Способ определения состояния ледяного покрова
Изобретение относится к способам определения состояния ледяного покрова. Сущность: с помощью цифрового фотоаппарата и подводной видеокамеры, размещенных соответственно на квадрокоптерах и автономных аппаратах типа “SONOBOT”, получают изображения льдин. Выполняют интерпретацию и анализ полученных изображений. При этом определяют толщину льдин, прочностные характеристики каждой льдины, а также выявляют льдины, представляющие опасность для конкретного морского объекта хозяйственной деятельности, с последующим ранжированием льдин по степени их разрушительной силы. Кроме того, определяют направление и скорость дрейфа льдин по смещению изображений на заданном интервале времени, маркируют льдины по степени их разрушительной силы с учетом прочностных характеристик морского объекта хозяйственной деятельности. Технический результат: расширение функциональных возможностей, снижение трудозатрат. 2 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для малых величин толщины льда, как со стационарных морских сооружений, так и с подвижных морских судов и аппаратов.
Известно устройство, реализующее способ определения толщины льда, содержащее полую цилиндрическую герметичную эластичную оболочку, заполненную незамерзающей рабочей средой под давлением выше атмосферного и соединенную полостью с манометром (патент RU №2422736 С1, 27.06.2011 [1]), в котором в период льдообразования измеряют давление в полости эластичной оболочки посредством манометра и на основе тарировочного графика, построенного по результатам измерения давления, определяют толщину льда.
Недостатком этого известного устройства можно считать узкую функциональную возможность, связанную с построением тарировочного графика в зависимости от диапазона изменения толщины льда.
Известно также устройство для определения толщины льда (патент RU 2495369 С1, 10.10.2013 [2]), содержащее микроволновой генератор, полый диэлектрический цилиндр, полую цилиндрическую герметичную эластичную оболочку и измеритель амплитудно-частотных характеристик. Принцип действия этого устройства заключается в возбуждении электромагнитных колебаний в металлическом резонаторе (резонатор размещен в цилиндрическом цилиндре) с диафрагмой в виде одной из торцевых стенок и воздействии рабочей средой эластичной оболочки на диафрагму резонатора. В данном устройстве измерение собственно резонансной частоты резонатора дает возможность определить толщину льда.
Недостатком этого устройства является низкая чувствительность при изменении толщины в малых значениях. Таким же недостатком обладают и известные технические решения (патент RU №2323131 С1, 27.04.2008 [3], патент на полезную модель RU №143181 U1, 20.07.2014 [4], патент GB №2123563 А, 01.02.1984 [5], заявка WO №2012005635 А1, 12.01.2012 [6]).
Техническим результатом известного технического решения (патент RU №2567449 С1, 10.11.2015 [7]) является повышение чувствительности измерения, что достигается тем, что в устройство для измерения малых величин толщины льда, содержащее микроволновый генератор и полую цилиндрическую герметичную эластичную оболочку, введены волноводная детекторная головка с поршнем, гидроцилиндр поступательного движения и измеритель амплитуды, причем вход измерителя амплитуды соединен с первым плечом волноводной детекторной головки с поршнем, второе плечо которого подключено к выходу микроволнового генератора, третье плечо волноводной детекторной головки с поршнем соединено с выходом гидроцилиндра поступательного движения, вход гидроцилиндра поступательного движения подключен к полой цилиндрической герметичной эластичной оболочке.
Сущность известного изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что продедектированный выходной сигнал волноводной детекторной головки с поршнем, сформированный в результате взаимодействия микроволнового сигнала с поршнем при его перемещении из-за воздействия на него штока гидроцилиндра после обжатия эластичной оболочки образованным на поверхности воды льдом, дает возможность измерить толщину льда [7].
Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу измерения толщины льда на основе использования продедектированного выходного сигнала волноводной детекторной головки с поршнем, возникающего при взаимодействии микроволнового сигнала с поршнем при перемещении штока гидроцилиндра и обжатии эластичной оболочки с желаемым техническим результатом, т.е. повышением чувствительности измерения толщины льда.
Однако известное техническое решение при его практической реализации имеет ограничения, связанные с прочностными характеристиками льда и скоростью движения ледовых полей, что при неблагоприятных условиях может привести к выходу из строя устройства измерения толщины льда.
