Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методические и технологические особенности обработки спутниковых данных при картировании ледовой обстановки и наводнений 12
1.1 Выбор оптимальных видов спутниковой информации при наблюдениях ледяного покрова и наводнений и особенности ее предварительной обработки 14
1.2 Особенности тематической обработки спутниковых данных при картировании ледовой обстановки и наводнений 20
1.3 Структурная схема технология обработки спутниковых данных и построения карт ледовой обстановки 25
Глава 2. Создание методик и технологий обработки спутниковых данных для картирования ледяных покровов и наводнений 28
2.1 Методика радиометрической коррекции и абсолютной калибровки и ее научное и практическое использование 28
2.2 Технологии обработки разнородных и разновременных спутниковых данных для оперативного картирования и изучения долговременных региональных изменений ледяного покрова 44
2.3 Технология космического мониторинга наводнений 59
Глава 3. Использование методик и технологий обработки многолетних рядов спутниковых данных для решения задач оценки состояния и изменений окружающей природной среды 67
3.1 Анализ межгодовой изменчивости ледяного покрова в западном секторе Арктики по данным радиолокационных измерений ИСЗ серии ОКЕАН 67
3.2 Исследование пространственно - временной изменчивости характеристик морского льда в проливе Невельского 95
3.3 Спутниковый радиолокационный мониторинг динамики ледяного берега и дрейфа гигантских айсбергов в Антарктике 142
Заключение 154
Библиографический список литературы 156
Приложение 167
- Особенности тематической обработки спутниковых данных при картировании ледовой обстановки и наводнений
- Технологии обработки разнородных и разновременных спутниковых данных для оперативного картирования и изучения долговременных региональных изменений ледяного покрова
- Исследование пространственно - временной изменчивости характеристик морского льда в проливе Невельского
- Спутниковый радиолокационный мониторинг динамики ледяного берега и дрейфа гигантских айсбергов в Антарктике
Введение к работе
Актуальность работы. Космический мониторинг предполагает получение регулярной информации о состоянии окружающей природной среды на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Использование методов космического мониторинга является особенно актуальным для России с ее обширными и труднодоступными территориями, суровыми климатическими условиями и низкой плотностью населения. Его роль существенно возросла в связи с сокращением наземной сети гидрометеорологических станций и объемов авиационных наблюдений.
Настоящая работа посвящена решению задач мониторинга ледяного покрова (определение возраста, сплоченности, форм, границы распространения и площади покрытия морского льда) и картирования наводнений (границы разливов и площади затопления) с использованием данных ДЗЗ. Космический мониторинг ледовой обстановки необходим для обеспечения судоходства на трассе Севморпути протяженностью более 5600 км, осуществления хозяйственной деятельности в замерзающих морях и на арктическом шельфе. Необходимость картирования по данным ДЗЗ наводнений продиктована масштабностью ежегодных затоплений российской территории, составляющих около 500 тысяч га, включая тысячи населенных пунктов.
Космический мониторинг ледяного покрова и наводнений в России в последние 15-20 лет в основном осуществлялся на основе данных отечественных ИСЗ серий ОКЕАН, РЕСУРС, МЕТЕОР и спутников серии NOAA (США). Наиболее эффективными для решения рассматриваемых задач являются радиолокационные системы спутников серии ОКЕАН, позволяющие получать информацию о поверхности Земли независимо от освещенности и наличия облачного покрова. Спутники серии ОКЕАН функционировали в период 1983-2000 гг. Они образовали первую в мире оперативную радиолокационную систему наблюдения Земли, поэтому многие результаты исследований, выполненных на основе информации этой системы, носят пионерский характер.
Задачи изучения космическими средствами ледяного покрова и наводнений условно можно разбить на два класса: оперативные, связанные с картированием, в режиме, близком к режиму реального времени, и неоперативные, связанные с изучением долговременных изменений характеристик ледяного покрова и затоплений на основе использования многолетних рядов спутниковых данных. Для решения задач первого класса необходимы: высокая оперативность и периодичность получения данных; повышенное быстродействие обработки и распространения информации. Для решения задач второго класса - создание и ведение архива многолетних рядов спутниковых наблюдений; обеспечение их непрерывности, а также геометрической и радиометрической совместимости.
