Разработка и исследование метода автоматического определения дрейфа морских льдов по последовательным спутниковым изображениям

В условиях роста международных морских перевозок, развития технических средств мониторинга окружающей среды и усиления внимания к проблемам экологии повышается и необходимость изучения, анализа и прогнозирования динамики ледяного покрова Арктического и Антарктического регионов В полярных бассейнах осуществляются морские перевозки и рыбный промысел, геологические и другие исследовательские работы. В связи с этим особенно актуальны знание фактических ледовых условий и прогноз их изменения, необходимые для обеспечения безопасности мореплавания, выработки рекомендаций по проводке судов и районов лова рыбы. Поэтому в настоящее время необходима всепогодная, не зависящая от времени суток, точная и объективная информация о морском льде, волнении и ветре.

Недостатки традиционных контактных и самолетных измерений характеристик морских льдов — высокая стоимость, а также ограниченность в пространстве и времени. Тем не менее именно данные авиаразведки (визуальные и радиолокационные) служили до недавнего времени основой для составления ледовых карт для морей Северного Ледовитого океана и Дальнего Востока. Появление искусственных спутников Земли (ИСЗ), оборудованных устройствами дистанционного зондирования, существенно продвинуло вперед изучение морских льдов, так как с помощью измерений из космоса удается оперативно наблюдать ледовую обстановку на обширных пространствах за короткие промежутки времени.

Ценную информацию о ледовых условиях дают видимые и ИК-с пугни ко вые изображения, особенно полученные многоканальным сканирующим устройством среднего разрешения. Облачность и низкая высота солнца в зимние месяцы препятствуют проведению регулярных съемок из космоса в видимом участке спектра. Возможности получения информации с подстилающей поверхности в инфракрасном (ИК) диапазоне шире, так как измерения могут осуществляться в темное время суток [1]. Однако облачность и туман, которые часто наблюдаются в высоких и умеренных широтах, являются серьезной помехой. Поэтому постоянный мониторинг морских льдов и процессов взаимодействия лед-океан-атмосфера на основе спутниковых видимых и ИК-изображений возможен далеко не всегда.

Большой прогресс в последние годы был достигнут в изучении ледяного покрова дистанционными радиофизическими методами. Всепогодность, независимость от освещенности солнцем, возможности индикации возрастных градаций и сплоченности льда, оценки динамики ледяного покрова, скорости приводного ветра и других параметров — все это свидетельствует о целесообразности и эффективности использования СВЧ-радиометров и радиолокационных станций (РЛС) в качестве штатной аппаратуры на самолетах-лабораториях и ИСЗ [2−14]. Необходимость получения оперативной всепогодной информации о ледовой обстановке продиктована, в частности, присущей ей сильной изменчивостью: под влиянием штормовых циклонических возмущений (что обычно для зимнего сезона) происходят заметные подвижки льда, кромка льда может сместиться на 100 км. и более.

С развитием космических спутниковых технологий стало возможным оперативное наблюдение за состоянием и динамикой ледяного покрова, одна из основных динамических характеристик которого — дрейф. Дрейф льдов является важным параметром состояния ледяного покрова, определяет тенденции изменения ледовых условий и ледообмена с другими районами. С движением льдов связано строение ледяного покрова, степень его торосистости, раздробленности, формирование трещин и разводий. Динамика морского ледяного покрова влияет на радиационный баланс и метеорологические условия вблизи поверхности океана [15]. Дрейфующий ледяной покров является переносчиком загрязняющих веществ естественного и искусственого происхождения и изучение его динамики важно для геологических и экологических исследований [16,17]. Спутниковые изображения морских льдов являются реально возможным источником получения фактических данных о детальной картине дрейфа льдов. Возможность определения дрейфа льдов в инерактивном режиме по изображениям ГЧОАА, ЕК8−1, «Океан», ЗБМЛ была показана в ряде проведенных ранее исследований [17−22]. Методика нахождения векторов дрейфа льда в интерактивном режиме заключается в определении географических координат одних и тех же деталей изображения ледяного покрова на двух или более последовательных спутниковых изображениях одного и того же района, выведенных одновременно на экран компьютера. Как правило, для определения дрейфа используются большие ледяные поля, разрывы в ледяном покрове и отдельные льдины, которые хорошо опознаются на повторных изображениях. Однако процесс ручной обработки изображений занимает большое количество времени и требует присутствия опытного оператора, что делает неэффективным использование интерактивного метода в оперативной работе. По этим причинам примерно с конца 80-х годов начались работы по исследованию и созданию методов автоматического определения дрейфа.

