Закономерности распределения айсбергов в Баренцевом море на основе данных спутникового радиолокационного зондирования
|
Введение 4
Глава 1. Айсберги как опасный ледяной объект 9
1.1 Классификация айсбергов 9
1.2 Физико-географическое описание района исследования 10
1.3 Характеристика айсбергов Баренцева моря и их источников 12
1.4 Пространственно-временное распределение айсбергов по архивным
данным 15
Глава 2. Системы дистанционного зондирования и автоматизированные
методы идентификации айсбергов 17
2.1 Системы спутникового мониторинга айсбергов в Арктике 17
2.2 Основные характеристики радиолокаторов с синтезированной
апертурой 18
2.2 Физические принципы и основное уравнение радиолокации 19
2.3 Обзор современных автоматизированных методов обнаружения
айсбергов на радиолокационных снимках 21
Глава 3. Данные и методы 23
3.1 Радиолокационные данные Sentinel - 1 A/B 23
3.2 Данные видимого диапазона 24
3.3 Береговая линия OpenStreetMap 25
3.4 Метод «Blob detection» (библиотека «Scikit-image») 25
Глава 4. Программа автоматической идентификации айсбергов 27
4.1 Интерпретация данных дистанционного зондирования айсбергов 27
4.4.1 Айсберги на открытой воде 28
3.4.2 Айсберги в припае 29
3.4.3 Айсберги в дрейфующем льду 31
4.2 Обучающая выборка 31
4.2.1 Формат и содержание данных обучающей выборки 33
4.2.2 Разведочный анализ данных обучающей выборки 36
4.3 Описание алгоритма обнаружения айсбергов 40
4.3.1 Предварительная обработка SAR - данных 41
4.3.2 Обнаружение ярких областей («Blob-detection») 42
4.3.3 Обоснование выбора модели классификатора 43
Глава 5. Распределение айсбергов в Баренцевом море 45
5.1 Пространственная плотность распространения айсбергов 45
Заключение 51
Список литературы 54
Глава 1. Айсберги как опасный ледяной объект 9
1.1 Классификация айсбергов 9
1.2 Физико-географическое описание района исследования 10
1.3 Характеристика айсбергов Баренцева моря и их источников 12
1.4 Пространственно-временное распределение айсбергов по архивным
данным 15
Глава 2. Системы дистанционного зондирования и автоматизированные
методы идентификации айсбергов 17
2.1 Системы спутникового мониторинга айсбергов в Арктике 17
2.2 Основные характеристики радиолокаторов с синтезированной
апертурой 18
2.2 Физические принципы и основное уравнение радиолокации 19
2.3 Обзор современных автоматизированных методов обнаружения
айсбергов на радиолокационных снимках 21
Глава 3. Данные и методы 23
3.1 Радиолокационные данные Sentinel - 1 A/B 23
3.2 Данные видимого диапазона 24
3.3 Береговая линия OpenStreetMap 25
3.4 Метод «Blob detection» (библиотека «Scikit-image») 25
Глава 4. Программа автоматической идентификации айсбергов 27
4.1 Интерпретация данных дистанционного зондирования айсбергов 27
4.4.1 Айсберги на открытой воде 28
3.4.2 Айсберги в припае 29
3.4.3 Айсберги в дрейфующем льду 31
4.2 Обучающая выборка 31
4.2.1 Формат и содержание данных обучающей выборки 33
4.2.2 Разведочный анализ данных обучающей выборки 36
4.3 Описание алгоритма обнаружения айсбергов 40
4.3.1 Предварительная обработка SAR - данных 41
4.3.2 Обнаружение ярких областей («Blob-detection») 42
4.3.3 Обоснование выбора модели классификатора 43
Глава 5. Распределение айсбергов в Баренцевом море 45
5.1 Пространственная плотность распространения айсбергов 45
Заключение 51
Список литературы 54
Откалываясь от края выводных и шельфовых ледников, айсберги впоследствии могут оказать существенное влияние на жизнь и деятельность человека в высоких широтах. Дрейфуя как вдоль береговой линии, так и за ее пределами, они представляют значительную опасность для навигации и деятельности по разведке и добыче углеводородов в Арктическом и Североатлантическом регионах. Отслеживание айсбергов полезно для изучения течений верхних слоев океана, поскольку они оказывают гораздо более сильное влияние на дрейф крупных айсбергов, чем поверхностные ветры. Повышение уровня океана, влияние айсбергов на термохалинную структуру и баланс тепла Мирового океана также стимулируют исследования этих ледовых объектов.