Решение задач космического мониторинга требует создания эффективных методик и технологий обработки спутниковых данных. Трудности создания методик и технологий связаны с необходимостью: устранения в данных ДЗЗ различного рода искажений, определяемых геометрией съемки, особенностями работы бортовой аппаратуры и канала связи (поэтому перед тематической обработкой необходимо выполнить предварительную обработку -геометрическую и радиометрическую коррекцию); комплексирования разнородных (по спектральным диапазонам и пространственному разрешению) и разновременных спутниковых изображений; применения на отдельных этапах обработки спутниковой информации интерактивного дешифрирования в связи с невозможностью полной формализации большинства задач тематической обработки, а также необходимостью использования при дешифрировании дополнительных данных об исследуемых объектах.
6 Кроме того, технологии должны обеспечивать соответствие выходной информационной продукции, архивов и каталогов данных внутренним ведомственным и международным стандартам Всемирной метеорологической организации (WMO),
Комитета по спутникам наблюдения Земли (CEOS), Координационной группы по метеорологическим спутникам (CGMS).
Решение этих проблем позволит осуществлять массовую обработку текущей и архивной спутниковой информации, проводить оперативное картирование и исследовать многолетнюю динамику ледяного покрова и наводнений и, тем самым, глубже понять процессы формирования и развития ледяного покрова и наводнений.
Работы по решению вышеуказанных задач проводились в научно-исследовательском Центре космической гидрометеорологии «Планета» (в 1983-2002 гг.) по Государственным контрактам с Росгидрометом, Росавиакосмосом, МЧС РФ и Миннаукой РФ в рамках:
Федеральной целевой программы «Федеральная космическая программа России»;
Федеральной целевой программы «Развитие системы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Российской Федерации»;
Федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации»;
Федеральной целевой программы «Мировой Океан»;
Федеральной целевой программы «Предотвращение опасных изменений климата и их последствий»;
Федеральной целевой программы «Возрождение Волги».
В частности, в 2002 г. результаты исследований диссертационной работы использовались при выполнении 5 НИР Росгидромета, 2-х тем НИОКР Росавиакосмоса
7 и 1 НИОКР МЧС РФ.
Цель диссертации состоит в разработке и использовании методик и технологий космического мониторинга для решения оперативных задач картирования и изучения долговременных характеристик ледяного покрова и наводнений.
Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:
Создание методик предварительной обработки радиолокационных (РЛС БО) и радиометрических (РМ08) данных ИСЗ серии ОКЕАН.
Изучение характеристик радиолокационного обратного рассеяния различных типов льда по данным РЛС БО ИСЗ ОКЕАН.
Разработка технологий обработки разнородных (по спектральным диапазонам и пространственному разрешению) и разновременных спутниковых данных.
Использование разработанных методик и технологий для оперативного картирования и изучения долговременных характеристик ледяного покрова и наводнений.
Создание специализированных цифровых архивов многолетних спутниковых данных под решаемые задачи.
Методы исследования. Основные результаты работы получены с использованием методов цифровой обработки изображений, математического моделирования, прикладного программирования, радиофизических методов изучения земных покровов. Научная новизна. Созданы методики обработки спутниковых радиолокационньк и радиометрических данных ИСЗ серии ОКЕАН для картирования ледяного покрова, обеспечивающие калибровку данных РЛС БО, построение обзорных цифровых радиолокационных мозаик и комплексирование данных РЛС БО и РМ08.
На основе обработки и анализа данных РЛС БО ИСЗ ОКЕАН получены сезонные и угловые зависимости удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) многолетнего и однолетнего льда на акватории западного сектора Арктики. Показано
8 преимущество использования, для радиолокационного мониторинга ледяного покрова, зондирующих сигналов с длиной волны 3,2 см (РЛС БО ИСЗ ОКЕАН) по сравнению с длиной волны 5,66 см (РСА ИСЗ ERS).
Разработаны технологии для оперативного картирования и изучения долговременных характеристик ледяного покрова и наводнений, обеспечивающие массовую обработку текущей и архивной спутниковой информации.
Исследованы возможности использования линеаментного анализа спутниковых изображений для изучения структуры морского льда, включая их упорядоченность и перемещение.
Созданы специализированные цифровые архивы многолетних рядов данных ИСЗ ОКЕАН и РЕСУРС под целевые проекты. На основе обработки этих архивных данных: построены карты границ распространения многолетнего и однолетнего льда в западном секторе Арктики в периоды 1983 - 1989 и 1994 - 2000 гг. и проведен их анализ; изучены характеристики ледяного покрова в проливе Невельского за каждую декаду ледового периода 1985 - 1992 гг.; - получены данные о времени откола, траекториях и скоростях дрейфа гигантских айсбергов, отколовшихся от шельфовых ледников в морях Росса и Уэдделла в период 1986-2000 гг.
