автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка и исследование метода автоматического определения дрейфа морских льдов по последовательным спутниковым изображениям

Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет

На правах рукописи

РАХИНА Татьяна Владимировна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДРЕЙФА МОРСКИХ ЛЬДОВ ПО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ СПУТНИКОВЫМ

ИЗОБРАЖЕНИЯМ.

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор B.C. Тарасов кандидат физико-математических наук В.Ю. Александров

Санкт-Петербург, 1999г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. 3

Глава 1. Обзор методов определения дрейфа льдов 9 по спутниковым изображениям.

1.1. Интерактивный метод. 9

1.2. Полиномиальный метод. 10

1.3. Кросс-корреляционный метод. 13

1.4. Гибридный метод. 17

1.5. Метод оптического потока. 19

1.6. Выводы. Постановка задачи. 22 Глава 2. Метод автоматического определения дрейфа льдов по

радиолокационным изображениям с широкой полосой обзора. 24

2.1. Предварительные процедуры. 24

2.2. Трансформация изображений в фотокарту. 25

2.3. Нахождение первичных векторов дрейфа. 29

2.4. Вычисление направления и величины вектора дрейфа. 31

2.5. Вторичная обработка изображений. 32

2.6. Оценка погрешности метода. 34

2.7. Выводы. 34 Глава 3. Тестирование метода. 36

3.1. Формирование тестовых изображений. 36

3.2. Тестирование на сдвиг с поворотом. 42

3.3. Тестирование изображений на нулевой дрейф. 42

3.4. Тестирование на заранее заданный ненулевой дрейф. 44

3.5. Выводы. 45 Глава 4. Результаты исследований. 48

4.1 Дешифровочные свойства льда. 48

4.2. Обработка изображений ИСЗ «Океан». 51

4.3. Обработка изображений ИСЗ Еж1аг8а1 84

4.4. Выводы. 89 Заключение. Основные результаты. 93 Литература. 95

Введение.

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.

В первой главе дан обзор методов определения дрейфа морских льдов по спутниковым изображениям.

Во второй главе изложен разработанный метод автоматического определения дрейфа льдов по спутниковым изображениям с широкой полосой обзора.

В третьей главе проведено тестирование и анализ разработанного метода.

В четвертой главе проанализированы результаты автоматического определения дрейфа по реальным парам радиолокационых изображений со спугников «Океан» и Иаиагеа1 и даны рекомендации по выбору параметров метода.

Новизна диссертации заключается в том, что в ней впервые

¡.Создан метод автоматического определения дрейфа по последовательным радиолокационным спутниковым изображениям с широкой полосой обзора, работающий по изображениям исходного разрешения.

2.Разработана модель ограничения зоны поиска по повторному изображению, позволяющая существенно снизить временные затраты на определение дрейфа.

3.Предложен новый подход, основанный на методе корреляционного анализа дискретных временных рядов с прогнозированием и позволяющий расширить и уточнить картину дрейфа в исследуемом районе.

4.Исследован новый подход к выбору начальных точек на первом изображении, дающий возможность определить дрейф для тех точек, которые легко выделяются человеческим глазом.

5.Впервые автоматизирована процедура определения дрейфа по радиолокационным изображениям с широкой полосой обзора российского спутника «Океан», показана возможность и эффективность автоматического определения дрейфа по последовательным радиолокационным изображениям спутника «Океан» (низкого разрешения).

6.Показана возможность автоматического определения дрейфа по изображениям канадского спутника Кжкгеа! (высокого разрешения) в условиях таяния ледяного покрова.

Достоверность полученных результатов подтверждается верификацией результатов при помощи данных, полученных в интерактивном режиме и данных дрейфующих буев, корректным использованием приведенного в диссертации математического аппарата, а также результатами апробации на международных конференциях.

Практическая ценность работы.

Разработанный метод позволяет существенно (на 1-2 порядка) снизить временные затраты на определение дрейфа льдов и дает возможность получения в автоматическом режиме данных о дрейфе по радиолокационным изображениям с широкой полосой обзора с российского спутника «Океан», с канадского ИСЗ Radarsat, а в дальнейшем и со спутников подобного типа, запуск которых планируется осуществить в ближайшем будущем - европейского спутника ENVISAT и российского спутника «Ресурс-Арктика».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту :

Метод автоматического определения дрейфа по последовательным спутниковым изображениям с широкой полосой обзора, работающий по изображениям исходного разрешения.