Известны также акустико-гидростатические способы измерения толщины погруженной части льда, который содержит измерение высоты водяного столба, измеряемого датчиком забортного давления, и измерение расстояния до нижней поверхности льда, определяемое эхолотом. Толщина льда при этом есть разность измеренной высоты столба и оценки расстояния до нижней поверхности льда (А.В. Богородский, Д.Б. Островский «Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства», СПб., изд. «ЛЭТИ», 2009 г., с. 123-170 [8]). Основным недостатком этого способа является недостаточная точность измерения, которая определяется низкой точностью гидростатического измерителя, зависящей от знания атмосферного давления на момент измерения, и точностью измерения эхолотом, показания которого зависят от точности измерения скорости звука. Скорость звука может быть измерена на глубине движения, а по трассе распространения сигнала и, особенно, в районе, близком к кромке льда, измерить ее практически невозможно.
Для измерения толщины молодого морского льда используются преимущественно чисто акустические способы измерения.
Известен способ измерения толщины льда с использованием параметрического излучения. Нелинейное взаимодействие в воде сигналов 2-х частот приводит к возникновению разностной частоты, на которой и измеряется толщина льда. Характеристики направленности имеют практически такую же ширину, как и на исходных частотах накачки. Практическая реализация эхо-ледомера на параметрическом методе излучения столкнулась с рядом технических и технологических трудностей, присущих параметрическому методу, которые не позволили обеспечить требуемую точность измерения во всем диапазоне толщин льда, тем более на дистанции упреждения.
В настоящее время для измерения толщины льда используются гидроакустические эхо-ледомеры (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. - СПб.: Наука, 2004 г., с. 127-142 [9]).
Гидроакустический эхо-ледомер свободен от недостатков акусто-гидростатического, так как его показания не зависят от абсолютного гидростатического давления. Гидроакустический эхо-ледомер состоит из высокочастотного канала, который содержит генератор, антенну, приемник и измеритель расстояния, низкочастотного канала, содержащего генератор, антенну, приемник и измеритель расстояния, индикатор и блок измерения толщины льда. Зондирующий импульс с высокочастотной несущей отражается от нижней поверхности льда, а сигнал низкочастотной несущей - от его верхней поверхности. Физической основой этого эффекта служит аномально большое затухание акустической энергии в кристаллической структуре молодого льда, обнаруженное во время изучения его акустических свойств. При очень низких частотах порядка 1 кГц затухание сигнала в толще льда небольшое, при частотах выше 100 кГц затухание настолько сильное, что эхо-сигнал формируется только самым нижним слоем льда. (В.В. Богородский, Г.Е. Смирнов, С.А. Смирнов. «Поглощение и рассеяние звуковых волн морским льдом». Труды ААНИИ. Л., 1975 г., с. 128-134 [10]).
При толщине льда меньше 0,5 м, что соответствует молодому льду, точность измерения толщины льда таким способом недостаточна для решения практических задач при измерении по курсу движения. Кроме того, этот способ требует участия оператора для ручной отработки результатов.
В известном также техническом решении (патент RU №2559159 С1, 10.08.2015 [11]) технический результат изобретения заключается в обеспечении дистанционного измерения толщины льда впереди по курсу движения подводного гидролокатора с упреждением.
Для обеспечения заявленного технического результата в известный способ измерения толщины льда [11], содержащий излучение из подводного положения носителя в направлении льда высокочастотных зондирующих сигналов, прием отраженных ото льда сигналов, введены новые признаки, а именно излучение зондирующих высокочастотных сигналов производят в направлении по ходу движения носителя, измеряют глубину погружения Н носителя, принимают отраженные от кромки льда эхо-сигналы веером узконаправленных характеристик в горизонтальной плоскости в диапазоне передней полусферы, производят последовательный набор временных реализаций по всем пространственным характеристикам направленности, последовательное аналого-цифровое преобразование сигнала, последовательную когерентную обработку, производят измерение уровня помехи по первому циклу набора как среднее значение всех амплитудных составляющих по всем пространственным каналам Апом, производят выбор порога, по каждому пространственному каналу определяют амплитуды эхо-сигнала превысившего порог, измеряют амплитуды эхо-сигнала Аэхо, измеряют номера пространственных каналов, в которых произошло превышение сигнала над порогом, определяют дистанции до кромки льда Д по каждому пространственному каналу, по измеренной глубине погружения Н и измеренной дистанции Д, определяют угол отражения эхо-сигнала как Q°=arcsinH/Д, выбирают эхо-сигналы, которые имеют угол отражения в диапазоне 10°-30° и принадлежат тем характеристикам направленности в горизонтальной плоскости, которые отстоят от направления движения на угол не больше 30°, определяют коэффициент контраста S(Q) по формуле S(Q)=Aэxo/Aвод, а толщину льда Тльда определяют по формуле Тльда=S(Q)70к, где к - поправочный коэффициент, связанный с особенностями калибровки аппаратуры, Авод амплитуда отражения от поверхности воды для глубины Н, которая определяется по формуле Авод=20Апом-(Н-100)0,05.