Практическая ценность. Разработанные технологии картирования ледовой обстановки и наводнений используются в течение ряда лет в оперативной практике НИЦ "Планета" и региональных центров приема и обработки спутниковой информации Росгидромета. Ежегодно в НИЦ "Планета" по данным технологиям выпускается более 600 карт-схем и мозаик ледовой обстановки в Арктике, Антарктике и на внутренних морях России, а также более 250 карт наводнений по территории России. Эта
9 информация передается для использования в организации Росгидромета, (Гидрометцентр РФ, ААНИИ, ГОИН, УГМС и ЦГМС), а также организации МЧС РФ,
Минтранса РФ, МО РФ, РАН, Роскомрыболовство и др.
Результаты работы использовались при выполнении ряда целевых проектов, в частности: освобождение из ледового плена Антарктики экспедиционного судна "Михаил Сомов"; информационное обеспечение экспедиционного судна "Академик Федоров" при доставке грузов на российские антарктические станции; выполнение российско-европейского проекта "ICEWATCH" по оперативному мониторингу ледовой обстановки на трассе Севморпути на основе совместного использования радиолокационных данных ИСЗ ERS и ОКЕАН; изучение ледовой обстановки в проливе Невельского для разработки проектной документации на строительство моста Материк - о. Сахалин.
Положения, выносимые на защиту.
Методики предварительной обработки спутниковых радиолокационных и СВЧ-радиометрических данных ИСЗ серии ОКЕАН.
Результаты исследования характеристик радиолокационного обратного рассеяния многолетнего и однолетнего льда по данным РЛС БО ИСЗ ОКЕАН.
Технологии обработки разнородной (по спектральным диапазонам и пространственному разрешению) и разновременной спутниковой информации для оперативного картирования и изучения долговременных характеристик ледяного покрова и наводнений.
Результаты использования разработанных методик и технологий для оперативного картирования и изучения долговременных характеристик ледяного покрова и наводнений.
10 - Специализированные цифровые архивы многолетних рядов спутниковых данных.
Настоящая работа состоит из трех глав.
В первой главе проанализированы методические и технологические особенности обработки спутниковых данных, предназначенной для построения карт ледовой обстановки и наводнений. Определены четыре группы проблемных вопросов. Первая группа вопросов связана с выбором оптимальных видов спутниковой информации для решения поставленных задач. Рассмотрены преимущества и недостатки спутниковых данных видимого, ИК и микроволнового диапазонов отечественных ИСЗ серии ОКЕАН, РЕСУРС и спутников серии NOAA (США), используемых для построения карт ледовой обстановки и наводнений. Вторая группа проблемных вопросов связана с особенностями предварительной обработки спутниковых данных. Многолетний опыт работ показывает, что основными элементами предварительной обработки спутниковых данных при картировании ледовой обстановки и наводнений являются радиометрическая и геометрическая коррекция космических изображений, трансформирование спутниковых изображений в единую картографическую основу, построение обзорных цифровых мозаик из серии разновременных космических изображений. Учитывая, что наиболее эффективными средствами наблюдения за состоянием ледяного покрова являются данные РЛС БО ИСЗ серии ОКЕАН и, что данный вид информации наиболее сильно подвержен влиянию различного рода искажений, связанных со спецификой работы бортовой аппаратуры, в данной работе отдельный раздел был посвящен проведению радиометрической коррекции и абсолютной калибровки радиолокационных изображений ИСЗ серии ОКЕАН. Третья группа проблемных вопросов встречается при решении задач тематической обработки спутниковых данных. Среди них наиболее значимыми являются проблемы разделения на космических изображениях различных типов льда, границ между льдом и
И взволнованной поверхностью моря, а также между водной поверхностью и переувлажненной поймой. Четвертая группа проблемных вопросов связана с изучением долговременных изменений окружающей среды на основе использования многолетних рядов спутниковых данных. Для успешного решения этих проблем необходимо наличие многолетних рядов спутниковых данных, обеспечение их непрерывности, а также геометрической и радиометрической совместимости.
