Регистрация / Вход
Прислать материал

14.618.21.0005

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.618.21.0005
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Научный фонд "Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию имени Нансена"
Название доклада
Суда и волны в полярных регионах
Докладчик
Бобылев Леонид Петрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на решение важной проблемы обеспечения безопасности деятельности в Арктике - мореплавания, разведки и добычи углеводородов, рыболовства, туризма и др., на основе создания автоматизированных систем мониторинга и прогнозирования состояния ледяного покрова с применением данных спутниковых наблюдений в рамках единой оперативной информационной системы с использованием унифицированной базы спутниковой информации. Такая система должна быть разработана с учетом реальных изменений климатических условий, произошедших в последние десятилетия.
Главная цель проекта - расширение возможностей оперативных сервисов, обеспечивающих безопасность морского транспорта и операций на шельфе арктических морей, включая ледовые прикромочные зоны: улучшение прогнозирования волнения в покрытых льдом морях, описание поведения льда в условиях волнения, а также усовершенствование использования данных спутникового дистанционного зондирования для исследования волнения и ледяного покрова в условиях изменяющегося климата.
В соответствии с главной целью проекта, задачи исследований, выполнявшихся в 2016 г., заключались в усовершенствовании, валидации и адаптации к конкретным районам арктических морей методов автоматической классификации морского ледяного покрова, идентификации айсбергов, расчетов полей дрейфа льда. Задачи также включали региональный анализ изменчивости ледяного покрова в сезонном и межгодовом временных масштабах.

Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследования определяется текущими задачами по развитию изучения и освоения природных ресурсов Арктики в современных условиях сокращения площади ледяного покрова и изменения условий мореплавания, а также другой деятельности на шельфе арктических морей, что требует проведения дополнительных региональных исследований изменчивости ледяного покрова на основе использования усовершенствованных методов исследования природных процессов и новых данных наблюдений.
Новизна научных и технологических решений заключается в использовании данных спутникового дистанционного зондирования, получаемых с новейших спутников, в разработке перспективных методов анализа ледовых условий на основе современных достижений теории компьютерного зрения, в использовании современных методов статистического анализа и данных современных климатических моделей. В отличие от существующих систем мониторинга и обеспечения данными пользователей, когда информация об элементах ледяного покрова получается при использовании ряда разрозненных методик, в разрабатываемой системе процесс сбора и обработки информации будет унифицирован и включен в единую информационную систему, интегрированную с системой идентификации положения и движения судов в арктическом регионе.
Описание исследования

Исследование базируется, главным образом, на использовании данных спутникового дистанционного зондирования в радиолокационном и видимом диапазонах, и включает усовершенствование методов получения основных характеристик ледяного покрова в Арктике. Разработаны новые методы автоматической классификации морского льда, инновационный метод расчета полей дрейфа льда, базирующийся на достижениях теории компьютерного зрения, автоматический метод идентификации айсбергов, выполняется региональный анализ ледовых условий в прикромочных зонах в ключевых районах арктических морей – Карское море, пролив Фрама, Баренцево море.

В рамках усовершенствования автоматической классификации морского ледяного покрова в 2016 году, в дополнение к разрабатанному в 2015 году методу классификации по типу «лед-вода", была усовершенствована базовая версия алгоритма автоматический классификации по разделению морского льда по возрастным классам. Если применение классификации типа «лед-вода» может быть достаточным для исследования изменчивости границ распространения морского льда, то второй подход позволяет описывать ледяной покров более детально, что особенно важно для обеспечения ледовой информацией мореплавателей, работающих в высоких широтах в зонах толстых многолетних льдов.

В усовершенствованном методе для классификации льда по типам был применен метод опорных векторов, использующий «машинное обучение». Базовый метод опорных векторов использует набор входных данных и предсказывает для каждого заданного входного значения к какому из двух возможных классов оно относится, что делает его невероятностным классификатором.

Алгоритм на основе машинного обучения необходимо отдельно настраивать для каждого типа данных (режима получения изображения) и разных спутников (например, Radarsat-2, Sentinel-1 и др.), так как даже небольшая разница в значениях коэффициента обратного рассеяния, полученных с помощью различных сенсоров, может привести к большим ошибкам в результатх классификации.

Запуск спутника Sentinel-1 вызвал очередную трансформацию алгоритма классификации льда для кросс-поляризованных РСА-изображений высокого разрешения. Адаптированный алгоритм для Sentinel-1, основанный на методе опорных векторов, использует данные режима Extra Wide Swath Mode (EW) полосы обзора с двойной поляризацией сигнала. Алгоритм классификации льда по типам для данных Sentinel-1А различает следующие классы: 1) взволнованная открытая вода (2 класса), 2) спокойная открытая вода с ниласом или другими молодыми формами льда, 3) прикромочная зона – достаточно узкая зона между открытой водой и льдом, которая состоит из смеси тех же типов льда, что присутствуют в основной закрытой зоне льдов, или более молодых форм льда; 4) однолетний лед; 5) многолетний лед. Возможно также выделение зон припайных льдов.

Выполненная валидация результатов с использованием ледовых карт Норвежского метеорологического института и Арктического и антарктического научно-исследовательского института показала высокие значения точности классификации, около 91%.

Усовершенствованный инновационный алгоритм расчета полей дрейфа льда основан на применении разработок теории компьютерного зрения. Алгоритм основан на поиске на парах изображений «особых» точек и последующем расчете их смещений. Алгоритм включает несколько этапов фильтрации, включая нелинейные диффузионные фильтры, позволяющие на первых этапах обработки улучшить качество снимка, и затем более точно определять и представлять их статистическое описание. Для валидации автоматических процедур расчета полей дрейфа был применен ручной метод расчета полей дрейфа, когда дешифровщик, используя ГИС-программу, находит вручную на паре изображений идентичные ледовые образования и строит вектора дрейфа вручную. Данный метод является наиболее надежным и его точность зависит только от точности наведения. Результаты показали, что использование разработанного метода позволяет находить существенно большее количество исходных особых точек и более подробно описывать поля дрейфа, чем при использовании других методов оценки дрейфа.

Экспериментальная версия алгоритма автоматической идентификации айсбергов разработана на основе известного алгоритма «Blobs detection», предназначенного для обнаружения каплевидных объектов на изображениях. Были протестированы несколько версий и отобрана наиболее перспективная для тестовых расчетов.

Выполнен региональный анализ изменений ледовых условий, отчасти использующий расчеты по разработанным методикам и другим данным.

 

Результаты исследования

Главным итогом работ 2016 г. является разработка усовершенствованных алгоритмов и новых методов  автоматической классификации морского льда, расчета полей дрейфа льда и автоматической идентификации и оценки дрейфа арктических айсбергов. Выполнены тестовые расчеты и оценки точности методов по сравнению с другими подходами. Продемонстрировано, например, что разработанный в рамках данного проекта инновационный метод расчета полей дрейфа льда позволяет получать векторные поля с наибольшим пространственным разрешением по сравнению с зарубежными аналогами. Все разработанные методы адаптированы к использованию информации нового европейского спутника Sentinel-1. В итоге сформирован комплекс рабочих методов для расчета важнейших характеристик морского ледяного покрова, которые будут использоваться на последующих этапах проекта для выполнения запланированного регионального и климатического анализа изменчивости ледяного покрова.

Следует отметить, что разработанные методы реализованы пока в виде отдельных компьютерных программ, которые могут использоваться в рабочем режиме раздельно для решения задач обеспечения безопасности мореплавания и работ на шельфе. Вместе с тем, все перечисленные алгоритмы базируются на использовании одного и того же типа исходной информации (Sentinel-1) и имеют некоторые аналогичные блоки предварительной и графической обработки спутниковых изображений, что создает возможность рационального интегрирования всех методов в единую систему сбора данных и анализа ледовых процессов, ассоциированную с ГИС (что предусмотрено программой работ в рамках ПНИ). В связи с этим проводены подготовительные работы по созданию такой системы и построения объединенного алгоритма для расчета комплекса характеристик ледяного покрова.

Определены основные принципы построения такой системы и практически начато формирование собственного специализированного архива данных спутниковой информации, который будет пополняться на последующих этапах. Этот архив уже использовался в 2016 г. для выполнения тестовых и других расчетов по разработанным алгоритмам.

По направлению регионального анализа морского ледяного покрова проводилась работа по пополнению архива данными о крупномасштабных полях дрейфа льда. Впервые на основе уникального массива спутниковых данных, содержащего ежедневные поля дрейфа льда за более чем тридцатилетний период (1979-2015 гг.), рассмотрена межгодовая изменчивость основных структур крупномасштабной циркуляции вод и льдов Северного Ледовитого океана – Трансарктического течения и Антициклонального круговорота. Выполнен анализ изменений их взаимного расположения, выраженности структуры, их интенсивности – скорости дрейфа и др. Впервые для этой цели применен векторно-алгебраический анализ, позволяющий наиболее адекватно описывать ряды и поля векторных величин набором скалярных параметров.

На основе анализа зависимости изменчивости структуры полей дрейфа от величины повторяемости разных типов полей атмосферного давления над северной полярной областью, сформулирована концепция взаимосвязи изменений ледовитости Северного Ледовитого океана с вариациями поля атмосферного давления и крупномасштабной структуры поля дрейфа. Показано, что адекватная оценка колебаний ледяного покрова невозможна без учёта влияния динамических процессов в Арктике, таких как ветровой режим и морские течения.

Практическая значимость исследования
Области применения полученных результатов включают использование результатов климатического анализа для развития комплексных исследований изменчивости окружающей̆ среды. Разработанные и усовершенствованные методики анализа данных дистанционного зондирования могут использоваться как раздельно для тематической̆ оперативной̆ целевой̆ поддержки морских операций в Арктике, так и в составе автоматизированных систем мониторинга в онлайновым режиме, в сопряжении с системой̆ идентификации судов (АИС), а также через интеграцию в бортовое программное обеспечение типа NavPlanner. Разработанные методы уже на данном этапе могут быть использованы по-отдельности для расчета основных параметров ледяного покрова и оценки их изменчивости.
Главными потенциальными потребителями ожидаемых результатов являются мореплаватели, осуществляющие ледовое плавание как в летний̆, так и в зимний̆ период, разработчики полезных ископаемых на шельфе арктических морей̆ – нефтяные и газовые компании, представители рыболовной̆ отрасли. В частности, среди российских потребителей̆ информации могут быть следующие организации: Ассоциация подрядчиков арктических проектов «Мурманшельф», Беломорский порт, ООО «Газпром нефть шельф», ООО «Газпромнефть Марин Бункер», ООО «Газпромнефть-Сахалин», ООО «Гекон», Кандалакшский торговый порт, ООО «Мортранс», Мурманский Морской Биологический Институт РАН, ЗАО «Роснефтефлот», ФАУ «Российский морской регистр судоходства», Мурманский филиал, ООО «Системы промышленной безопасности», ООО «ЭкоЦентр», Атомфлот и другие промышленные и коммерческие компании.