В контексте изменения климата особое внимание обращено к Северному Морскому Пути (СМП) - самому короткому маршруту, связывающему страны Европы и Азии. Согласно официальному положению, под акваторией Северного морского пути понимается «водное пространство, прилегающее к северному побережью Российской Федерации, охватывающее внутренние морские воды, территориальное море, прилежащую зону и исключительную экономическую зону Российской Федерации и ограниченное с востока линией разграничения морских пространств с Соединенными Штатами Америки и параллелью мыса Дежнева в Беринговом проливе, с запада меридианом мыса Желания до архипелага Новая Земля, восточной береговой линией архипелага Новая Земля и западными границами проливов Маточкин Шар, Карские Ворота, Югорский Шар». Непостоянство границ акватории СМП связано с отсутствием официально определенной единой трассы. Ежегодно происходят значительные изменения в широтном направлении маршрутов с сохранением общей направленности. Выбор пути зависит от ледовой обстановки в каждом конкретном случае, от сезона и связанных с ним гидрографических особенностей, а также от типа судов, осуществляющих перевозки. Суда могут проходить как севернее архипелагов Новая Земля, огибая мыс Желания и минуя проливы Карские ворота, Югорский шар, так и вплотную приближаться к побережью материка в случаях повышенной ледовитости морского участка...
В контексте изменения климата особое внимание обращено к Северному Морскому Пути (СМП) - самому короткому маршруту, связывающему страны Европы и Азии. Согласно официальному положению, под акваторией Северного морского пути понимается «водное пространство, прилегающее к северному побережью Российской Федерации, охватывающее внутренние морские воды, территориальное море, прилежащую зону и исключительную экономическую зону Российской Федерации и ограниченное с востока линией разграничения морских пространств с Соединенными Штатами Америки и параллелью мыса Дежнева в Беринговом проливе, с запада меридианом мыса Желания до архипелага Новая Земля, восточной береговой линией архипелага Новая Земля и западными границами проливов Маточкин Шар, Карские Ворота, Югорский Шар». Непостоянство границ акватории СМП связано с отсутствием официально определенной единой трассы. Ежегодно происходят значительные изменения в широтном направлении маршрутов с сохранением общей направленности. Выбор пути зависит от ледовой обстановки в каждом конкретном случае, от сезона и связанных с ним гидрографических особенностей, а также от типа судов, осуществляющих перевозки. Суда могут проходить как севернее архипелагов Новая Земля, огибая мыс Желания и минуя проливы Карские ворота, Югорский шар, так и вплотную приближаться к побережью материка в случаях повышенной ледовитости морского участка...
В мире не найдётся пары одинаковых айсбергов: как природный объект, он постоянно находится в поле действия разнообразных гидрометеорологических факторов, что определяет его морфометрические и диэлектрические характеристики, влияющие на радиолокационный портрет. Анализ результатов подтверждает, что алгоритм позволяет выделять опасные ледяные образования и строить карты распространения айсбергов, оценивать их пространственную и сезонную изменчивости в условиях открытой воды. Стоит отметить, что в работе использовались бесплатные открытые радиолокационные данные миссии Sentinel-1, регулярно покрывающие территорию Баренцева моря. Данная работа исследует потенциальные возможности и ограничения современных подходов применимо к спутниковым данным, а разработка автоматизированного подхода на основе SAR-продуктов позволяет решить актуальнейшую проблему прикладной полярной океанологии - задачу оперативного поиска опасных ледяных образований. На данный момент в России не существует единой принятой судоводителями разработки, автоматически выполняющей данные операции.
Исторически информация об айсбергах наполнялась за счет сбора данных авиа- и судовых ледовых разведок. Многолетние данные позволяют понять пространственное распределение айсбергов, оценить риск появления айсберга в конкретном районе, проследить изменчивость таких характеристик как форма, размеры, положение южной границы распространения ледовых образований. Тем не менее, такая информация привязана к маршрутам следования и потому нерегулярна по времени и пространству, в то время как спутниковые данные лишены этих недостатков.
В последние годы был достигнут значительный прогресс в разработке и применении методов обнаружения айсбергов на основе спутниковых изображений. В работе был использован метод «Blob detection», который показал свою эффективность в работе с SAR-данными. Успешность выполнения задачи по обнаружению ОЛО может быть значительно увеличена за счёт следующих решений:
1) использование разных методических подходов для поиска айсбергов в различных условиях. Численный эксперимент показал, что ледовый покров любого характера может стать препятствием для нахождения айсбергов, особенно маленьких в масштабах пространственного разрешения радиолокатора. В условиях открытой воды на первое место встаёт вопрос разделимости айсберга и ярких областей фона (взволнованная поверхность, остаточный лёд);
2) Использование данных более высокого пространственного разрешения;
3) Совместное использование данных радиолокации и видимого диапазона.
Сбор обучающей выборки - важный этап в разработке модели машинного обучения, который оказывает существенное влияние на качество и обобщающую способность модели. Разметка данных проводилась вручную, и включает в себя более 1500 айсбергов, продуцируемых всеми возможными ледниками Западной Арктики. Выборка учитывает многообразие форм и размеров, положение айсбергов относительно угла падения радиоимпульса и особенности их проявления в двух каналах поляризации.
Программа включает в себя работу метода «Blob detection», основанного на поиске локальных ярких областей снимка с последующей классификацией полносвязной нейронной сетью переменного отбора. Алгоритм показал свою эффективность в обнаружении айсбергов на открытой воде. На основе полученных данных построены карты плотностей распределения айсбергов.
Пространственное распределение айсбергов в Баренцевом море является результатом взаимодействия различных факторов, основными из которых являются айсберг опродуцирование выводных ледников, синоптические условия и циркуляция вод. Общая картина распределения представляет собой гетерогенную и переменную во времени структуру: распределение айсбергов неоднородно. Приледниковые районы имеют повышенную концентрацию, однако айсберги могут дрейфовать по всей северной части Баренцева моря: районы распространения включают участки в районе шельфа Шпицбергена и Новой Земли, тем самым препятствуя освоению углеводородов на акватории. Ненулевая вероятность появления айсбергов на маршрутах плавания также осложняет морские транспортные операции...
Исторически информация об айсбергах наполнялась за счет сбора данных авиа- и судовых ледовых разведок. Многолетние данные позволяют понять пространственное распределение айсбергов, оценить риск появления айсберга в конкретном районе, проследить изменчивость таких характеристик как форма, размеры, положение южной границы распространения ледовых образований. Тем не менее, такая информация привязана к маршрутам следования и потому нерегулярна по времени и пространству, в то время как спутниковые данные лишены этих недостатков.
В последние годы был достигнут значительный прогресс в разработке и применении методов обнаружения айсбергов на основе спутниковых изображений. В работе был использован метод «Blob detection», который показал свою эффективность в работе с SAR-данными. Успешность выполнения задачи по обнаружению ОЛО может быть значительно увеличена за счёт следующих решений:
1) использование разных методических подходов для поиска айсбергов в различных условиях. Численный эксперимент показал, что ледовый покров любого характера может стать препятствием для нахождения айсбергов, особенно маленьких в масштабах пространственного разрешения радиолокатора. В условиях открытой воды на первое место встаёт вопрос разделимости айсберга и ярких областей фона (взволнованная поверхность, остаточный лёд);
2) Использование данных более высокого пространственного разрешения;
3) Совместное использование данных радиолокации и видимого диапазона.
Сбор обучающей выборки - важный этап в разработке модели машинного обучения, который оказывает существенное влияние на качество и обобщающую способность модели. Разметка данных проводилась вручную, и включает в себя более 1500 айсбергов, продуцируемых всеми возможными ледниками Западной Арктики. Выборка учитывает многообразие форм и размеров, положение айсбергов относительно угла падения радиоимпульса и особенности их проявления в двух каналах поляризации.
Программа включает в себя работу метода «Blob detection», основанного на поиске локальных ярких областей снимка с последующей классификацией полносвязной нейронной сетью переменного отбора. Алгоритм показал свою эффективность в обнаружении айсбергов на открытой воде. На основе полученных данных построены карты плотностей распределения айсбергов.
Пространственное распределение айсбергов в Баренцевом море является результатом взаимодействия различных факторов, основными из которых являются айсберг опродуцирование выводных ледников, синоптические условия и циркуляция вод. Общая картина распределения представляет собой гетерогенную и переменную во времени структуру: распределение айсбергов неоднородно. Приледниковые районы имеют повышенную концентрацию, однако айсберги могут дрейфовать по всей северной части Баренцева моря: районы распространения включают участки в районе шельфа Шпицбергена и Новой Земли, тем самым препятствуя освоению углеводородов на акватории. Ненулевая вероятность появления айсбергов на маршрутах плавания также осложняет морские транспортные операции...
