Введение к работе
Актуальность работы.
Развитие методов дистанционного зондирования Земли из космоса, улучшение их точности и информативности привели к широкому использованию спутниковых данных в качестве источников информации о состоянии и динамике океана и атмосферы. На сегодняшний день спутники NOAA дают наиболее дешевую и самую оперативную информацию о больших и недоступных другим средствам наблюдения районах Мирового океана.
Выделение и идентификация синоптических и мезо-масштабных фронтов и вихрей в океане, генеральных структур океанских течений имеет большое значение для задач океанологии, климатологии, а также для прюгноза районов рыбопромысла и навигации. Вихри и фронтальные зоны формируют тепловые аномалии в океане и атмосфере, они обусловливают пути миграции косяков рыб, направления распространения загрязнений моря, создают акустические барьеры.
До сих пор выделение и идентификация вихрей и фронтов на поверхности океана по космическим снимкам осуществляется методом нсфанализа, то есть визуально-ручным дешифрированием специалистом-экспертом, что трудоемко, особенно при выделении мезо-масштабиыя особенностей изображений, и в значительной степени субъективно. Существенным недостатком ручного дешифрирования является то, что этот подход не дает возможности для дальнейшего автоматического анализа и количественной обработки выделенных образований. Поэтому автоматизация процесса выделения . струйно-вихревых образований поверхности охеана с целью повышения надежности, объективности и получения цифрозьсс характеристик выделенных объектов является актуально» зздачеи.
С точки зрения Teops'is обработки изображений, решение задачи выделения поверхностных образований океана должно сводится к
* выделению полезного сигнала на фоне неизбежного шума. По,и
полезным сигналом понимается граница или край объекта, которые
проявляются резким скачком яркости или параметров изображения.
Применение существующих методов выделения границ на сложном
спутниковом изображении часто приводит к возникновению двух видої
ошибок - ложному обнаружению и пропуску истинных границ.
В то же время, ИК-изображсния морской поверхности
характеризуются таким приятием, как струйность - чередование теплы*
и холодных полос воды. Это обусловлено сдвиговыми эффектами пол*
течений вихрей и струй, приводящими к вытягиванию контрастої
изображения вдоль потоков воды. Поэтому необходим такой оператор
который учитывал бы эти особенности морской поверхности и давал бь
отклик при существовании такой характеристики изображения і
выбранной окрестности.
Основной целмо представленной работы является создание метод*
автоматического выделения пространственных структур поверхності
океана по. ИК-изображсниям спутников NOAA. Для доспженш
поставленной цели решались следующие задачи :
в исследование вероятностной природы поля локальных градиентов
яркости изображений морской поверхности;
получение оценки точности и статистической значимости
доминантной ориентации контраста и построение детектора
"струйности";
. анализ влияния инструментального шума радиометра AVHRR на
изображения;
сравнительный анализ получаемых поверхностных структур с другими видами информации Q процессах на поверхности океана;
создание соответствующих методов и программного обеспечения и применение их в практике фундаментальных и прикладных океанологических исследований.
В качестве оснопнмх методт исследования для решения этих задач использовались непараметрнчсские методі.; статистического оцепикитч параметров, методы статистической проверки гипотез на оснозе критерлез согласия, спектральный анализ, а также методы обработки и анализа изображений.
Научная попизиа выполненной работы и пол»:;;сзд;ч,, аыноекмме ил защиту, состоят в следующем:
обоснован и разработан подход к автоматическому выделению пространственных структур на поверхности океана по ИК-данным HRPT/NOAA пя основе анализа углов ориентации контрастов;
получен критерий существования Сфуйной структуры па поверхности океана на основе оценки доминантной ориентации яркостного контраста н некоторой окрестности, ез точности и статистической значимости;
статистически исследован инструментальный шум радиометра AVHRR в ИК-каналах, найдена модель инструментального шума в строке 3-го (3,7 мкм) ИК канала HRPT/NOAA и методика его фильтрации;
на основе выработанного критерия создан и исследован метод выделения струйно-вихревых образований поверхности океана по ИК-изображениям HRPT/NOAA;
выявлены условия использования ориентации термических контрастов как направлений поверхностных течении, оценена точность такого использования.
Практическое и научите значение работы
С 1995 года карты термических структур в виде струйно-вихревых образований наряду с картами изолиний температуры поверхности океана (ТПО), скоростей течений и одиночными изображениями являются базовым выходным продуктом наземного Комплекса приема и обработки спутниковых данных ИАПУ ДВО РАН для мониторинга Дальневосточных морей.
. 6 Совместный анализ карт течений, ТПО и карт поверхностных
струішо-шіхревьіх образований океана позволяет выделять структурные
особенности исследуемой акватории, оценивать их температурные
характеристики, интенсивность, пространственные размеры и
положение.
Получение статистических, пространственных и временных
характеристик инструментального шума радиометра AVHRR позволяет
строить корректные процедуры обработки н анализа получаемых
спутниковые изображении, в частности расчет яркостных градиентов.
На примере слабо чувствительной к шумам задачи калибровки
показано, что пренебрежение инструментальным шумом приводит к
существенным систематическим ошибкам, даже для режима низкого
разрешения (APT, разрешение 0.5 градуса).
Карты струйио-епхревых структур использовались в оперативном режиме для подготозки и информационного обеспечения научно-исследовательских морских экспедиций ТОЙ d 1995-1996 годах при наведения кораблей на объекты исследований - вихри и фронты Охотского моря, для информационного обеспечения рыбопромысловых экспедиций и ежегодного мониторина Охотского моря в 1995-1997 годах лабораторией Космических методов исследования океана ТИНРО, при проведении работ по проекту. "Туманган" ТОЙ ДВО РАН в Японском море -1997 года, для ретроспективного анализа результатов научно-исследовательского рейса "Академик Лаврентьев" 1-994 года, а также при проведении НИР лабораторной Спутникового мониторинга ИАПУ ДВО РАН по грантам РФФИ N 96-01-00184, N 95-01-00143.
Всего за время-работ было построено около 100 карт струїш о-внхревых структур поверхности океана.
Апробация работы, Основныо .положения и результаты работы докладывались на в Международной конференции по моделированию и обработке
сигналов (Москва, 1993); Международной конференции PORSEC96 (Канада, Виктория, 1996);
Международном симпозиуме CREAMS"97 (Япония, Фукуока, 1997); Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ. Структура и обт»ем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 106 страниц, включая 35 рисунка, 8 таблиц и список литературы.
