инфракрасная радиометрия ледяного покрова акваторий для

УДК 551.326.7: 551.362.2
ИНФРАКРАСНАЯ РАДИОМЕТРИЯ ЛЕДЯНОГО
ПОКРОВА АКВАТОРИЙ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
д.ф.-м.н. Лебедев Герман Андреевич,
к.ф.-м.н. Парамонов Александр Иванович
Арктический и антарктический НИИ, 199397,С.-Петербург, ул. Беринга, 18
352-13-18, e-mail: [email protected]; [email protected]
Рассматриваются возможности использования ИК радиометрии для определения
толщины морского ледяного покрова и ширины трещин во льду, поперечные
размеры которых меньше линейного размера локального элемента разрешения
спутниковой аппаратуры, для обеспечения безопасной эксплуатации инженерных
объектов на шельфе и мореплавания.
The possibilities of IR radiometry usage for the definition of the sea ice cover thickness
and width of the cracks in ice, the lateral dimensions of which are less than the linear
size of the local element of satellite equipment resolution, are considered for the safe
exploitation of engineering objects on a shelf and for navigation.
В настоящее время для получения информации о состоянии ледяного покрова акваторий
используются технические средства дистанционного зондирования, работающие в различных
диапазонах электромагнитного спектра частот (видимом, СВЧ, ИК и радиолокационном). При
этом в большинстве случаев с использованием дистанционных средств наблюдений,
применительно к измерению толщины ледяного покрова, определяют некоторые произвольно
различимые интервалы толщины, а также его возрастные градации, что не всегда является
достаточным информационным параметром для решения практических задач. Существенным
продвижением в этом направлении можно считать новый запатентованный способ определения
толщины льда замерзающих акваторий, разработанный в отделе физики льда и океана ГУ
"ААНИИ" [1]. Способ позволяет определять толщину льда в интервале от пленки до 100 – 120 см с
дискретностью, ограниченной чувствительностью метода, осредненную на локальном элементе
разрешения, по данным спутниковых изображений в тепловом канале ИК диапазона частот при
безоблачной атмосфере и отрицательных температурах воздуха. Решение поставленной задачи
базируется на разработанной физико-математической модели, которая включает безразмерные
параметры, объединяющие различные гидрометеорологические элементы, и устанавливает новые
физические связи [2, 3] Исходным в указанной модели является уравнение теплового баланса на
поверхности заснеженного льда, рассматриваемого как двухслойная или многослойная пластина
при условии неразрывности теплового потока. Определен нелинейный коэффициент подобия 
рельефа собственного теплового излучения ледяного покрова на высоте полета ИСЗ рельефу поля
"истинной" толщины льда, введены безразмерные параметры. Под термином "толщина льда" в
модели принята условная величина, эквивалентная по своим тепловым характеристикам толщине
ровной ледяной пластины в пределах элемента разрешения ИК радиометра ИСЗ на местности.
Разработанный алгоритм позволяет классифицировать ледяной покров замерзающий акваторий
по данным ИК изображений ИСЗ в автоматическом режиме. При этом в расчетную часть
программного обеспечения вводятся осредненное значение истинной скорости приземного ветра в
период зондирования и безразмерный параметр, учитывающий статистическую высоту снега на
различном по толщине льде и теплопроводность снега и льда.
Физическая модель, которая положена в основу указанной технологии, позволяет выбирать
произвольную дискретизацию интервалов толщины льда в пределах чувствительности метода,
которая понижается при усилении ветра и большей заснеженности льда и увеличивается при
низкой температуре воздуха. Анализ показывает, что экстремально-возможная дискретизация
толщины льда составляет 10см в области тонких и средней толщины однолетних льдов. Данный
результат является уникальным по сравнению со всеми известными методами дешифрирования
данных дистанционного зондирования морского льда для всех используемых диапазонов
электромагнитного спектра частот.
Практическая реализуемость данного способа подтверждается тестовыми испытаниями по
дешифрированию спутниковых изображений в тепловом канале ИК диапазона для различных
акваторий и сравнением получаемых результатов с фактическими измерениями толщины ледяного
покрова в обследуемых районах в период регистрации снимков с ИСЗ [4-5].
В качестве иллюстрации возможностей разработанной технологии на рис. 1 представлены
результаты обработки фрагмента ИК изображения ледяного покрова южной части Баренцева
моря, полученного с ИСЗ NOAA-14 5 апреля 2001 г. Рис.1а иллюстрирует фрагмент исходного
спутникового изображения, а на рис.1b приведены результаты автоматизированной обработки
этого фрагмента с целью выявления пространственного распределения толщин различных льдов.
Рис.1.Фрагмент оригинального ИК изображения участка ледяного покрова Баренцева моря по
данным ИСЗ NOAA-14 от 5 апреля 2001 г. и результаты автоматизированного определения
толщины морского льда.