Вторая глава посвящена созданию методик и технологий обработки спутниковых данных для изучения характеристик ледяных покровов и картирования наводнений. Предложены методики радиометрической коррекции и абсолютной калибровки данных РЛС БО ИСЗ серии ОКЕАН, а также совместной автоматизированной обработки радиолокационных и радиометрических данных ИСЗ серии ОКЕАН. Созданы технологии построения обзорных цифровых мозаик из серии спутниковых радиолокационных изображений в заданных картографических проекциях, а также мониторинга наводнений в условиях невозможности обеспечения непрерывности спутниковых наблюдений. В рамках данной главы проведено также определение характеристик радиолокационного обратного рассеяния различных типов арктического морского и антарктического материкового льда.
Третья глава содержит результаты решения 3-х практических задач оценки состояния окружающей природной среды на основе использования архивной спутниковой информации и разработанных методик и технологий обработки спутниковой информации. В рамках решения 1-й задачи, на основе многолетних рядов данных РЛС БО (с привлечение данных РМ08) ИСЗ серии ОКЕАН проведена оценка изменений протяженности и границ распространения многолетнего и однолетнего льда в западном секторе Арктики в период 1983-2000 гг. В рамках решения 2-й задачи, по архивным данным среднего и высокого разрешения ИСЗ РЕСУРС и ОКЕАН исследована пространственно-временная изменчивость характеристик морского льда в
12 проливе Невельского в период 1985-1992 гг. В рамках решения 3-й задачи, в работе представлены результаты спутниковых радиолокационных наблюдений за динамикой ледяного берега Антарктиды, а также отколами и дрейфом гигантских айсбергов в море
Росса и море Уэдделла в период 1986-2000 гг.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Особенности тематической обработки спутниковых данных при картировании ледовой обстановки и наводнений
С рядом проблем приходится сталкиваться при решении задач тематической обработки спутниковых данных. Один из главных вопросов тематической обработки является дешифрирование (распознавание и выделение) объектов окружающей среды на космических изображениях. Вопросы дешифрирования возрастных характеристик (различных типов) льда на спутниковых изображениях видимого и ИК-диапазонов на сегодняшний день достаточно широко исследованы и отражены в научных публикациях [12-16]. Картирование ледовой обстановки по данным РЛС БО ИСЗ "Океан" (объекты ледовых карт представлены в относительных величинах яркости радиолокационных изображений) осуществляется, в основном, визуальными методами дешифрирования. Для построения ледовых карт с использованием данных абсолютной калибровки РЛС БО ИСЗ "Океан" необходимо проведение исследований пространственно-временных характеристик радиолокационного обратного рассеяния для различных типов морского льда.
В связи с невозможностью (во многих случаях) определения по данным РЛС БО ИСЗ "Океан" границы между льдом и взволнованной морской поверхностью при построении карт ледовой обстановки целесообразно использовать метод комплексирования радиолокационных (РЛС БО) и радиометрических (РМ08) изображений. Микроволновый радиометр РМ08 (длина волны 0.8 см, полоса обзора ( 550 км), разрешающая способность 15-20 км), также как и РЛС БО, входит в состав радиофизического комплекса ИСЗ серии "Океан", осуществляющего синхронную съемку в совмещенной полосе обзора. Комплексирование данных РЛС БО и РМ08 ИСЗ "Океан" будет способствовать улучшению степени детализации ледовых образований на космических изображениях, а также усилению спектральных различий для основных типов льда. При картировании наводнений приходиться сталкиваться с трудностями определения на спутниковых изображениях границы между водной поверхностью и переувлажненной поймой. На изображениях видимого и ближнего ИК-диапазонов наблюдается плавный переход от водной поверхности к увлажненной пойме. Уменьшению контрастов способствует перемешивание воды с илом, песком и глиной, в результате чего ее альбедо заметно увеличивается и приближается к альбедо мокрой почвы. В связи с этим следующая задача, которую необходимо решить в рамках мониторинга наводнений, состоит в выборе оптимальных спектральных диапазонов и методов тематической обработки спутниковой информации, обеспечивающих наиболее высокую точность