При этом сущность работы предлагаемого способа основана на физических принципах гидроакустического метода, в котором используется зависимость отражательной способности льда от угла падения высокочастотного зондирующего сигнала. Определяется коэффициент контраста, который связан с звукорассеивающими свойствами льда, различающегося степенью шероховатости нижней поверхности по сравнению с отражательной способностью поверхности воды. Значения коэффициента контраста определяются по соотношению эхо-сигналов от исследуемой поверхности льда и сигнала, отраженного от эталонного отражателя, в качестве которого используется поверхность воды, свободная ото льда.
Недостатком известного способа является не высокая достоверность ввиду того, что значения коэффициента контраста определяются по соотношению эхо-сигналов от исследуемой поверхности льда и сигнала, отраженного от эталонного отражателя, в качестве которого используется поверхность воды, свободная ото льда, что при наличии плавающего битого льда обеспечить довольно сложно.
Известен также способ (патент RU №2449326 [12]), включающий определение абсолютной толщины льда и морфографические аномалии подводной части ледяного образования посредством параметрического гидроакустического измерителя путем зондирования ледового образования линейными частотно-модулированными импульсами. Гидролокационный параметрический измеритель размещают в водной среде на поворотной платформе, что позволяет выполнять облучение ледового образования под разными углами вдоль вертикальных (выступающие кили) и горизонтальных плоскостей ледового образования. Полученные изображения ледяного образования визуализируются на мониторе в полярной системе координат в виде графических файлов bmp-форматов, содержащих изображения результатов нижней поверхности льда.
К недостаткам данного способа-аналога следует отнести низкую производительность при определении абсолютной толщины льда вследствие использования однолучевого гидролокатора, а также отсутствие измерителей скорости и направления дрейфа ледового поля. Кроме того, существенным недостатком рассматриваемого способа-аналога является существенная погрешность измерения толщины льда, возникающая из-за вариаций значений скорости звука во льду, которая может меняться в достаточно широких пределах в зависимости от условий образования льда, его возраста, толщины и времени года.
Известен способ (патент RU №2444760 [13]), включающий размещение гидроакустической антенны, приемно-излучающего устройства в водной среде для получения картины видимой части исследуемого объекта (кили тористых образований, изометрические морфоструктуры поверхности дна ледового образования), производство экспозиций, которые привязаны к топопланам верхней поверхности льда, получение изображения, которое визуализируется на мониторе в полярной системе координат в виде графических файлов bmp-форматов, содержащих изображения результатов сканирования нижней поверхности льда. Съемку осуществляют с нескольких горизонтов. Гидроакустическую аппаратуру (гидролокатор кругового обзора) размещают на управляемом подводном аппарате, приемно-излучающее устройство размещают на поворотной платформе, имеющей три степени свободы. Изображение получают в трехмерном пространстве с визуализацией полного объема ледяного покрытия и с разбивкой объемов ледяного покрытия по секторам, которые различают по их частотным характеристикам. Оценивают размер этих секторов и расстояние между элементами ледяного поля, расположенными на расстояниях, меньших длительности зондирующего импульса.
К недостаткам данного способа следует отнести отсутствие учета скорости и направления дрейфа ледового поля при формировании гидролокационного изображения нижней поверхности дна за несколько циклов зондирования, что может привести к пропускам при обследовании из-за дрейфа ледового поля при работе подводного аппарата вблизи от нижней поверхности льда.
Кроме того, существенным недостатком является отсутствие учета данных о скорости звука в водной среде, в результате искажается формируемое гидролокационное изображение нижней поверхности льда, а также возникают ошибки при определении размеров и оценке расстояний между элементами ледового поля.
Недостатком также является отсутствие процедуры классификации принятых гидролокатором эхо-сигналов по классам: граница раздела «вода-воздух» и «вода-лед», что делает не возможным обнаружение ледовых образований небольших размеров на водной поверхности.
Для реализации известного способа требуется погружение и всплытие управляемого подводного аппарата, что требует наличия области на водной поверхности, свободной от льда, и накладывает ограничение на толщину льда при использовании бурового оборудования в случае отсутствия указанной области.
Известен также способ оценки состояния ледового поля (Fissel et al. Improvements in the detection of hazardous sea ice features using upward looking sonar data // Proceedings of Arctic Technology Conference, USA, 3-5 Dec. 2012 [14]), в котором: излучают акустические сигналы в сторону нижней поверхности льда с автономной буйковой станции, принимают отраженные эхо-сигналы, производят оценку среднего значения скорости звука в слое воды между точкой излучения и нижней поверхностью льда, выполняют измерение расстояния от точки излучения до нижней поверхности льда h с учетом известного среднего значения скорости звука в воде, классифицируют принятые эхо-сигналы по классам «вода-воздух» и «вода-лед», измеряют глубину погружения точки излучения Н, измеряют толщину погруженной части льда d как d=H-h, измеряют направление и скорость дрейфа ледового поля, передают полученную информацию по акустическому каналу связи или по кабелю в систему обработки и отображения данных.
Существенным недостатком данного способа является его низкая производительность, обусловленная небольшим размером сектора обзора нижней поверхности льда.
Угловые размеры характеристики направленности (ХН) гидроакустической приемоизлучающей антенны, используемой в известном способе-прототипе, определяют размеры облучаемого участка нижней поверхности льда - элемента разрешения по пространству, а также сектор обзора, поэтому увеличение угловых размеров ХН с целью расширения сектора обзора нецелесообразно.
Поскольку ХН гидроакустической приемоизлучающей антенны относительно узкая, то сектор обзора небольшой, и за один цикл зондирования получают только одно значение толщины погруженной части льда в пределах облучаемого участка нижней поверхности льда.
Кроме того, в известном способе ХН гидроакустической приемоизлучающей антенны ориентирована по нормали к плоскости, совпадающей со средним уровнем водной поверхности в спокойном состоянии, без учета возможности наклона оси ХН. Таким образом, участок нижней поверхности льда, обследованный за несколько циклов зондирования, оказывается вытянут вдоль направления движения ледового поля, и имеет небольшие размеры в плоскости, перпендикулярной линии движения ледового поля.
В результате информацию о толщине погруженной части льда получают по лишь ограниченной части ледового поля, в то время как толщина погруженной части льда в необследованной области ледового поля может иметь большие значения, что позволяет классифицировать его как потенциально опасное, например, для буровой платформы.
Задачей также известного изобретения (патент RU №2559311 С1, 10.08.2015 [15]) является повышение производительности известного способа оценки состояния ледового поля.
При этом технический результат заключается в расширении сектора обзора нижней поверхности льда при сохранении размеров элемента разрешения по пространству, в пределах которого производится оценка погруженной части льда.
Для обеспечения указанного технического результата в известный способ оценки состояния ледового поля [14], в котором излучают акустические сигналы в сторону нижней поверхности льда с автономной буйковой станции, принимают отраженные эхо-сигналы, производят оценку среднего значения скорости звука в слое воды между точкой излучения и нижней поверхностью льда, выполняют измерение расстояния от точки излучения до нижней поверхности льда h с учетом известного среднего значения скорости звука в воде, классифицируют принятые эхо-сигналы по классам «вода-воздух» и «вода-лед», измеряют глубину погружения точки излучения Н, измеряют толщину погруженной части льда d как d=H-h, измеряют направление и скорость дрейфа ледового поля, передают полученную информацию по акустическому каналу связи или по кабелю в систему обработки и отображения данных.
Использование последовательного обзора нижней поверхности льда, заключающегося в перемещении формируемой полосы обзора, позволяет расширить сектор обзора, как в плоскости наибольшего размера гидроакустической приемной антенны, так и в плоскости наибольшего размера гидроакустической излучающей антенны при сохранении размеров элемента разрешения по пространству, в пределах которого производится оценка погруженной части льда, при этом выполнение коррекции угла наклона оси ХН в излучении, а также коррекции углов наклона осей приемных ХН позволяет стабилизировать текущее положение полосы обзора в пространстве для предотвращения пропусков при обзоре.
