автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Автоматическое выделение пространственных структур на поверхности океана по данным ИК-каналов спутников NOAA

р г {; ОД

1 1 и На прапах рукописи

/ б та 1393

Алексаннна Марина Георгиевна

Автоматическое выделение пространственных структур на поверхности океана по данным ИК-канапов спутншсоп МОАА.

05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (техника)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 1993

Работа выполнена а лаборатории спутникового мониторинга Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской Академии тук.

Научный руководитель; кандидат технических наук

Гербек Эмиль Эмильевнч

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Бочаров Лев Николаевич,

кандидат физ.-мат. наук Казанский Александр Валентинович

Ведущая организация: Тихоокеанский океанологический институт Дальневосточного отделения Российской Академии наук (г. Владивосток)

6 есШИ-^ш

Защита состоится ^ 1998 г. о_часов на заседании

диссертационного совета Д.003.30.01 б Институте автоматики и процессе» управления Дальневосточного отделения РАН по адресу: 690041, г.Владивосток, ул.Радио, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и процессов упрапления ДВО РАН.

Автореферат ршослан ш 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, /^м/^ГЬН / профессор ТС»У^ Б.И-.

Коган

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Развитие методов дистанционного зондирования Земли из космоса, улучшение их точности и информативности привели к широкому использованию спутниковых данных в качестве источников информации о состоянии и динамике океана и атмосферы. На сегодняшний день спутники NOAA дают наиболее дешевую н самую оперативную информацию о больших и недоступных другим средствам наблюдения районах Мирового океана.

Выделение я идентификация синоптических и мезо-масштабных фронтов и вихрей в океане, генеральных структур океанских течений имеет большое значение для задач океанологии, климатологии, а также для прогноза районов рыбопромысла и навигации. Вихри и фронтальные зоны формируют тепловые аномалии в океане и атмосфере, они обусловливают пути миграции косяков рыб, направления распространения загрязнений моря, создают акустические барьеры.

До сих пор выделение и идентификация вихрей и фронтов на поверхности океана по космическим снимкам осуществляется методом нефанализа, то есть визуально-ручным дешифрированием специалистом-экспертом, что трудоемко, особенно при выделении мезо-маспгтабных особенностей изображений, и в значительной степени субъективно. Существенным недостатком ручного дешифрирования является то, что этот подход не дает возможности для дальнейшего автоматического анализа и количественной обработки выделенных образований. Поэтому автоматизация процесса выделения . струйно-вихревых образований поверхности океана с целью повышения надеясности, объективности я получения цифровых характеристик выделенных объектов является актуально» задачей.

С точки зрения теорт: обработки изображений, решение задачи выделения поверхностных образований океана должно сводится к

выделению полезного сигнала на фоне неизбежного шума. Пор полезным сигналом понимается граница или край объекта, которые проявляются резким скачком яркости или параметров изображения Применение существующих методов выделения границ на сложном спутниковом изображении часто приводит к возникновению двух видог ошибок - ложному обнаружению и пропуску истинных границ.

В то же время, ИК-изображсния морской поверхности характеризуются таким приятием, как струйность - чередование теплы* и холодных полос воды. Это обусловлено сдвиговыми эффектами пол* течений вихрей и струй, приводящими к вытягиванию контрастен изображения вдоль потоков воды. Поэтому необходим такой оператор который учитывал бы эти особенности морской поверхности и давал бь отклик при существовании такой характеристики изображения I выбранной окрестности.

Основной иелмо представленной работы является создание методг автоматического выделения пространственных структур поверхности океана по. ИК-изображсниям спутников ЫОАА. Для доспжени: поставленной цели решались следующие задачи : в исследование вероятностной природы поля локальных градиентов яркости изображений морской поверхности;

• пс}лучение оценки точности и статистической значимости доминантной ориентации контраста и построение детектора "струйности";

• . анализ влияния инструментального шума радиометра АУНЯЯ на

изображения;

• сравнительный анализ получаемых поверхностных структур с другими видами информации о процессах на поверхности океана;

• создание соответствующих методов и программного обеспечения и применение их в практике фундаментальных и прикладных океанологических исследований.