дешифрирования водных объектов. Решение данной проблемы позволит с более высокой точностью производить выделение конфигурации водной поверхности на космических изображениях, накладывать их на топографические карты и проводить оценку затапливаемых территорий. Так поступают во многих зарубежных центрах обработки спутниковых данных (См. рис.1). Следующая проблема тематической обработки спутниковых данных связана с формой представления выходной информационной продукции. Анализ карт ледовой обстановки, создаваемых в мировых ледовых центрах (National Ice Center USA, Japan Meteorological Agency, Институт Арктики и Антарктики и др.) показал, что завершающий элемент технологии обработки спутниковых данных - тематическая интерпретация параметров ледяного покрова, выполняется с помощью методов интерактивного дешифрирования (См. рис.2). Данная процедура по-прежнему осуществляется вручную специалистом дешифровщиком; точность и достоверность карт ледовой обстановки зависит от опыта дешифровщика. Необходимость использования визуального анализа при построении карт ледовой обстановки связано с учетом больших объемов практических и экспертных знаний, не поддающихся формализации, таких как: Анализа ледовой обстановки, полученной на основе данных космической съемки в предшествующий период; 1. Анализа гидрометеорологической ситуации в исследуемом районе накануне проведения космической съемки; 2. Анализа климатической изменчивости характеристик ледяного покрова на данной территории в исследуемый период; 3. Опыта специалиста дешифровщика при определении границы между элементами карты ледовой обстановки (каждый элемент карты может содержать лед разной сплоченности, различных возрастных градаций и форм). Еще одна группа проблемных вопросов, которые необходимо решить в рамках диссертационной работы, связана с изучением долговременных изменений окружающей среды на основе использования многолетних рядов спутниковых данных. Для успешного решения этих задач необходимо наличие многолетних рядов спутниковых данных, обеспечение их непрерывности, а также геометрической и радиометрической совместимости. В НИЦ "Планета" имеется архив спутниковых данных, который является разделом Госфонда РФ спутниковой природно-ресурсной и океанографической информации. Архив ведется с 1979 года. В нем хранится около 174000 негативов-оригиналов данных космической съемки; суммарный объем информации в цифровом виде превышает 3000 Гбайт.
Поиск спутниковых изображений по определенной территории, является трудоемкой задачей, поскольку требуется отобрать из большого объема архивных данных только те, на которых с заданной периодичностью зафиксировано состояние изучаемых земных покровов. Решение этой задачи связано с большими затратами технических и людских ресурсов. Чтобы не проделывать данную работу несколько раз, целесообразно, под целевые проекты, связанные со сбором многолетних рядов спутниковых данных, создавать специализированные цифровые архивы географически привязанной и радиометрически откорректированной спутниковой информации и результатов ее обработки.
Геометрическая совместимость разновременных спутниковых изображений может быть достигнута за счет использования единой картографической основы. Перед проведением радиометрической совместимости разновременных спутниковых изображений необходимо учитывать разницу во времени проведения космической съемки (для карт ледовой обстановки она не должна превышать 3 суток). Каждое из совмещаемых изображений должно предварительно пройти стадию радиометрической коррекции.
Сравнение спутниковых данных, полученных в разные годы, целесообразно проводить в одни и те же календарные сроки. Сопоставление многолетних данных о ледовой обстановке во многих атласах проводится за каждую декаду ледового периода [17].
Технологии обработки разнородных и разновременных спутниковых данных для оперативного картирования и изучения долговременных региональных изменений ледяного покрова
Комплексирование данных РЛС БО и РМ08 ИСЗ серии ОКЕАН. Одним из важных элементов входящих в технологию обработки спутниковых данных является создание методики комплексной обработки радиолокационных и радиометрических изображений ИСЗ серии ОКЕАН. Совместный анализ данных РЛС БО и РМ08 показывает, что измеряемые с помощью этих приборов радиофизические параметры, зависят от характеристик морского льда.