Из-за различий снимков, получаемых с разных спутников, методы, созданные для одного типа снимков не всегда могли быть использованы при обработке снимков другого типа без предварительной адаптации и модификации. До сегодняшнего дня создано и апробировано несколько основных методов автоматического определения дрейфа [23−30]. Многие из них в качестве основы использовали кросс-корреляционный подход, суть которого заключается в том, чтобы найти на двух последовательных снимках участки, наиболее похожие друг на друга, такие, что коэффициент кросс-корреляции между ними был бы максимальным из всех вычисляемых. Ни один из разработанных методов до настоящего момента не предназначался для радиолокационных изображений с широкой полосой обзора. Радиолокационные снимки, получаемые с российского ИСЗ «Океан», обладают полосой обзора 450 км. и разрешением на местности порядка 2 км. При такой широкой полосе обзора они дают возможность охвата всего Арктического бассейна за 3 — 4 дня, что является немалым достоинством при их использовании в оперативном режиме. Получаемые изображения не зависят от погодных условий, что дает возможность их регулярного использования в научных и практических целях. Создание метода автоматического определения дрейфа по последовательным радиолокационным спутниковым изображениям с широкой полосой обзора позволило бы значительно расширить сферу исследований в этой области, подключив данные о дрейфе льдов, определенные в автоматическом режиме по изображениям с российского спутника «Океан», с канадского ИСЗ Яаёагва!, а в дальнейшем и со спутников подобного типа, запуск которых планируется осуществить в ближайшем будущем — европейского спутника ЕМУ18АТ и российского спутника «Ресурс-Арктика».

За основу при создании метода автоматического определения дрейфа льдов по последовательным спутниковым изображениям с широкой полосой обзора был взят кросс-корреляционный подход, который был дополнен и усовершенствован с учетом особенностей этих изображений.

Таким образом основной задачей работы стало создание и исследование метода автоматического определения дрейфа по последовательным радиолокационным изображениям низкого разрешения с широкой полосой обзора, а также определение с помощью разработанного метода дрейфа морских льдов по радиолокационным изображениям со спутника «Океан» и анализ полученных данных.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 100 страниц машинописного текста, 53 рисунка и список использованной литературы из 75 наименований.

4.4. Выводы.

Проведенные исследования выявили возможность определения дрейфа в автоматическом режиме при помощи созданного метода по поеледовательным радиолокационным спутниковым изображениям с широкой полосой обзора, полученным с российского спутника «Океан».

Анализ полученных в ходе работы данных показал, что автоматические карты дрейфа дают вполне точную картину движения льда в заданном районе, относительная погрешность приведенных результатов не превышала 5%.

Исследования нового подхода к выбору начальных точек показали, что когда в качестве начальных выбираются точки, легко выделяемые человеческим глазом, то шшшшяли нвящ нНВВив.

РЯЩВШ яВШВш аяивш.

ШтШШШШЗ' ШШВшШШ?'.

НШМР.

ЩявВри г н ш мн"^, вПШнННЮ.

ШВЕ.

1|§.

ЙяР ¦В.

ИМ рис. 4.37.

Пара изображений 14.08 — 15.08. Фрагмент 3. рис. 4.38.

Автомагическая карта дрейфа для узлов регулярной сетки. карты дрейфа, полученные автоматически, хорошо согласуются с картами дрейфа, определенными вручную для одних и тех же точек. Эти карты иногда расходятся лишь в количестве векторов дрейфа, что связано с некоторыми ограничениями метода: а) начальные точки должны находится на расстоянии, равном половине окна кросс-корреляции от границ изображенияб) географические координаты начальной точки на изображении В должны входить в значащую область изображения. Но даже при этих ограничениях количество векторов на автоматической карте дрейфа оказывается только на 1−3 меньше, чем число заданных начальных точек. Также необходимо отметить, что подход с заданием начальных точек при помощи списка обладает большим быстродействием (быстрее в 5−10 раз), чем при использовании регулярной сетки, но требует практически во всех случаях бо’льших размеров окна кросс-корреляции (21×21−31×31 пиксел), чем для случая выбора начальных точек при помощи регулярной сетки.

Исследования праметров метода продемонстрировали, что для случая регулярной сетки целесообразно установление порогового значения для коэффициентов кросс-корреляции на уровне 0.5 — 0.7. Шаг регулярной сетки следует выбирать примерно равным половине размера окна кросс-корреляции. Следует также отметить, что не всегда удается выявить вектора дрейфа с высокими коэффициентами кросс-корреляции. В этих случаях дрейф считается неопределенным, что является недостатком выбранного метода. Размеры окна кросс-корреляции целесообразно устанавливать начиная от 11×11 — 13×13 пикселов. Как правило, удовлетворительные результаты достигаются уже при окнах размером 15×15 — 21×21 пиксел. Значительно реже требуется повышение размеров окна до 29×29 — 35×35 пикселов. Выбор размеров окна возможно осуществлять на основании оценок размеров ледовых объектов на исследуемых изображениях. Так, для изображений, содержащих сплошной многолетний лед с небольшим количеством характерных признаков, размер окна колебался в пределах 21×21 — 31×31 пиксел. Для изображений со сплошным многолетним льдом с большим количеством характерных признаков размер окна понижается до 15×15 — 21×21 пиксел. Для тех снимков, где в основном присутствует раздробленный лед, размер окна еще ниже — 11×11 — 15×15 пикселов. Можно заключить, что размер окна кросс-корреля ци и прямо пропорционален размеру ледовых объектов на изображении.