Модель ограничения зоны поиска по повторному изображению, позволяющая существенно снизить временные затраты на определение дрейфа.

Вторичная обработка изображений, основанная на методе корреляционного анализа дискретных временных рядов с прогнозированием и позволяющая расширить и уточнить картину дрейфа в исследуемом районе.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях;

1. На Российско-Норвежской рабочей встрече в ДАНИИ (Санкт-Петербург, Россия, 28 февраля-2 марта 1995 года. )(Proceedings of the Russian-Norwegian workshop, St.Peterburg, February 28- March 2, 1995, AARI)

2. На итоговой сессии ученого совета ААНИИ по результатам работ 1996 года Санкт-Петербург, 1996.

3. На международной конференции «Неразрушающее тестирование и компьютерные эксперименты»-, Санкт-Петербург, Россия, 8-12 июня 1998 года. (On

New Approaches To Hi-Tech 98 International Workshop, Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering, S-Peterburg, June 8-12, 1998, Russia.)

4. На международном симпозиуме «Дистанционное зондирование окружающей среды», Тромсё, Норвегия, 8-12 июня 1998 года. (Proceeding of 27th International Symposium on Remote Sensing of Environment, Tromso, June 8-12, 1988, Norway.)

5. На семинарах лаборатории кафедры «Информационные и управляющие системы» Санкт-Петербургского Технического Университета.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1 А. В.Ю.Александров, А.В. Бушуев, В.Г. Смирнов, Ю.А. Щербаков, Т.В. Рахина Разработка алгоритмов и технологий автоматизированной обработки данных дистанционного зондирования - "Тезисы докладов. Итоговая сессия ученого совета ААНИИ по результатам работ 1996 года" ААНИИ, 1996, С-Пб

2А. V.Yu. Alexandrov, T V. Rakhina Studies of sea ice dynamics in the Kara and Laptev seas from satellites images - Proceedings of the Russian- Norwegian workshop, St.Peterburg. February 28- March 2, 1995, AARI

ЗА. Т.В. Рахина, В.Ю, Александров, А.В. Бушуев, С. Сандвен

Определение дрейфа льдов по радиолокационным изображениям спутника «Океан» с использованием кросс-корреляционного алгоритма. - Исследование Земли из космоса, 1998, No.4, сс. 107-115.

4А. Tatyana V. Rakhina,Viktor S. Tarasov, Vitaly Yu. Alexandrov Algorithm and technology of ice drift determination from successive satellite images using cross-correlation approach. - On New Approaches To Hi-Tech 98 International Workshop, Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering, preprint. June 8-12 1998, S-Peterburg, Russia.

5A. S. Sandven, V.Alexandrov, M.Lundhaug, K.Kloster, T.Rakhina and L.Pettersson Monitoring of sea ice motion by sequential satellite images - Proceeding of 27th International Symposium on Remote Sensing of Environment, June 8-12, 1988, Tromso, Norway.

Глава 1. Обзор методов определения дрейфа льдов по спутниковым

изображениям.

1.1. Интерактивный метод.

Необходимость в определении динамических характеристик ледяного покрова и, в частности, дрейфа морских льдов возрастала по мере освоения районов Арктики и Антарктики. На настоящий момент существует несколько способов получения данных о дрейфе морских льдов в этих районах : система радиобуев, оперативные данные с самолетов и спутниковые изображения. Программы «Арктические буи» была создана в 1979 году, в соответствии с ней на дрейфующих льдах были расставлены автоматические буи с датчиком атмосферного давления и температуры воздуха. Данные дрейфующих буев широко используются при изучении дрейфа [31]. Положение буев определяется спутниковой системой Аргос с точностью до 500 м. [32]. Поле скоростей льда определяется на основе регулярно получаемых координат буев. Однако количество установленных буев невелико и не позволяет получать подробную информацию о дрейфе льдов во всех районах Арктического бассейна. Преодолеть эти ограничения можно путем анализа спутниковых изображений ледяного покрова.

Возможность определения дрейфа льдов по последовательным спутниковым изображениям МЭАА, ЕК8=1, Океан, Каёагва!, 88М/1 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.

При использовании интерактивного метода вероятность правильного распознавания одних и тех же элементов ледяного покрова на повторных снимках приближается к 100% и погрешность определения дрейфа зависит от точности наведения курсора, точности географической привязки изображений и опытности исследователя. Точность географической привязки зависит от разрешающей способности изображений, обеспеченности опорными то