Как поляризационные насадки для смартфонов помогают определять природу видимых «пятен» на морской поверхности

Многие из нас видели пятна всевозможной формы на немного взволнованной морской поверхности. Зачастую они ассоциируются с наличием загрязняющих поверхностно активных веществ (ПАВ). Эти вещества образуют плёнки, создающие поверхностное натяжение и уменьшающие шероховатость моря. Такие «выглаживания» видны на поверхности водной глади и называются сликами.
«Пятна» (слики) различной природы на морской поверхности
Загрязнения нефтепродуктами

Обычно ПАВ связывают с нефтепродуктами и деятельностью человека, но это необязательно: ПАВ также образуются вследствие жизнедеятельности клеток фитопланктона или за счёт естественных выходов нефти. Дополнительными причинами локальных «выглаживаний» могут быть образование ветровой тени, особенности подводного рельефа, гидродинамические процессы в верхнем слое моря (вихри, внутренние волны, апвеллинги), локальное изменение плотности морской воды (например, за счёт распреснения). Причины появления плёнок очерчивают тот круг задач, которые могут быть решены за счёт их анализа. Это как прикладные задачи (мониторинг загрязнений и поиск полезных ископаемых), так и фундаментальные (изучение динамики океана и функционирования морских экосистем).

Пятна различной природы на радиолокационном спутниковом снимке. Расшифровка д-ра физ.-мат. наук Леонида Митника, проект CEARAC-ТОИ ДВО РАН «Мониторинг нефтяных загрязнений методами дистанционного зондирования»
Источник http://cearac.poi.dvo.ru

Наиболее эффективными методами для изучения сликов считаются методы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), поскольку они позволяют в оперативном режиме изучать акватории большой площади. Например, при организации спутникового или аэромониторинга за малые промежутки времени можно получать практически одномоментные измерения над целыми заливами или морями. Выделяют два класса методов ДЗЗ: 1) связанные с анализом изменения шероховатости поверхности моря и 2) связанные с изменением яркостных характеристик моря (в случае видимого спектрального диапазоны – цвета моря). В обоих случаях стоит проблема выявления природы сликов, особенно для спутниковых данных, часть из которых подвержена влиянию атмосферы. Она решается как за счёт совместного использования данных различного типа (например, в сочетании с информацией наземных измерений), так и за счёт анализа формы детектируемых проявлений. 

В настоящее время существует тенденция создания систем многоуровнего мониторинга, от грубых «дешёвых» методов измерений (по отношению к одной точке), работающих на больших масштабах, к более точным «дорогим» методам, используемым локально в автономном режиме или по требованию в случае ситуационного мониторинга и стандартизированного контроля. У каждого метода есть свои ограничения. Для спутниковых данных отсутствует непрерывное во времени покрытие снимками определённой территории. Измерениям оптического диапазона могут мешать облачность, туман, осадки, низкая освещённость. Радиолокационные данные могут быть использованы при наличии облаков, ночью и в плохую погоду, однако они не всегда доступны и являются дорогими (от 200 тыс. рублей за 1 снимок). При этом для их использования важно, чтобы состояние моря имело необходимую шероховатость, на которой проявится наблюдаемый слик. Обычно считается, что скорость ветра для этого должна быть в диапазоне 2–10 м/c, а так бывает не всегда. Службы Росприроднадзора также не могут реагировать мгновенно и незамедлительно появляться в необходимых акваториях. 

Поэтому исследователи заинтересованы в поиске дополнительных методов как для оперативного экологического мониторинга, так и в целом для изучения сликов. Например, когда 23 июня 2019 года возле Токаревского маяка во Владивостоке обнаружили нефтепродукты, то максимум данных принесли не спутниковые снимки, а фотографии очевидцев этого события. Поэтому одним из базовых уровней сбора данных для поиска и определения природы сликов на поверхности моря может стать использование принципов гражданской науки. Это концепция вовлечения в исследования широкого круга любителей и энтузиастов всех возрастов и профессий, которые могут собирать и анализировать данные об окружающем мире. Всё это приводит к такому результату, который был бы недостижим при использовании традиционных научных подходов. 