Проделанные исследования также показали, что разработанный метод применим к изображениям с широкой полосой обзора, полученным с ИСЗ Radarsat (высокого разрешения).

Удалось определить дрейф в автоматическом режиме для летнего периода, когда наблюдается интенсивное таяние ледяного покрова, что ранее не удавалось. Проведенное предварительное сглаживание данных позволило добиться лучших результатов при определении векторов дрейфа.

Исследования выявили, что для данных изображений этого периода времени целесообразно понижение порогового значения для коэффициентов кросс-корреляции до уровня 0.4 — 0.5. Исследования по выбору размеров окна кросс-корреляции показали, что обработку целесообразно проводить для окон размером начиная от 15×15 — 21×21 пиксел. Однако чаще требуется повышение размеров окна до 29×29 -41×41 пикселов. В целом размеры окон кросс-корреляции для снимков со спутника Radarsat повысились по сравнению с теми же параметрами для изображений со спутника «Океан».

Анализ полученных в ходе работы данных показал, что автоматические карты дрейфа дают вполне точную картину движения льда в заданном районе, относительная погрешность составила для представленных результатов 5%. Полученные вектора при визуальной проверке на соответствие дали хорошие результаты. Во всех случаях время обработки равнялось 2−6 минутам, что существенно ниже времени, требующегося на ту же процедуру при определении дрейфа вручную (порядка 30 — 180 минут на каждую пару изображений).

Таким образом, проведенные исследования показали возможность и целесообразность автоматизации процедуры определения дрейфа льдов по спутниковым изображениям с широкой полосой обзора «Океан» и Radarsat на основе разработанного метода.

Заключение

Основные результаты.

В ходе проделанной работы разработан метод автоматического определения дрейфа морских льдов по последовательным спутниковым изображениям с широкой полосой обзора. Метод использует двухступенчатую обработку исходных изображений на основе кросс-корреляционного анализа, а также на основе статистического анализа временных рядов с прогнозированием. Созданный метод работает по изображениям т1Пт ттттАпл лттт Лптг /т иСлОДНАЛи ^си^ьшьпил.

Разработана новая модель ограничения зоны поиска по повторному изображению, использующая априорные данные о дрейфе для данного района и периода времени и позволяющая существенно снизить временные затраты на определение дрейфа.

Предложен новый подход, основанный на предположении о том, что процесс дрейфа для данного района и периода времени является квазистационарным по приращениям и обладает трендом, что дает возможность прогнозировать координаты точек при повторной обработке изображений. Это означает, что функциональная зависимость координат процесса дрейфа от времени считается линейной на небольшом промежутке времени (интервале квазистационарности), который составляет для данного случая несколько суток. Полученная на первом этапе информация используется при уточнении поля дрейфа при вторичной обработке исходных снимков с учетом величин, найденных на первом этапе. Такая вторичная обработка позволяет расширить и уточнить картину дрейфа в исследуемом районе.

Исследован новый подход к выбору начальных точек на первом изображении, дающий возможность определить дрейф для тех точек, в которых вектора дрейфа легко определяются человеческим глазом.

Разработанный метод был протестирован на ряде смоделированных снимков и показал хорошие результаты при определении дрейфа как отдельных объектов, так и их групп. При этом были сделаны выводы о выборе параметров метода и их влиянии на получаемые результаты.

Впервые автоматизирована процедура определения дрейфа по рад иол о кацио н н ы м изображениям с широкой полосой обзора. Показана возможность и эффективность автоматического определения дрейфа по последовательным изображениям российского спутника «Океан» (низкого разрешения), получены и проанализированы результаты определения дрейфа для этих изображений.

Проведенный анализ показал, что относительная погрешность автоматического определения дрейфа по сравнению с ручным методом не превышала 5%, что дает возможность говорить о весьма хорошей согласованности результатов. Все результаты были визуально верифицированы и также при этом показали полное соответствие ледовым объектам на исходных снимках.

Показана возможность и получены результаты автоматического определения дрейфа по изображениям канадского спутника Radarsat (высокого разрешения) в условиях таяния ледяного покрова, что ранее не удавалось.

Полученные результаты позволили определить область применимости разработанного метода как метода автоматического определения дрейфа по радиолокационным спутниковым изображениям с широкой полосой обзора, содержащим различные типы ледяного покрова. Метод показал возможность определения дрейфа на участках многолетнего льда, раздробленного льда, в областях трещин и разводий. Метод определяет и общее направление дрейфа объектов при их вращении. Во всех случаях время обработки равнялось 3−6 минутам (для процессора Pentium-133), что существенно ниже времени, требующегося на ту же процедуру при определении дрейфа вручную (порядка 30 — 180 минут на каждую пару изображений).

Проведенные исследования показали возможность и целесообразность автоматизации процедуры определения дрейфа льдов по повторным радиолокационным спутниковым изображениям с широкой полосой обзора на основе разработанного метода.