Водные ресурсы, 2021, T. 48, № 4, стр. 378-389

Глубина проникновения в воду лучей разных спектральных диапазонов

Возможности применения многозональной съемки в исследованиях подводного рельефа береговой зоны связаны в первую очередь с проникновением солнечного излучения разных спектральных диапазонов на разную глубину.

Уже в первые годы появления многозональной космической съемки была выполнена оценка возможностей применения спутников “Landsat” в исследованиях морей. В связи с этим проведены подспутниковые наблюдения в Нью-Йоркской бухте [14], на основе которых выявлены возможности использования снимков в различных зонах электромагнитного спектра для изучения водных объектов. Наибольшее проникновение в водную толщу солнечного света наблюдается для лучей коротковолновой части видимого диапазона. Для прозрачных вод при отсутствии взвесей и фитопланктона глубина проникновения сине-зеленых лучей достигает 50 м. Однако общее снижение контраста изображения на космических снимках из-за влияния атмосферной дымки не позволяет достаточно эффективно использовать снимки в синей зоне. Лучи зеленой зоны, признанной наилучшей для съемок воды и в воде [16], проникают в условиях чистой воды на глубину >20 м (рис. 2); такое проникновение характерно для канала 0.5–0.6 мкм спутника “Landsat”. В красной зоне глубина проникновения в воду солнечных лучей уменьшается до 12–15 м (для канала 0.6–0.7 мкм) и 5–7 м (для канала 0.7–0.8 мкм). Проникновение лучей в ближней инфракрасной зоне (0.8–1.1 мкм) измеряется сантиметрами, и объекты на дне или в водной среде на снимках в этой зоне не отображаются, видны лишь объекты, находящиеся на поверхности воды или выступающие из-под воды.

Рис. 2.

Глубина проникновения в воду солнечных лучей разных спектральных диапазонов съемочной системы MSS спутника “Landsat” (по [14]).

Такая ориентировочная оценка глубины проникновения в воду света и, соответственно, возможности отображения на снимках объектов, находящихся на разной глубине, выполненная экспериментально в связи с оценкой снимков “Landsat”, сохраняется и для снимков со спутника “Sentinel-2”, используемых в данной работе. Об этом свидетельствуют полученные по снимкам с этого спутника кривые спектральной яркости исследуемых подводных объектов.

Анализ кривых спектральной яркости и выбор оптимальных каналов съемки

На рис. 3 приведены построенные по снимкам “Sentinel-2” кривые спектральной яркости основных объектов, отображенных на карте отмелей (для отмелей – по снимку 18 июля 2019 г., для растительности – 14 августа 2019 г.) Анализ этих кривых позволяет выделить спектральные зоны, оптимальные для дешифрирования определенных видов отмелей, и предложить пути разделения изображения объектов, близких по яркости. Верхние участки отмелей, при сгонах и в межень выступающие над водой и обсыхающие, имеют максимальную яркость во всех зонах, но особенно резкое ее повышение, выделяющее эти участки среди всех объектов, изобразившихся на снимке, характерно для канала “SWIR-1”. Для кривых прирусловых отмелей всех видов (песчаных, песчано-илистых и илистых), а также отмелей в эстуарии характерно постепенное увеличение яркости от голубой зоны к зеленой и красной и резкое снижение в ближней инфракрасной зоне. Наибольшие различия яркости разных видов прирусловых отмелей наблюдаются в красной зоне (100–150 усл. ед. ярк.), которую по этому признаку и следует использовать для разделения песчаных, песчано-илистых и илистых отмелей. Однако при этом песчано-илистые прирусловые отмели близки по яркости к отмелям в эстуарии, и для их разделения используется местонахождение отмелей (в русле или эстуарии). Илистые отмели близки по яркости к водам стрежневых зон потоков в руслах и в их продолжениях в эстуарии. Поэтому на цветном синтезированном снимке и на снимке в красной зоне илистые отмели почти не выделяются и очень слабо отличаются от стрежневых зон. Наибольшие различия их яркости в красной зоне составляют 50 усл. ед. ярк., что плохо воспринимается глазом при визуальном дешифрировании, но потенциально они могут быть выделены при яркостном квантовании снимков; этот прием будет рассмотрен ниже.

Рис. 3.

Кривые спектральной яркости исследуемых объектов по данным съемки “Sentinel-2”. 1 – повышенные обсыхающие участки отмелей; 2 – прирусловые песчаные отмели; 3 – песчано-илистые отмели; 4 – илистые отмели; 5 – отмели в эстуарии; 6 – стрежневые зоны потоков; 7 – продолжения стрежневых зон потоков в эстуарии; 8 – участки повышенной мутности вод; 9 – водная растительность с плавающими листьями; 10 – погруженная водная растительность.

Однако для разделения близких по яркости илистых отмелей и стрежневых зон в дельте Енисея удается использовать дополнительно освоенность илистых и песчано-илистых отмелей водной растительностью. В красной зоне растительность имеет малую яркость, изображается темным тоном, как и илистый грунт, но в ближней инфракрасной зоне яркость растительности резко увеличивается, на фоне темных песчано-илистых отмелей хорошо выделяются ее светлые контуры, которые отличает четко выраженная мелкопятнистая структура, нехарактерная для других подводных объектов.

Этот признак – поселение водной растительности на илистых отложениях отмелей – оказывается чрезвычайно полезным для проверки правильности выделения песчано-илистых и илистых отмелей по уровням яркости при квантовании снимков на участках, не обеспеченных данными о глубинах (лоцманские батиметрические карты охватывают лишь восточную часть дельты, и на топографических картах изобаты даны лишь для русел восточной части дельты).

Предложенные на основе анализа кривых спектральной яркости методы выявления различных элементов подводного рельефа реализуются лишь на снимках с хорошим отображением всего набора картографируемых объектов. Для наилучшего изображения подводного рельефа толщина слоя воды над ним должна быть минимальной, а сами водные массы достаточно прозрачными. Возникают проблемы учета колебаний уровня воды и мутности вод.

Колебания уровня воды

При выборе снимков для исследования подводных объектов главное условие, помимо отсутствия облачности, – минимальная толщина водного слоя. Поэтому выбираются снимки, полученные в меженный период. Снеговое питание Енисея обусловливает пик весеннего половодья в мае–июне, устойчивая межень устанавливается с конца июля, но уже в сентябре–октябре помехой становится снежный покров. Погодные условия, экранирование облачностью резко сокращают возможности выбора снимков в этот короткий период. Приливные колебания уровня в Енисейском заливе незначительны (0.3 м у Сопочной Карги), но возможны нагоны, достигающие у западного эстуарного края дельты 1–2 м [3]. Чтобы исключить влияние возможных сгонно-нагонных колебаний уровня, для выбранных безоблачных снимков с помощью информационной системы “Погода и Климат” [2] проверены погодные условия (ветер, осадки) в день съемки и предшествующие дни, а также проанализирована имеющаяся в открытом доступе статистика уровня воды с июля по сентябрь 2008–2017 гг. [11]. В течение суток, предшествовавших дате съемки 18 июля 2017 г., по данным метеостанции с. Караул, скорость преобладавшего ранее северного ветра снизилась до 2 м/с, а в день съемки с 0 до 3 ч отмечен штиль. Отметки уровня воды 198 см, зафиксированные на г.п. р. Енисей – с. Караул 18.07.2017, превышают средний многолетний уровень 192 см на эту дату незначительно (на 6 см) и средний многолетний уровень 183 см в августе (самый маловодный период межени) на 15 см. Эти данные свидетельствуют об отсутствии влияния нагонных процессов на уровень воды 18.07.2017.

Так как в открытых источниках отсутствуют данные об уровне воды в р. Енисей в 2019 г., влияние нагонных процессов на даты 18.07.2019, 14.08.2019 и 01.09.2019 оценивалось на основе данных о скорости и направлении ветра накануне съемки, среднестатистических данных об уровне воды на эти даты в 2008–2017 гг. и путем сравнения планового положения береговой линии на снимке 18.07.2017 с положением ее на снимках 18.07.2019, 14.08.2019 и 01.09.2019.