Фотографии очевидцев. Видны результаты загрязнения на берегу, но отсутствует привязка к карте, и не видно следов нефтепродуктов на воде (необходимы дополнительные усовершенствования фотокамер)
Источник www.vl.ru
Оптическое спутниковое изображение Landsat-8, 23 июня 2019 – мешает облачность и дымка для точного детектирования разлива
Радиолокационное спутниковое изображение Sentinel-1, 27 июня 2019 – следов пятен уже нет (прошло 4 дня) или недостаточная степень шероховатости моря для выявления пятен

К исследованиям сликов можно привлекать волонтеров для фотографирования сликов на морской поверхности с помощью смартфонов и специальных поляризационных насадок, которые усиливают контраст наблюдаемых пятен и помогают собирать дополнительную информацию для определения природы пятен. При различных положениях поляризационного фильтра перед объективом фотоаппарата можно усилить контраст наблюдаемого загрязнения и более надежно его зарегистрировать. Разработкой таких методов занимается мой коллега — ведущий научный сотрудник Тихоокеанского океанологического института Олег Константинов. 

Для поляризационной съёмки морской поверхности с помощью камеры телефона или отдельной видеокамеры мы разработали ряд насадок, в которые установлен поляроид перед объективом камеры на оси шагового двигателя. Насадки изготавливаются на 3D-принтере, поэтому стоят недорого, и их можно сделать для большого количества пользователей. 

Скорость вращения поляроида выбрана таким образом, чтобы за время одного кадра видео он поворачивался на 45 градусов. Полный поворот поляроида происходит за 8 кадров видеокамеры смартфона. В схеме управления ориентацией поляроида применяется ARDUINO NANO и формируется синусоидальный сигнал, сдвинутый по фазе на 90 градусов для управления шаговым двигателем. Вся электроника привода поляроида питается напряжением 5 вольт от смартфона.

На основе смартфона Xiaomi Redmi 11
На основе видеокамеры RGB Xiaomi Yi
На основе смартфона Xiaomi Mi
На основе видеокамеры Handycam

Для анализа поляризационных характеристик морской поверхности из видеофайла или серийной съёмки фотоаппарата выбирается несколько поляризационныхфрагментов, у которых ориентация поляроида составляет 0, – 45, 45, и 90 градусов относительно вертикальной плоскости. По этим фрагментам можно определить поляризационные характеристики объектов в поле зрения, которые позволяют усилить контраст наблюдаемых пятен, а кроме этого, дают дополнительную информацию для определения их природы. В случае наблюдения «радужной» картины пятна возможно оценить толщину пленки по особенностям интенсивности различных каналов RGBпри различных поляризациях.

Пример наблюдения пресноводного стока городской реки (Вторая речка, г. Владивосток) в акваторию Амурского залива

Измерения возможно пересчитать и переложить на карту, если дополнительно сохранить информацию по координатам и высоте измерений и углам направления сотового телефона.

Фиксирование углов измерений встроенными датчиками смартфона
Пересчет фотографии с веб-камеры с поляризационной насадкой на картографическую проекцию в бухте Витязь в Хасанском районе Приморского края. Пример для слика, связанного с разливом нефтепродуктов, и для двух морских вихрей
Пересчет фотографии с веб-камеры с поляризационной насадкой на картографическую проекцию в бухте Витязь в Хасанском районе Приморского края. Пример для слика, связанного с разливом нефтепродуктов, и для двух морских вихрей

Данные, полученные от волонтеров, могут быть использованы для валидации спутниковых измерений, разработки методов автоматического поиска пятен на морской поверхности и оценки их характеристик (площадь, происхождение, толщина плёнок), а также для инструментально обоснованного общественного мониторинга по раннему выявлению загрязнений. Практическая часть нашего проекта, относящаяся к общественному мониторингу загрязнений на морской поверхности, выполняется при поддержке Фонда Президентских грантов в рамках проекта № 19-2-023124 «Развитие системы общественного экологического мониторинга атмосферы и гидросферы в Приморском крае». 

3
0
37 просмотров
37 просмотров
мнения

Никто не комментировал

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий