Разработка алгоритма выделения границ плюма реки Печоры по данным SST MODIS

Река Печора впадает в мелководную юго-восточную часть Баренцева моря, где в летний период её воды образуют обширный речной плюм. В этот период речные воды теплее окружающих морских вод, что позволяет использовать данные дистанционного зондирования Земли о температуре поверхности моря для определения границ речного плюма за счет контраста на внешней границе плюма, называемой фронтальной зоной. Анализ продолжительных рядов спутниковых наблюдений для выделения внешней границы плюма является довольно трудоёмким процессом и зависит от экспертной интерпретации. В связи с этим, целью данной работы являлась разработка алгоритма автоматизированного выделения границ плюма реки Печоры по спутниковым данным температуры поверхности моря (Sea surface temperature — SST).

В качестве исходных данных использовался продукт SST, подготовленный на основе данных съёмочной системы MODIS спутника Terra. Для работы были выбраны данные второго уровня обработки (L2) с пространственным разрешением около 1 км в надире. Предварительная обработка включала исключение суши, пропусков и аномальных значений температуры, ограничение исследуемого участка и сглаживание температурного поля медианным фильтром.

На этапе разработки были рассмотрены четыре способа выделения области плюма: абсолютный температурный порог, автоматическое определение порога по гистограмме температуры, температурная аномалия относительно фонового моря и локальная температурная аномалия. Для плюма Печоры наиболее устойчивые результаты показал способ, основанный на абсолютном температурном пороге. Однако его применение приводило к включению тёплых участков морской акватории, не относящихся к основной области плюма.

В итоговом алгоритме он был объединён с условием локальной температурной аномалии и последовательным присоединением связанных пикселей. В первичную маску плюма включались пиксели с температурой не ниже 8,5 градуса Цельсия и локальной температурной аномалией не менее 0,1 градуса Цельсия. Область плюма выделялась от двух заданных опорных участков. При её распространении учитывались различия температуры между соседними пикселями и отклонение температуры присоединяемых пикселей от медианной температуры стартовой области. Для исключения ошибочного присоединения удалённых тёплых вод дополнительно использовались пространственные ограничения. Для уменьшения влияния пропусков данных, связанных с облачностью, в приустьевой зоне Печоры и Хайпудырской губе использовались заранее подготовленные полигоны. На заключительном этапе выполнялась морфологическая постобработка полученной бинарной маски.

Результаты работы алгоритма сопоставлялись с опубликованными границами плюма Печоры, представленными в работах (Rogozhin et al., 2023; 2026), а также экспертным определением границ плюма коллективом авторов на основе данных SST, натурных данных и данных солёности поверхности моря (спутниковый продукт SMAP, дополнительно обработанный нейросетевым алгоритмом (Savin et al., 2024)).

Алгоритм показывает хорошее определение на сценах с выраженным температурным контрастом между речными и морскими водами. Использование фиксированного и условно добавляемых полигонов позволило уменьшить влияние значительных пропусков данных, связанных с облачностью. Разработанный алгоритм может использоваться для автоматизированного выделения внешней границы, анализа её пространственно-временной изменчивости и определения площади области плюма реки Печоры.

Разработка алгоритма была выполнена в рамках госзадания МГУ имени М.В. Ломоносова №126101225913-9. Анализ спутниковых продуктов SST выполнен в рамках госзадания ИО РАН № FMWE-2024-0015.