17 июля 2019 г. преобладал ветер северо-восточного направления со средней скоростью 8 м/с, который с 0 ч 18 июля сменился восточным ветром со скоростью 6 м/с. 13 и 14 августа 2019 г. зафиксирован переменный ветер от северного до юго-западного направления со скоростью 2–3 м/с, чередующийся со штилем. Во второй половине дня 31 августа 2019 г. восточный ветер со скоростью 5–6 м/с сменился ветром северо-восточного направления (10 м/с). С 0 ч 1 сентября наблюдался штиль, а затем восточный, северо-восточный ветер (3–4 м/с) (табл. 2). Сравнение снимков 18.07.2017 со снимками 18.07.2019, 14.08.2019 и 01.09.2019 показало, что уровень воды в эти дни в 2019 г. был практически одинаковым и несколько ниже, чем 18.07.2017 г. На основе этих данных можно считать, что сгонно-нагонные процессы в указанные дни 2019 г. также не оказывали существенного влияния на уровень воды.

Кроме этих сезонных, периодических и случайных колебаний уровня необходимо учитывать межгодовые колебания, зависящие от погодной ситуации в бассейне реки в конкретный год. На рис. 4 приведены графики изменений уровня Енисея по данным г.п. р. Енисей – с. Караул за летние месяцы с 2008 по 2017 г., показывающие значительные межгодовые колебания уровня воды [11]. Они проясняют причину различий отображений отмелей на снимках, полученных в 2017 г. (на которых хорошо видны прирусловые песчаные отмели, а песчано-илистые и илистые почти не просматриваются), и на снимках 2019 г. (где отобразились все виды прирусловых отмелей и лучше выделяются стрежневые зоны потоков между отмелями). Опыт картографирования отмелей в дельте Енисея показал, что наряду с опорными для дешифрирования снимками при минимальном уровне воды полезно использовать и снимки при более высоком уровне, сравнение с которыми открывает некоторую возможность разноглубинного дешифрирования. В рассматриваемом случае по снимкам 2017 г., полученным при более высоком уровне воды, лучше выделялись светлые песчаные отмели; а снимки 2019 г., очевидно полученные при минимальном уровне воды, позволили выявить также более темные и углубленные песчано-илистые и илистые отмели и выделить между ними стрежневые зоны потоков в руслах.

Рис. 4.

Колебания уровня воды в приустьевой зоне Енисея в июле–сентябре 2008–2017 гг. по данным г.п. р. Енисей – с. Караул.

Мутность вод

Один из главных факторов, осложняющих изучение и картографирование подводных объектов по космическим снимкам, – мутность вод. Струи воды разной мутности имеют повышенную яркость и формируют на снимке плавный извилистый рисунок, который можно принять за изображение мелководного рельефа дна. Главный метод для решения – рельеф дна или мутные воды – использование разновременных снимков, полученных с небольшим временны́м интервалом. Потоки мутных вод изменчивы во времени, а донные объекты более постоянны.

Енисей относится к рекам с относительно малой мутностью вод. Основной сток наносов Енисея формируется в верхней части бассейна выше Красноярского водохранилища. В лесной зоне поверхностный смыв незначителен. Слабо развита здесь и русловая эрозия, поскольку левобережные притоки имеют небольшие уклоны, а правобережные притоки дренируют в основном территории, сложенные преимущественно кристаллическими породами. Поэтому мутность воды и сток взвешенных наносов Енисея сравнительно малы, особенно в зарегулированных условиях [1]. Согласно карте “Средней мутности рек СССР” [12], средняя мутность вод Енисея – 22 г/м³, а его бассейн отнесен к зонам малой мутности (10–25 г/м³). Это определяет хорошие перспективы изучения по снимкам подводного рельефа почти по всем рукавам дельты Енисея. Однако в низовьях в дельту впадает слева приток – небольшая р. Танама, которая, протекая по позднеплейстоценовой (каргинской) озерно-аллювиальной равнине [3] и размывая ее мерзлые породы, приносит значительное количество взвесей в рук. Дерябинский Енисей, образованный при слиянии проток Широкой, Толстая Земля и впадающей в дельту р. Танамы. Распространение этих взвесей по рукаву в разные даты съемки не одинаково.

На снимке 18 июля 2017 г. шлейф приносимых Танамой мутных вод “срезается” потоком из впадающей в Дерябинский Енисей прот. Охотской и ниже по течению не распространяется; прирусловые отмели у левого берега Дерябинского Енисея видны достаточно хорошо, просматривается полосчатая структура осложняющих их форм грядового рельефа. Однако на снимках 3, 5, 17, 18 июля 2019 г. светлый поток приносимых Танамой мутных вод шириной 1–2 км тянется вдоль левого берега Дерябинского Енисея вплоть до его устьевого створа и нижние границы прирусловых песчаных отмелей видны плохо. Но этот мутный поток в указанные даты пока не попадает в другие рукава дельтового разветвления Дерябинского Енисея. Однако на снимке 20 июля 2019 г. приносимые Танамой мутные воды распространяются уже во все рукава частной Дерябинской дельты.

На эстуарном крае дельты ниже устьевых створов рукавов в мелководном эстуарии – Енисейском заливе – сложный рисунок плавно изгибающихся светлых и темных полос может быть обусловлен как донным рельефом отмелей, так и потоками вод разной мутности. На снимке 18 июля 2017 г., когда мутные воды Танамы не распространялись по рукавам Дерябинского Енисея и не достигали их устьев, в мелководном эстуарии слабо выделяются светлыми пятнами повышенные участки песчаных отмелей (для более четкого их оконтуривания использовано яркостное квантование снимка в красной зоне, этот прием охарактеризован ниже). В противоположность этому на снимках 3–18 июля 2019 г., когда мутные воды Танамы доходили до эстуария по левому рукаву Дерябинского Енисея, а 20 июля 2019 г. распространялись по всем рукавам Дерябинского устьевого разветвления, на снимках сформировалась сложная и изменчивая во времени картина потоков мутных вод в эстуарии (рис. 5). Хотя направление их движения и определяется рельефом, но сам рельеф дна этими потоками скрыт.

Рис. 5.

Продолжения стрежневых зон потоков западной части дельты в мутных водах мелководного эстуария.

Дифференцированный подход к разным районам дельты

Из приведенных примеров ясно, что в разных районах дельты влияние мутности вод на дешифрирование отмелей оказывается разным, и приходится учитывать этот фактор по-разному – в восточной части дельты (с крупными рукавами глубиной 10–15 м, получающими основной поток относительно прозрачных вод), в ее западной части (с более мелким (4–6 м) Дерябинским Енисеем и впадающим сюда приносящим взвеси притоком Танамой) и в мелководном (2–3 м) эстуарии – Енисейском заливе.

В широкие рукава восточной части дельты поступает основной поток относительно прозрачных вод. При дешифрировании отмелей, примыкающих к островам Лопатному и Турушин в Большом Енисее, и отмелей вокруг островов Васильевского, Чаечного, Судного, разделяющих рукава Большой Енисей и Каменный Енисей, сталкиваемся с тем, что при всегда достаточно хорошем отображении светлых песчаных отмелей более темные песчано-илистые и илистые отмели видны хуже, для их дешифрирования необходим поиск снимков, сделанных в идеальных условиях при минимальном уровне воды и малой мутности, когда отображаются и эти формы, обычно выделяющиеся не столь четко.

В западной части дельты, в рукавах Дерябинского Енисея, где мутные воды не только ухудшают условия наблюдения, но могут оказывать искажающее влияние (рисунок мутных вод может быть принят за структуры донного рельефа), необходимо использовать снимки за те даты, когда мутные воды Танамы не распространяются по Дерябинскому Енисею. Поскольку опасность ошибочного дешифрирования сохраняется, необходимы дополнительные средства контроля правильности его результатов. В данном случае для проверки оказалось эффективным привлечение снимков, на которых отобразилась подводная растительность, поселяющаяся на илистых отложениях отмелей. Сами контуры отмелей, их границы на этих снимках видны плохо, но наличие водной растительности подтверждает правильность отнесения выделенных по раннелетнему снимку контуров именно к отмелям, а не к структурам мутных потоков.

Третий, наиболее проблематичный, район – мелководья эстуария. Здесь для выделения повышенных песчаных участков отмелей, слабо заметных на снимках 18 июля 2017 г. с относительно прозрачными водами, выполнено яркостное квантование снимка в красной зоне с предварительным построением яркостных профилей.

Для определения продолжения на мелководье стрежневых зон потоков из рукавов, впадающих в залив, которые темными полосами выделяются на рис. 5, использован синтез разновременных снимков (18 июля, 14 августа, 1 сентября 2019 г.), передающих различающуюся для каждой даты картину изменчивых потоков мутных вод. На цветном синтезированном изображении черным цветом выделились участки стрежневых зон, функционировавших во все три срока наблюдения, т. е. наиболее устойчивых, которые и показаны на карте (рис. 1) как продолжения стрежневых зон потоков в мелководном эстуарии, а неопределенное размытое изображение с пятнами разного цвета на синтезированном снимке отражает изменчивую ситуацию потоков мутных вод.

Водная растительность

На отмелях в дельте Енисея произрастает водная растительность. Это макрофиты – разные виды рдестов – водных трав с ползучими корневищами и листьями – нижними, полностью погруженными в воду, и верхними, плавающими на поверхности. Рдест подсибирский (P. Subsibiricus) – эндемик и описан на Никандровском острове в дельте Енисея. Длина его стебля ~50 см соизмерима с глубинами на отмелях. Другой вид – рдест стеблеобъемлющий (P. Perfoliatus) – имеет корневища с длинными ползучими побегами до 6 м длиной, нередко образует заросли, затрудняющие движение судов [13]. Местообитания рдестов и других водных растений приурочены к илистым грунтам и гораздо реже охватывают песчаные.

Водная растительность мелководий находит отображение на космических снимках со спутника “Sentinel-2”. В начале лета после спада половодья она изображается на цветном снимке, синтезированном в варианте “с естественной цветопередачей” (RGB: 4,3,2), коричневато-зеленоватым цветом, структура изображения аморфная. На зональных снимках в этот период для нее характерны темный тон изображения в красной зоне и более светлый серый в ближней инфракрасной, где она имеет слабо выраженную пятнистую структуру. В конце лета, когда рдесты получают полное развитие и их верхние листья выходят на водную поверхность, они очень четко отображаются на цветных синтезированных с естественной цветопередачей снимках, имеют яркий зеленый цвет и четко выраженную крупнопятнистую структуру изображения. При сравнении зональных снимков темный тон их изображения в красной зоне сменяется яркими белыми пятнами в ближней инфракрасной зоне (рис. 6).

Рис. 6.

Водная растительность с плавающими листьями (1) на снимке в ближней инфракрасной зоне со спутника “Sentinel-2” 14.08.2019.

Такое четкое отображение побудило включить растительность в число дешифрируемых объектов при картографировании отмелей. Ее отображение на карте играет двойную роль. Во-первых, карта показывает распространение растительности как возможное осложнение при движении судов. Во-вторых, распределение растительности используется как индикатор правильности дешифрирования песчано-илистых и илистых отмелей, а ее распространение помогает определить нижние границы илистых отмелей, выделить на контакте с ними стрежневые зоны потоков. При этом важно использовать снимки за разные даты вегетационного периода.

На снимке 18 июля 2019 г. в красной зоне хорошо выделяются светлые контуры песчаных и песчано-илистых отмелей и менее четко просматриваются илистые отмели. Водная растительность в это время еще не получила полного развития, на цветном синтезированном снимке видны ее неясные зеленоватые контуры.

В середине августа водная растительность получает максимальное развитие, верхние листья растений выходят на водную поверхность, и на снимке 14 августа 2019 г. она изображается ярко зеленым цветом и имеет четко выраженную пятнистую структуру изображения, отличающую ее от других донных объектов (рис. 6). Поэтому для проверки правильности дешифрирования по июльскому снимку илистых и песчано-илистых отмелей используется августовский снимок.

В сентябре заросли рдестов с плавающими листьями выделяются не столь четко, но получает максимальное распространение погруженная донная растительность, по которой и выделяются нижние границы илистых отмелей. Таким образом, по каждому из снимков, полученных в разные даты вегетационного периода, решаются свои задачи, что еще раз подтверждает необходимость использования не одного опорного снимка, а серии снимков.

Проблема нечетких границ и яркостное квантование снимков

На снимках в красной зоне, оптимальной для дешифрирования подводных объектов, хорошо выделяются светлые полосы прирусловых отмелей, протягивающиеся вдоль берегов большинства рукавов. Сопоставление снимков с лоцманскими картами, где на многих из этих участков показаны пески, свидетельствует о том, что это песчаные отмели. Вариации яркости, рисунок изображения позволяют при дешифрировании выделить на этих отмелях участки развития грядового рельефа, бровки размыва нижних краев прирусловых отмелей, устьевые бороздины (рис. 7).

Рис. 7.

Отображение форм руслового рельефа на снимке со спутника “Sentinel-2” в красной зоне: четкий нижний край прирусловой песчаной отмели – бровка размыва осью потока (а); – грядовый рельеф на поверхности песчаных отмелей (б); подводные продолжения русел в эстуарии – устьевые бороздины (в).

Однако границы части песчаных отмелей, особенно – расположенных посреди русла, нечеткие; в частности, это относится к банкам Неупокоева и Вилькицкого, отмеченным на топографических и лоцманских картах. Недостаточная четкость характерна и для границ песчано-илистых и особенно – илистых отмелей, более глубоких по сравнению с песчаными и отличающихся более темным изображением. В предыдущем разделе показано значение их индикационного дешифрирования по погруженной растительности, развивающейся на илистых отложениях. По яркости изображения на снимке они слабо отделяются от стрежневых зон потоков в руслах; кривые спектральной яркости этих объектов, как видно из рис. 3, очень близки. Такие трудно выявляемые отмели наиболее широко распространены по периферии крупных островов в восточной части дельты. Они примыкают к оголовкам и ухвостьям островов Лопатного, Турушин, Васильевского, Чаечного, Судного. Видимо, более темные по цвету песчано-илистые и илистые отложения, а также нередко поселяющаяся на них подводная растительность приближают яркость изображения этих отмелей к яркости более глубоких стрежневых зон потоков. Но спектральные кривые все же фиксируют различия яркости этих объектов в красной зоне, поэтому потенциально могут быть выделены уровни яркости, соответствующие каждому из них. Для определения этих уровней построены графики изменения яркости на снимке по профилям, пересекающим изображения обеих форм (рис. 8). Яркостное квантование обеспечивает более обоснованное выделение нечетких границ.

Рис. 8.

Профиль изменения яркости в красной зоне через устьевой створ Енисея с банками Неупокоева и Вилькицкого для определения яркостного уровня квантования снимка (а) и результаты квантования (б).

Однако на графиках, построенных для различных районов дельты, уровни яркости, разделяющие илистые отмели и несколько более глубокие стрежневые зоны потоков в руслах, неодинаковы. Это связано с несколькими факторами, обусловливающими различия яркости воспроизведения однотипных объектов. Главные из них – разная глубина рукавов западной, средней и восточной частей дельты и различная мутность вод в них, на что указывалось выше. Как и при учете мутности вод, здесь необходим дифференцированный подход к различным районам дельты.