Яркость радиометрических изображений - это результат квантования амплитуды сигнала на выходе радиометра, который на входе (антенне) проявляется в виде мощности теплового электромагнитного излучения поверхности Земли и атмосферы Р. P = kTUAf где к - постоянная Больцмана, Тд - антенная температура радиометра, Af — полоса пропускания приемника. Формула для антенной температуры имеет вид: Т Ятя(Є,Ф)С(Є,ф) Шф ДЄД+ где Тя (9, ф) - угловое распределение яркостной температуры излучения, падающего на антенну; G (9, ф) - коэффициент усиления антенны; 9 и ф - углы обзора, определяемые диаграммой направленности антенны, вдоль и поперек полета. В свою очередь Тя (9, ф) складывается из собственного излучения Земли и излучения атмосферы. На длине волны 0.8 см основным излучающим фактором атмосферы является водосодержание облаков. Содержание жидкокапельной влаги облаков в полярной атмосфере при низких отрицательных температурах воздуха (необходимые условия для существования ледяного покрова) мало (вымораживание влаги), так что его влиянием на Тя (9, ф) можно пренебречь. Таким образом, в полярных регионах Земли формирование Тя на длине волны 0.8 см происходит, в основном, за счет излучения поверхности Земли покрытой льдом. Яркостная температура излучения различных типов льда в свою очередь связана с их термодинамической температурой Т [30]. Тя(9,ф) = х(6,Ф)Т где х (9, ф) - излучательная способность ледяного покрова, характеризующая степень его черноты. Яркость радиолокационных изображений - это результат квантования амплитуды сигнала на выходе радиолокатора, который на входе (антенне) проявляется в виде мощности отраженного сигнала Р(9): Р(9) = Ро G2(9) Хо2 S(9) А(9) а(9)/64л3 R4(9) где, Ро - мощность излучаемого сигнала; G(9) - коэффициент усиления антенны; Ао -длина волны радиолокатора (3,2 см); S(9) - площадь элемента разрешения; А(9) -коэффициент влияния атмосферы (А(9) = 1); R(9) - наклонная дальность зондируемого элемента поверхности; о(9) - удельная эффективная площадь поверхности Земли; 9 47 угол зондирования радиолокатора в направлении, перпендикулярном направлению полета.
Излучательная способность % (9, ф) и удельная эффективная площадь поверхности о(0) льда зависят от его физико-химических свойств, возраста, концентраций и геометрической формы, а также от частоты и поляризации, на которых ведутся наблюдения. Значения х (0, ф), определяемые РМ08, и ст(6), определяемые РЛС БО, для различных типов морского льда существенно различаются. Различный характер данных зависимостей позволяет при совместном использовании радиолокационных и радиометрических данных улучшить качество дешифрирования морского льда.
Изображения РМ08 имеют полосчатую структуру, обусловленную спецификой функционирования данного СВЧ-радиометра. Полосчатая структура на радиометрических изображениях образуется вследствие дискретного переключения диаграммы направленности антенны радиометра в направлении перпендикулярном полету спутника. Если построить график распределения яркости радиометрического изображения в строке, то можно наблюдать синусоидальную кривую, имеющую 28 выпуклых и 28 вогнутых поверхностей. Однако полезная информация содержится в вершинах выпуклых поверхностей. Расстояние между выпуклыми поверхностями не равномерно. В ближней зоне от начала строки наблюдаются сгущения выпуклостей, в дальней зоне - разряжение. Однако положения выпуклостей жестко привязаны друг относительно друга. Расстояние между началом изображения РМ08 и первой выпуклой вершиной на различных космических снимках может заметно отличаться. Имеется еще одна особенность. Если сделать разрез по кадру через одну из вершин синусоиды, то к концу кадра положение вершины синусоиды может сместиться относительно начала кадра на «1/3 - V периода. Для устранения полосчатой структуры радиометрического изображения былоразработано программное обеспечение, позволяющее определять в каждой строкеположение первого максимума, относительно которого остальные максимумы жестко привязаны в пространстве, а также значения яркостей в точках, соответствующихположениям максимумов. В промежутках между максимумами выполняется линейная интерполяция, между началом строки и первым максимумом, а также между последним максимумом и концом строки - линейная экстраполяция. Одновременно выполняется яркостная коррекция радиометрических изображений.
Исследование пространственно - временной изменчивости характеристик морского льда в проливе Невельского
Сахалин в настоящее время является одним из самых динамично развивающихся регионов Дальнего Востока. Однако экономический рост и развитие данного региона сдерживают транспортные сообщения с материком.
В настоящее время МПС, Минэкономразвития РФ и РАН проведены исследования по данной проблеме и подготовлены предложения в Правительство России по строительству круглогодичного железнодорожного сообщения между материком и о. Сахалин с мостовым переходом через пролив Невельского.
Трудности решения данной задачи заключаются в том, что ни в России, ни в мире, раньше не было аналогов подобного строительства мостов длиной 7-8 км, проходящего над морем в суровых климатических условиях. Особую опасность для проектирования и строительства мостового перехода представляет ледовая обстановка в проливе Невельского, которая существует 7 месяцев в году с ноября по май.
Анализ литературных источников показал, что в опубликованной литературе имеется не достаточное количество сведений о характеристиках ледяного покрова в проливе Невельского. Опубликованные сведения, в основном, были получены на основе наземных, судовых и частично авиационных данных, и не отражали единовременную ледовую ситуацию на всей территории пролива [58-80].
Для всестороннего изучения ледовой обстановки в проливе Невельского и пространственно-временного распределения льда на всей его протяженности в течение ледовых периодов, необходимо проводить комплексные исследования на основе использования многолетних рядов данных спутниковых, авиационных и наземных наблюдений. При этом основным видом информационного обеспечения в проливе Невельского должны использоваться архивные спутниковые данные, позволяющие единовременно охватывать космической съемкой всю территорию пролива.
Целью настоящей работы является исследование пространственно-временных характеристик морского льда в проливе Невельского на основе комплексного анализа многолетних рядов спутниковых, авиационных и наземных наблюдений. В рамках проведения данного исследования решались следующие задачи:
Сбор, анализ и систематизация архивных данных спутниковых, авиационных и наземных наблюдений; Обработка спутниковой информации; Обработка данных авиационных и наземных наблюдений; Комплексный анализ результатов обработки данных спутниковых, авиационных и наземных наблюдений; Анализ экстремальных ледовых ситуаций в проливе Невельского; Создание специализированного цифрового архива по проливу Невельского, содержащего спутниковые, аэровизуальные и наземные данные и результаты их обработки.
Сбор, анализ и систематизация архивных данных спутниковых, авиационных и наземных наблюдений. В работе использовались спутниковые, авиационные и наземные данные наблюдений ледовой обстановки в проливе Невельского.
Основу спутниковой информации составляли данные архива Госфонда РФ спутниковой природно-ресурсной и океанографической информации, который ведется и поддерживается на постоянной основе в НИЦ "Планета". В частности, использовались архивные данные спутниковых наблюдений со сканеров высокого (МСУ-Э) и среднего (МСУ-СК) разрешения ИСЗ "Ресурс-ОГ №2 (Космос-1939), а также среднего (МСУ-С) разрешения ИСЗ "Океан-01" № 1-6, регулярно проводившиеся в зимний период над проливом Невельского с 1985 по 1992 гг.
Кроме того, в работе использовалось одно космическое изображение (10-и метрового разрешения), выполненное камерой МК-4 06.02.1989 г. Данное изображение было передано Государственным научно-исследовательским и производственным центром "Природа".
В работе также было использовано одно радиолокационное изображение со спутника ERS-2 (14.03.1996 г.), полученное из ESRIN (Европейский центр по обработке и архивации спутниковой информации).
При проведении сбора спутниковой информации было обнаружено, что космическая съемка высокого разрешения территории пролива Невельского как с российских, так и зарубежных космических систем дистанционного зондирования либо вообще не осуществлялась, либо проводилась крайне мало. Что касается информации среднего разрешения, то ее оказалось в достаточном количестве, чтобы обеспечить многолетними данными каждую декаду ледового периода.
Спутниковый радиолокационный мониторинг динамики ледяного берега и дрейфа гигантских айсбергов в Антарктике
Антарктический континент характеризуется постоянной изменчивостью своего ледяного берега, на котором наиболее значительные изменения происходят на шельфовых и выводных ледниках за счет откола айсбергов [84, 85]. Космическая информация оптического диапазона (видимого и инфракрасного) широко используется для наблюдений за динамикой ледяного берега и дрейфом айсбергов в Антарктике и прилегающих к ней морях и океанах [86]. Однако она может быть использована только в ограниченный промежуток времени: в отсутствие облачности и тогда, когда дрейф айсберга проходит в морской воде, свободной ото льда, поскольку при смерзании айсберга с морским льдом он плохо опознается из-за отсутствия контрастов между ним и ледяным полем [87,88]. Кроме того, информация видимого диапазона не может быть использована в темное время, поэтому в наблюдениях образуются длительные перерывы, связанные с наступлением полярной ночи.