В качестве оснопнмх методт исследования для решения этих задач использовались непараметрнческие методы статистического оисаиг.г.шп параметров, методы статистической лросгртн гипотез на оснозе критериев согласия, спектральный анализ, а та:г;г;е методы обработки и анализа изображений.

Научная новизна выполненной работы и аыносимме ил

защиту, состоят в следующем:

• обоснован и разработан подход к автоматическому выделению пространственных структур на поверхности океана по ИК-дашшм НИРТЖОАА ня основе анализа углов ориентации контрастов;

• получен критерий существования сгруйной структур;* па поверхности океана на основе оценки доминантной ориентации яркостного контраста в некоторой окрестности, ее точности я статистической значимости;

в статистически исследован инструментальный шум радиометра АУНЯП в ИК-каналах, найдена модель инструментального шума в строке 3-го (3,7 мкм) ИК канала НЯРТ/ЫОАА и методика его фильтрации;

• на оснопе выработанного критерия создан и исследован метод выделения струйно-вихревых образований поверхности океана по ИК-изображениям НКРТ/ГЮАА;

• выявлены условия использования ориентации термических контрастов как направлений поверхностных течении, оценена точность такого использования.

Практическое и научное значение работы

С 1995 года карты термических структур в виде струйно-вихревых образований наряду с картами изолиний температуры поверхности океана (ТПО), скоростей течений и одиночными изображениями являются базовым выходным продуктом наземного Комплекса приема и обработки спутниковых данных ИАПУ ДВО РАН для мониторинга Дальневосточных морей.

Совместный анализ карт течений, ТПО и карт поверхностных струино-вихревых образований океана позволяет выделять структурные особенности наследуемой акватории, оценивать их температурные характеристики, интенсивность, пространственные размеры н положение.

Получение статистических, пространственных и временных характеристик инструментального шума радиометра AVHRR позволяет строить корректные процедуры обработки и анализа получаемых спутниковые изображении, в частности расчет яркостных градиентов. На примере слабо чувствительной к шумам задачи калибровки показано, что пренебрежение инструментальным шумом приводит к существенным систематическим ошибкам, даже для режима низкого разрешения (APT, разрешение 0.5 градуса).

Карты струйио-впхревых структур использовались в оперативном режиме для подготовки и информационного обеспечения научно-исследовательских морских экспедиций ТОЙ в 1995-1996 годах при иаведешш кораблей на объекты исследований - вихри и фронты Охотского моря, для информационного обеспечения рыбопромысловых экспедиций и ежегодного мониторина Охотского моря в 1995-1997 годах лабораторией Космических методов исследования океана ТИНРО, при проведении работ по проекту. "Туманган" ТОЙ ДВО РАН в Японском море -1997 года, для ретроспективного анализа результатов научно-исследовательского рейса "Академик Лаврентьев" 1-994 года, а также при проведении НИР лабораторией Спутникового мониторинга ИАПУ ДВО РАН по грантам РФФИ N 96-01-00184, N 95-01-00143.

Всего за время-работ было построено около 100 карт струйно-вихревых структур поверхности океана.

Апробации; работы. Основныз . положения и результаты работы докладывались на

о Международной конференции по моделированию и обработке

сигналов (Москва, 1993); • Международной конференции PORSEC'96 (Канада, Виктория, 1996);

• Международном симпозиуме CREAMS'97 (Япония, Фукуока, 1997); Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ. Структура и обт»ем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 106 страниц, ¡включая 35 рисунка, 8 таблиц н список литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во песдснин рассмотрено состояние проблемы d настоящее время, определена цель диссертационной работы. Указаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приведены основные положения, выносимые на защиту. Дана краткая характеристика работ по главам. •

В перпой главе дается аналитический обзор существу/ошпх методов как визуально-ручных, так и полуавтоматических для выделения струйно-вихревых образований на поверхности океана по спутниковым изображениям. Формулируются требования к автоматическому детектору поверхностных морских структур. Обсуждаются проблемы корректного построения такого детектора.