Обсуждаемая технология позволяет решать задачи мониторинга ледовой обстановки в
районах эксплуатации инженерных сооружений и проведения транспортных операций, намечать
возможные пути караванов судов, принимать своевременные меры по защите сооружений от
воздействия опасных ледяных образований. Для иллюстрации сказанного на рис. 2 представлены
результаты автоматизированного определения возрастных градаций морского льда в замерзающих
морях Южного океана. ИК изображение ледяного покрова получено в 42 РАЭ на НЭС «Академик
Федоров» 7 июня 1997 г. с ИСЗ NOAA-12 в период подхода его к станции «Мирный». На
результаты дешифрирования в виде ледовой карты нанесены маршрут судна и данные ледовой
разведки, выполненные с вертолета Ми-8. Результаты сравнения показывают удовлетворительное
соответствие данных.
Рис. 2.Результаты автоматизированной классификации возрастных градаций морского льда
по ИК изображению ледяного покрова моря Дейвиса, полученного с ИСЗ NOAA-12
на НЭС «Академик Федоров» (42 РАЭ).
Аналогичная информация, связанная с классификацией по данной технологии ИК
изображения ледяного покрова в Татарском проливе, принятого 31 января 2002 г. с ИСЗ NOAA16, показана на рис. 3 [4].
Рис.4. Векторная ледовая карта (фрагмент), составленная по классифицированному с помощью
разработанной технологии ИК изображению Татарского пролива (ИСЗ NOAA-16, 31 01.2002 г.).
Номерами указаны поворотные точки пути движения судна во льдах.
Для подтверждения достоверности полученных результатов классификации толщины льда по
спутниковым данным были использованы измерения толщины льда с судна, которое в этот период
проходило во льдах Татарского пролива. Данные судовых измерений представляли собой
перечень возрастных градаций (диапазонов толщины) льда, которые наблюдались на каждом
прямолинейном участке маршрута движения судна. Маршрут судна был наложен на карту
результатов классификации толщины льда по спутниковым данным. Результаты сравнения
значений толщины льда, определенных по спутниковым данным и измеренным с судна, по
каждому прямолинейному участку приведены в таблице 1.
Таблица 1– Результаты сравнения толщины ледяного покрова по данным классификации
спутникового изображения и измерений с судна
№№
Точек
поворота
Координаты (ш/д)
Начало
Конец
Толщина льда (см)
Спутник
Судно
1-2
49,68/142,00
50,03/142,03
30–50, 10–15, <10
30, 10–15, <10
2-3
50,03/142,03
50,28/141,92
30–50
40
3
50,28/141,92
–
30–50
40
3-4
50,28/141,92
50,47/141,98
30–50, 10–15, <10
30, 10–15, <10
4-5
50,47/141,98
50,82/142,03
15–30, <10
30, 10–15, <10
5
50,82/142,03
–
30–50
30, 10–15
5-6
50,82/142,03
50,93/142,00
30–50, 15–30
20, 10–15, <10
6-7
50,93/142,00
51,23/141,92
15–30
15, <10
7-8
51,23/141,92
51,43/140,92
15–30
15, 10–15
8
51,43/140,92
–
<10
10–15, <10
Как видно из таблицы, результаты классификации спутникового изображения по толщине
льда в большинстве случаев соответствуют данным судовых измерений.
Одним из преимуществ разработанной технологии является возможность оценки в ледяном
покрове протяженных трещин с открытой водой, поперечный размер которых меньше линейного
размера локального элемента разрешения спутниковой аппаратуры наблюдения в ИК диапазоне.
Решение поставленной задачи достигается путём использования физической модели и способа
определения толщины ледяного покрова замерзающих акваторий, представленных выше.
Для обоснования предлагаемого способа рассматриваются три состояния ледяного покрова
акваторий, из которых два отображаются на принятом ИК изображении и одно – не отображается.
1. Исходный ледяной покров представляет собой поле однородного льда любой толщины, по
изображению которого вычислен коэффициент нелинейного подобия  рл и .
2. На каком-то участке данного исходного поля однородного льда имеется протяженная
трещина, в которой условная толщина льда отображается более тонким льдом, по сравнению с
исходным, а видимая ширина не может быть меньше линейного размера локального элемента
разрешения зондирующей аппаратуры. Для льда в трещине также вычисляется коэффициент
нелинейного подобия  рл т .
3. Условность толщины льда в трещине (по п.2) на площади в один элемент разрешения
спутниковой аппаратуры на местности связана с возможностью присутствия в нём трещины с
открытой водой, ширина которой меньше линейного размера локального элемента разрешения.
Она не фиксируется в явном виде в цифровом коде на принятом изображении ледяного покрова.
Оценку ширины подобной трещины в ледяном покрове акваторий можно выполнить только
аналитическим путем, что и достигается в предлагаемом способе.