Анализ радиолокационной информации с океанографических ИСЗ серии ОКЕАН показал, что с ее помощью можно наблюдать за динамикой ледяного берега Антарктиды, обнаруживать трещины в шельфовых ледниках, прогнозировать и наблюдать отколы айсбергов от шельфовых и выводных ледников, следить за их дрейфом и разрушением в морях и океанах, независимо от времени года, освещенности и погодных условий. Изучение динамики ледяного берега Антарктиды требует многократного освещения радиолокационной съемкой больших пространств, которые могут быть покрыты с помощью радиолокационного картографирования. Первая цифровая радиолокационная карта (РЛК) Антарктиды была построена на ЕС ЭВМ в 1986-1987 гг. по результатам РЛ-съемки проведенной с ИСЗ "КОСМОС-1500" в период с 21.01 по 3.03.1986 г. [89]. Радиолокационная карта была составлена из 36 радиолокационных изображений (РЛИ), каждое из которых соответствует участку поверхности размером 470 х 2500 км. Вся работа по созданию РЛК Антарктиды в 1986-1987 гг. заняла более года. На ней хорошо выделяются: береговая кромка, шельфовые и выводные ледники, обширные массивы морского многолетнего льда. Во внутренней материковой части Антарктиды заметна тенденция увеличения средней яркости РЛИ (УЭПР) при увеличении высоты ледникового покрова, что может быть объяснено увеличением альбедо рассеяния за счет уменьшения поглощения в снежно-фирновом покрове при понижении температуры в высокогорных районах Антарктиды [89, 90]. Наличие зоны высокой яркости вдоль всего края материка шириной от нескольких до 300 км и более коррелирует с годовым ходом линии нулевой изотермы и может быть объяснено сильным рассеянием радиолокационного сигнала от фирнового покрова, образованного в результате летнего таяния [91]. Представляют также большой интерес многочисленные яркие упорядоченные структуры в материковой части Антарктиды, которые впервые обнаружены с помощью РЛС БО с ИСЗ "КОСМОС-1500" [92, 89] и ранее не наблюдались на спутниковых изображениях видимого и ИК-диапозонов. Радиолокационный сигнал 3-см диапазона в холодной высокогорной части Антарктиды проникает на глубину до 50 м [93] и несет информацию о внутренней структуре снежно-фирнового покрова. Это дало основание предположить, что наблюдаемые на РЛИ упорядоченные мезомасштабные структуры связаны с проявлением рельефа коренного ложа Антарктиды [91, 92].
Организовать регулярную радиолокационную съемку всей Антарктиды всегда было сложно из-за большого количества потребителей на радиолокационную информацию по другим регионам и ограниченности ресурса бортовых и наземных систем (например, съемка цифровой РЛК Антарктиды в начале 1986 г. заняла около 1,5 мес, хотя при использовании всего ресурса на эту задачу требуется 6-7 дней). Поэтому при наблюдении за динамикой ее ледяного берега и дрейфом айсбергов целесообразно использовать РЛК Антарктиды в сочетании с отдельными РЛИ, полученными в результате учащенной съемки ограниченных районов в период большой динамической активности.
Примерами такого ограниченного использования ресурсов бортовых систем спутников серии ОКЕАН являются результаты радиолокационных наблюдений за отколом и дрейфом гигантских айсбергов в морях Росса и море Уэдделла. Айсберг в море Росса неоднократно фиксировался на радиолокационных снимках с ИСЗ "КОСМОС-1766" и ОКЕАН-01 №4, начиная с февраля 1988 г. по февраль 1989 г. Айсберг образовался в результате откола кромки восточной части шельфового ледника Росса вблизи мыса Колбек. В этой части ледник имел выступ, связанный с неравномерностью обтекания о-ва Рузвельта. В основании выступа образовался клинообразный разлом, расширяющийся к его западному краю. Он охватывал около 4/5 длины выступа. Разлом на ледниковом языке зафиксирован на радиолокационных изображениях ИСЗ "КОСМОС-1500" еще в 1984 г. и наблюдался в течение 1985-1987 гг. К середине 1985 г. разлом на выступе ледника достиг критических размеров, однако полный откол ледникового выступа произошел двумя годами позже.
Отколы айсбергов связаны с различными динамическими воздействиями океана: поверхностным волнением, постепенно подтачивающим поверхность контакта айсберга с морской водой, штормами, волнами зыби, приливно-отливными волнами, а также барическими волнами, связанными с действием атмосферных циклонов, которые встречаются в этом районе довольно часто (3-4 циклона в 1 мес. в течение всего года [84]). Указать конкретную причину откола айсберга в море Росса достаточно сложно. Вероятно, откол произошел в результате совместного действия различных факторов, однако, следует отметить возросшую динамичность ледяного берега Антарктиды во второй половине 80-х годов, которая может быть связана с глобальными климатическими изменениями.