Термические неоднородности (вихри, фронты, струн), хорошо просматриваемые по спутниковым изображениям высокого разрешения HRPT/NOAA (1км) в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, не являются чисто поверхностными явлениями, а отображают термохалннную структуру и динамику вод. Их типичные очертания служат индикаторами термодинамических образований.

До сих пор выделение и идентификация мезо-масштабных и синоптических процессов на поверхности океана по спутниковым снимкам осуществляется методом нсфанализа, то есть визуально-ручным дешифрированием специалистом-экспертом. В основе нефанализа лежит поисх н отрисояка границ линий тока струйно-вихревых образований. Широко используемые и распространяемые по факсимильной связи Метеорологическим Агентством Японии карты течений и вихрей также строятся вручную' .по судовым измерениям течений. Общими

недостатками всех еидов Еюуалыю-ручного картирования морской поверхности являются субъективность, трудоемкость и невозможность дальнейшего цифроаого анализа полученных результатов.

Применение традиционных автоматических детекторов границ, базирующихся на . поточечном. подчеркивании величины яркостного контраста, даст избыток структурно не связанной контурной информации. Поскольку поверхностные структуры океана представляют собой сложные многообразные формы, то простые методы анализа изображений для их • выделения не дают результатов. Более соответствующим яалкстся символическое описание, когда более крупные формы изображения образованы элементарными структурными элементами.

Поскольку тсрмичсская картине морской поверхности на ИК-изображеннях есть проявление движения водных масс, а из-за сдвиговых эффектов течений температурные контрасты вытягиваются вдоль линий . движения, то основной характеристикой такого изображения должно быть направление движения, т.е. температурный контраст и его ориентация/

Использующим векторную характеристику' яркостных контрастов яалается подход на основе выделения ориентированных текстур, (двухмерное изображение, в котором в каждой точке доминирует определенное направление). Подход основан на вычислении доминирующей ориентации и согласованности ориентации в локальной окрестности по полю градиентов яркости. Выделяемые объекты характеризуются в первую очередь динамикой водных масс, а не яркостными перепадами, поэтому акцент на использовании модуля градиента приводил на практике к тому, что при сдвиге на пиксел рассчитываемые величины претерпевали существенные изменения, то ссть наблюдалась неустойчивость.

Корректное использование данного подхода требует решения ряда вопросов:

• анализ условий применения данного подхода;

• выбор схем расчета яркостного контраста с оценкой точности расчета;

• исследование вероятностной природы статистического ансамбля контрастов;

• сование метода оценки доминантной ориентации и согласованности ориентации;

• построение детектора струйное™ ИК-изображення;

• анализ и учет присутствующего на изображении шума.

Во второй главе описывается метод выделения струйно-вихревых образований на основе анализа ориентированных текстур и формулируется критерий существования струГшости на изображении. .

Спутниковые изображения морской поверхности можно рассматривать как набор ориентированных текстур в поле температуры. Направление яркостного контраст определяется как ортогональный образ вектора градиента Vu=Ge",'!' в поле яркости. Имея поле направлений яркостных контрастов и учитывая, что интерес представляет движение водных масс, проявляющееся ках согласованность направлений или ориентации, будем рассматривать скалярное поле углов ориентации {<р}. Тогда задача определения доминирующей ориентации 0 и согласованности АО в окрестности поля есть, со статистической точки зрения, задача оценки положения и величины разброса по данной выборке углов.

За оценку доминантной ориентации 0, или положения, была выбрана робастная оценка - модуль отклонения углов: ЕДф -> min, Acp=W(q>)min {| q>-01,1 ф-9-я I}, где \У(ф) - весовой коэффициент контраста ö окрестности. Для оценки меры разброса АО использовалось неравенство Маркова, которое позволяет оценить вероятность события, состоящего в том, что положительная . величина ' % ' препзовдет по модулю произвольное положительное число ?:

P{ixi >!} <(М|х!)Л,илиР{|х| <t} > l-<M|x|)/t.

Считая | X | =Дф и задавшись определенной точностью я, получаем оценку минимальной вероятности достижения выбранной точности:

Р{ Дф < Я } > 1-(МД9)Л|.

Определив максимально допустимый диапазон отклонений от доминантной ориентации - Д<р* и минимальную допустимую вероятность попадания в него - Р*, мы формально полностью определяем условие струйно'сти для изображения. Из требования Р{ Дф < Дф*} > Р* получаем условие МДф<(1-Р*)Д<р*, где МДф=(ЕДф)/5:\У(<р). Рисунки 1-5 демонстрируют работу метода (рис.4) в сравнении с традиционными видами информации - полутоновым изображением -рис.1, картой температуры поверхности океана в изолиниях- рис.2, картой скоростей поверхностных течений - рис.3, фрагментом японской карты течений, построенной по судовым данным - рнс.5 - для акватории южных Курил за 10-15 октября 1995 года.

На карте структур (рис.4) также как на полутоновом снимке (рис.1), хорошо видны 2 крупных контрастных синоптических вихря (Б!,В2), мезо-масштабные вихри, течение Соя (ТС), течение Оиясио (ТО), Северо-Курильское течение (СК). Крупная грибовидная структура (Г) сла'бо просматривается на полутоковом изображении (рис.1), но хорошо видна иа карте структур (рнс.4). На карте температур (рис.2), за исключением струйных течений, вихри обнаруживаются плохо. Направления на карте структур имеют хорошее соответствие с направлениями скоростей основных течений региона (рис.3). На примере грибовидной, очень слабоконтрастной, структуры Г, которая даже на полутоновом снимке (рис.1) видна плохо, а на карте структур (рнс.4) выделилась четко, видно преимущество предложенного подхода перед визуальным н обычными методами выделения, учитывающими только модуль яркостного контраста.

- -'¡а.*.... , ,■¿-а. ь'л-^..- ■ ,чу.

, 7*Ле * - / ' КЯ»

•Л*-

\

Ып то

¿'У V <;.-'

Гг. •••;•

Ч-К ' ■■ »»»^ЙТ-:^ г

V. ,

♦Г .«.V С-

Рис. 1 Полутоновое ИК-изображение в меркаторской проекции для Южно-Охотского региона.

141 141 142 143 144 145 146 147 140 149 15« 161

Рис. 2. Карта температуры поверхности океана в изолиниях.

Рис.3. Карта скоростей поверхностных течений .

Рис.4. Карта тепловых поверхностных структур океана.

Рис. 5. Фрагмент японской факсимильной карты течений, построенной по судовым измерениям.

В главе также приводятся результаты исследований влияния параметров настройки метода на конечный результат: размеры окон расчета, задаваемая точность и выбор Еесовкх коэффициентов.

Тпзтьч глпрч посвящена исследованию инструментального шума радиометра АУНЯЯ (НЛРТ режим) в инфракрасном диапазоне для спутников ЫОАА-9/10/1 ¡/12. Анализ инструментального шума радиометра особенно важен для 3-го (3.7 мкм) ИК-канала. Этот канал наименее подвержен влиянию атмосферы и полупрозрачной облачности,

в котором температурные контрасты примерно на 30% выше, чем в 4 и 5 ИК-каналах; однако он содержит и наиболее сильный инструментальный шуы, даже зрительно хорошо различимый на изображениях.

Проведен статистический и спектральный анализ инструментального шума, его изменчивость во времени. Показано, что:

1. Радиометр AVHRR в ближнем ИК-диапазонс, длины волн 10-12 мкм, имеет устойчивый во времени, низкий, не больше 0,5 отсчета яркости, уровень шума. В ШС-диапазоне с длиной волны 3,7 мкм уровень инструментального шума достаточно высок, до 15 отсчетов, и, как правило, уплачивается с течением времени жизни спутника. .

2. Статистический анализ проводился по участкам телеметрии и состоял в проверки основных статистических свойств распределения (независимости, стационарности, нормальности) с использованием критериев согласия. Для каждого спутника инструментальный шум 3-го ИК-канала имеет свою характерную пространственную структуру. Тем не менее, мо;а;ст быть предложена общая модель шума в строке сканирования. Согласно этой модели^ основной шумовой вклад вносят гармоническнг составляющие на фоне сравнительно небольшого аддитивного шума. Характерные особенности шума для каждого спутника определяются числом гармоннческих составляющих, их параметрами и характером изменений амплитуд и фаз от строки к строке.

3. Так как частота гармоник постоянна для конкретного спутника, то предложено простое вычитание гармоник как наилучший вариант фильтрации шума. Основная задача такого способа чистки состоит в определении с достаточной точностью амплитуд к фаз гармоник.

4. Показано, что общепринятые процедуры фильтрации не устраняют шум. На примерз слабо чувствительной к шумам процедуры калибровки показано, что пренебрежение инструментальным шумом приводит к систематическим ошибкам. Для спутника NOAA-9 така; сшибка проявляется даже для режима низкого разрешения (APT)

Анализ шумов • ИК-изсбра^сепин спутников ГЮАА позослна разработать оптимальные схем и расчзта градиентов яркости. Так как после вычитания гармонических составляющих осног.кой компонентой шума становится аддитивная гаугсогсхал дсбавка, то схемы расчета градиента строились таким сбразом, чтобы остаточный шум подавлялся бы наилучшим образом и из требовалось его дополнительной фильтрации.

В чэтновтой глчпз делается сопсстаэлгинз структурных корт с традиционными ^змереннгми, обсуядагэтга условия применения и практическое кполтлосапче метода ¡л^д^ленпл струйао-гипфовья; структур океана.

Одной го целей разработки метода азтомятичсс-сого выделения тепловых поверхностных структур океана по д^тшым НЯРТ/ЬЮАА было получение информации о полз течений заданной акватории океана в сложных облачных условиях. С этой целыо были проведены исследования возможностей пегого метода по определению направлений течений мезо- и синоптического масштабоз. Было показано, что направления течении со скоростями более 30 см/с пне ют высокую степень корреляции с направлениями контрастов (более 0.9). В частности, для приведенного примера (рис.1) скорости всех основных течений региона более 30 сгУс н они хорошо выделяются новым методом. Коэффициент корреляции со всем полем течений был равен величине 0.78. Показано, что настраиваемые; параметры метода почти не влияют на получаемые результаты, что говорит об устойчивости работы метода.

Апробация, натурные испытания и доработка метода проходила в 1995-1997 гг на разработанном в ИАПУ ДВО РАН наземном Комплексе приема и обработки многоканальной информации высокого разрешения. Комплекс является инструментальной базой спутникового сопровождения морских научно-исследовательских н рыбопромысловых экспедиций, а также самостоятельного спутникового мониторинга п дальневосточных морях.

Спутниковое оолропохсдшхие состоит из передаваемых на суда 1-2 раза б неделю по факсимильной связи карт изолиний температуры (ТПО), карт поверхностных течений, а с 1995г. и карт тепловых структур поверянос'тн океана (ТСПО). На рисунках 2-4 представлены образцы карт, которые строились и передавались на суда дня информационного обеспечения санроаой путины 1995 г..

Плотные концентрации сайры встречаются в пределах оптимального диапазона температур лишь в определенных океанических образованиях типа, циклонических вихрей закручивания, теплых струйных вторжениях и теплых затоках в циклонических областях (при саперных миграциях), холодных областях внутри антициклонов и обостренных участках фронта (при южных миграциях). Необходимую информацию для дающих рыбопромысловый прогноз биологов дают карты поверхностных структур в совокупности с картами температур. Карты скоростей течений выступают как дополнение к этой информации, так как нз-за слошшх облачных условий возможность их построения выпадает редко. Для приведенного примера (рнс.1-4) продемонстрированы возможности использования карт структур для прогноза путей миграции сайры.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основа исследования вероятностной природы поля локальных градиентов цифровых ИК-изображений HR.PT/NOAA морской поверхности обосновано получение оценки доминантной ориентации локального контраста, се точности и статистической значимости, что позволило сформулировать критерий существования сгруйности на изображении.

2. На базе полученных статистических оценок доминантной ориентации локального контраста, ее точности и статистической значимости получен метод выделения струйно-вихревых образований поверхности океана по ИК-изображенням НЯРТ/МОАА в виде поля статистически значимых .ориентации яркостных контрастов.

3. Показано, что для устоявшихся струнпо-пмхрепых образований океана поле ориентации коитрсстоп и» «сот высокую степень корреляции с полем течений.

. 4. Для 3-го ИК канала радиометра AVHRR получена общая для всех . спутников NOAA модель- инструментального шума в строке, как полнгармоннчсского процесса н аддитивной гауссовой составляющей. Для каждого спутника NOAA найдены параметры общей модели и пргдлс:::е>1 алгоритм вычнтанал полигармемччесчон составляющей из строки.

5. Создана методика совместной интерпретации карт структур, скоростей и температур для мониторинга вихрен и фронтов. Продемонстрированы ее возможности пл. примерз спутшнсор.ого информационного обеспечения сайросей путины 1995 года.

6. Создано программное обеспечение, для проведения фундаментальных и прикладных океанологических исследований.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Алексаннна М.Г. Анализ шумов приемно-передающего тракта на спутниковых снимках ИК-диапазона //Обработка информации и математическое моделирование в океанологических исследованиях. Владивосток: ДПОАНСССР, 1939. Сг 3-14.

2. Алексаннна м.Г. Анализ шумовых характеристик ИК-каналов радиометра AVHRR// Исслед. Земли из космоса, N4, 1993, С.54-61.

3. Alexanina M.G. Instrumental noise of AVHRR radiomcter over the IR-range// Modelling, Measurements & Control, A, AMSE Press, Vol. 55, N 4,1994/PP.27-30.

4. Алексанин А.И., Алексаннна М.Г., Булатов H.B., Гербек Э.Э. Методические аспекты выделения вихрей по спутниковым п судовым измерениям//Труды ТИНРО,т. 122, 1997, С.2-11.

5. Алексаннна М.Г. Автоматическое пыл слепке поверхностных структур океана по инфракрасным данным спутников МОАА//Исслед. Земли из космоса, 1997, N3, С.44-51.

6. ГсрОек Э.Э., Апсксашш А.И., Алексашша М.Г. Реализация регионального спутникового мониторинга океана и атмосферы //Вестнцк ДВО РАН, N б, 1996, С.103-119.

7. Bulatov N.V., Kurennava L.A., Muktcpavel L.S., Alexonina M.G., Herbek E.E. Monitoring of the eddies in the southern Okhotsk Sea based on Meteor and NOAA satellites and situ data //Proc. of the PORSEC'96 Int. Conf. PICES Press, Victoria DC, Canada. 1997. P.26.

8. Bulatov N.V., Pavlychev V.P., Alsksar.ina M.G. Space-time Variability of Occanographic Conditions in the South Part of the Okhotsk Sea// The-Creams'97 International Symposiom, Fukuoka, Japan, January 28-30, 1997, PP.3',-35.

Работы 1, 2, 3, 5 выполнены полностью автором, в работах 4, 6, 7, 8 использовала предложенная автором методика получения информации о процессах на поверхности океана.