При наличии в ледяном покрове трещины, интерпретируемой на принятом ИК изображении
как лёд с условной толщиной, определяемой присутствием в элементе разрешения исходного льда
и трещины с открытой водой, занимающей часть площади локального элемента разрешения
спутниковой аппаратуры, средневзвешенная температура поверхности Т св такого локального
элемента разрешения определится соотношением
Tсв 
Sл
 (Т н  )   ,
S эр
(1)
где Sэр – площадь локального элемента разрешения на местности ИК радиометра ИСЗ;
Sл – площадь неоднородности на Sэр;
Тн – поверхностная температура неоднородности;
В качестве неоднородности принимается лёд толщиной исходного ледяного покрова, в
котором имеется трещина с открытой водой.
На основании изложенного выше, можно получить соотношение, определяющее ширину
трещины bk меньшую линейного размера локального элемента разрешения на местности
спутниковой системы наблюдения в ИК диапазоне b0 в виде:
bк  b0 (1 
 рлт
) cos  ,
 рли
(2)
где  – угол между направлением распространения трещины и направлением полёта ИСЗ или
направлением сканирования,   45 0 .
Можно отметить, что для "толстого" льда коэффициент нелинейного подобия  рл и  1 .
По аналогии с [1-2], переходя от фактора  к эквивалентному ему фактору  , в котором
температурные характеристики заменены яркостями пикселей ИК изображения ледяного покрова,
получим
 рлт
) cos  ,
(3)
 рли
где  рл т – фактор  , определенный с помощью автоматизированной технологии [4] для
bк  b0 (1 
условной толщины льда в трещине;
 рл и – фактор  , определенный с помощью автоматизированной технологии [4] для
исходного ледяного покрова.
Выполнены расчеты для решения задачи оценки ширины трещины с открытой водой,
меньшей линейного размера локального элемента разрешения на местности, равного 1 км,
спутниковой аппаратуры ИК диапазона частот в тепловом канале, в «толстом» льде
 t p  1,2 м,  рли  1,   450 ) . Результаты расчетов показывают, что при изменении скорости
ветра V a от 2 м/с до 10 м/с и вариациях регистрируемого в процессе наблюдения среднего
значения фактора  рл т от 0,032 до 0,96, что соответствует вариациям толщины льда t p от 0,01 м
до 1,0 м, ширина трещин с открытой водой будет изменяться от 968 м до 40 м. Оценка ширины
трещин в более тонких льдах, когда t p  1,2 м (например, t p  0,5 м , Va  2  10 м / с и
  45 0 ), показала, что при изменении регистрируемого в процессе наблюдения среднего
  рлт 
 от 0,286 до 0,11, что соответствует толщине льда в трещине
значения параметра 1 
  
рли 

t p  0,25 м , ширина трещин с открытой водой будет меняться от 286 м до 110 м.
Расчёты свидетельствуют, что при большей скорости ветра и толщины ледяного покрова, в
котором необходимо произвести оценку ширины образовавшейся трещины, появляется
возможность оценки более тонких трещин с открытой водой при неизменной чувствительности
ИК спутниковых радиометров.
Существенным преимуществом предлагаемого способа оценки в ледяном покрове акваторий
ширины трещин с открытой водой, поперечный размер которых меньше линейного размера
локального элемента разрешения зондирующей аппаратуры, является его независимость от
величины элемента разрешения.
Практическая реализуемость предлагаемого способа подтверждается тестовыми испытаниями
по дешифрированию спутниковых изображений ледяного покрова акваторий в тепловом канале
ИК диапазона.
Литература
1. Лебедев Г.А., Парамонов А.И. Способ определения толщины льда замерзающих акваторий.
Патент № 2319205, зарегистрирован в Государственном реестре Российской Федерации 10 марта
2008 г.
2. Лебедев Г.А., Парамонов А.И. Определение физических характеристик морского льда по
данным инфракрасного зондирования с ИСЗ. Метеорология и гидрология, 2001, № 2, с. 72-80.
3. Парамонов А.И., Лебедев Г.А. Алгоритм нелинейного подобия рельефов радиационного поля и
поля истинной толщины морского льда для исследования возрастных градаций морского ледяного
покрова по данным спутниковых наблюдений в тепловом канале ИК диапазона . Сборник
докладов Второй Всеросийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных
покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами», 16–18 июня 2004 г., Санкт–Петербург, Т.
2. с.71–75.
4. Парамонов А.И., Лебедев Г.А., Лощилов В.С. Технология автоматизированного определения
толщины морского льда по данным спутникового ИК зондирования. Тр. ААНИИ, 2002, вып. 445,
с. 40–60.
5. Лебедев Г.А., Парамонов А.И. Автоматизированный мониторинг толщины морского льда
по данным ИК-изображений метеорологических ИСЗ для климатических исследований.
Тр. ААНИИ, 2003, вып. 446, с. 119–136.