледово-снежного покрова озера, оценки компонентов радиационного баланса поверхности озера, а также разработка ГИС дистанционного мониторинга параметров состояния экосистемы озера Байкал и исследование локализации и динамики развития мезомасштабных гидрофизических явлений на поверхности озера.
3.1 Ожидаемые научные результаты
Описание ожидаемых научных результатов:
1.	Сбор и сохранение на электронных носителях калибровочной метеорологической информации
2.	Исследование локализации мезомасштабных гидрофизических явлений на поверхности озера (апвеллинги, термобары) и исследование характеристик их изменчивости по спутниковым данным
3.	Разработка методики усвоения спутниковых данных в гидродинамических моделях физических процессов в глубоких озерах
4.	Разработка методики использования многоканальной спутниковой информации для оценки элементов радиационного баланса поверхности озера
5.	Верификация по контактным судовым измерениям алгоритмов оценки полей течений на поверхности с помощью анализа последовательных изображений
6.	Верификация по контактным измерениям алгоритмов классификации ледово-снежного покрова озера
7.	Разработка и последующая верификация алгоритма количественной оценки толщины льда в пределах акватории озера Байкал с привлечением метеорологической информации
8.	Создание единой ГИС обработки ДДЗ на предмет восстановления пространственно распределенных данных о температуре поверхности воды, поля скоростей на поверхности, компонентов радиационного баланса,и ледовом покрове озера Байкал.
9.	На основе результатов исследований предлагается разработка учебного пособия, подготовка статей и докладов на научные конференции, руководство курсовыми и дипломными работами по смежной тематике.
3.2 Основные этапы проекта 
Планируемые сроки выполнения научно-исследовательской работы: ноябрь 2006 – октябрь 2007 года.
Ноябрь 2006 г. – январь 2007 г. Сбор метеорологической информации. Исследование изменчивости неоднородностей поля температуры поверхности воды, связанной с динамическими образованиями – фронтами и аппвелингами, с использованием информации с метеорологических спутников серии NOAA.
Разработка методики использования многоканальной спутниковой информации для оценки элементов радиационного баланса поверхности озера по данным радиометра AVHRR/NOAA и методики усвоения спутниковых данных в гидродинамических моделях физических процессов в глубоких озерах
Февраль – май 2007 г. Верификация по контактным судовым измерениям алгоритмов оценки полей течений на поверхности с помощью анализа последовательных изображений.
Верификация по контактным измерениям алгоритмов классификации ледово-снежного покрова озера.
Разработка и последующая верификация алгоритма количественной оценки толщины льда в пределах акватории озера Байкал с привлечением метеорологической информации.
Разработка архитектуры ГИС дистанционного мониторинга озера Байкал.
Руководство курсовыми и дипломными работами по смежной тематике.
Подготовка статьи на основании проделанной работы.
Июнь – октябрь 2007 г. Создание ГИС обработки ДДЗ на предмет восстановления пространственно распределенных данных о температуре поверхности воды, поле скоростей на поверхности, компонентах радиационного баланса и ледовом покрове озера Байкал.
Разработка учебного пособия по спутниковым методам исследования (в океанологии и лимнологии) на основании проведенных исследований, принятие участия в работе научных конференций.