Однако известный способ [15] отягощен вычислительными операциями, и его достоверность отягощена необходимостью учета скорости звука и отражением от реверберационных слоев. Кроме того, использование буйковой станции в ледовых условиях, особенно в условиях плавающих ледовых полей, может привести к ее механическим повреждениям.
Известен также способ определения состояния ледяного покрова [Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 68-71. [16]), заключающийся в выполнении визуальных ледовых наблюдений с самолетов и вертолетов различных типов с высот 100-600 м. При полетах на этих высотах разрешающая способность человеческого глаза принимается равной 0,1 м на местности, что позволяет наблюдателю определять по характеру поверхности состояния снежного покрова, типу наслоений и торосистых образований, толщине льдин в разломах, размерам и форме снежниц, цветовым оттенкам поверхности льдин, их обломков, дна снежниц все основные характеристики ледяного покрова - положение кромки дрейфующего и неподвижного льдов, сплоченность льда, его возрастной состав, формы, наслоенность и торосистость, стадии таяния, пространства чистой воды среди льдов, высоту и характер снежного покрова, сжатия, загрязненность, количество и формы льдов материкового происхождения. При этом наблюдения выполняются в полосе от 19-20 высот полета (кромки льда, границы зон различной сплоченности) до 2-3 высот (возрастной состав), что объясняется различной достоверностью и возможностью определения тех или иных характеристиках при больших углах визирования. Учитывая ограниченное время пролета каждого участка, совершенно очевидна невозможность переработки наблюдателем всего объема информации. На основании результатов наблюдений составляется рабочая ледовая карта. Способ отягощен существенными случайными и систематическими погрешностями, ограничениями по полосе обзора. Кроме того, при наблюдениях с малых высот непосредственно просматривается только 10-20% обследуемой акватории, что приводит к значительным ошибкам при интерполяции и экстраполяции границ.
Известен также способ аэрофотосъемки морского льда (Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 72-76 [17]) с использованием аэрофотоаппаратов (АФА). Съемка выполняется сериями по площадям или маршрутам.
Достоинством данного способа является высокая разрешающая способность, геометрическая определенность снимков, позволяющая воссоздать пространственную модель местности и с высокой степенью точности определить координаты изобразившихся точек местности, а также объективность и однозначность получаемых сведений.
Недостатком способа является зависимость от метеоусловий и освещенности; большое количество получаемых снимков и сложность их фотохимической и фотограмметрической обработки; ограниченные площади съемки с малых высот; низкая оперативность получения окончательных результатов.
Известен также способ определения состояния ледяного покрова путем зондирования морских льдов посредством радиолокационных станций с длиной волны 2-3 см (Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 79-88 [18]), установленных на самолетах и судах. При этом состояние льда определяется через эффективную площадь рассеивания. Данный способ позволяет выполнить оперативную оценку состояния ледяного покрытия, в части возрастных стадий льдов и их частной сплоченности по градациям (молодые - однолетние - старые льды). Однако при этом невозможно определение стадий развития однолетних льдов.
Известны также способы определения ледяного покрова путем зондирования морских льдов с искусственных спутников Земли. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 88-116 [19], авторское свидетельство SU №1788487 [20], заключающиеся в том, что ледяной покров зондируют посредством бортовой аппаратуры спутника (радиолокатор бокового обзора, пассивный микроволновый радиометр, многоканальный сканирующий радиометр с линейным сканированием по сфере или по углу). Для получения достоверной информации, как правило, используют сочетание нескольких приборов, что связано с отрицательной корреляцией интенсивности излучения и рассеяния электромагнитных волн льдом одного и того же возраста на используемых частотах в зимний период года. На изображениях радиолокационных станций старые (двухлетние и многолетние) льды дают сильный рассеянный сигнал, а на изображениях радиометрических приборов - слабое собственное излучение. Молодые и однолетние льды, наоборот, дают слабый рассеянный сигнал и сильное собственное излучение. Именно эта особенность совмещенных изображений при комплексировании данных позволяет распознать однолетний и многолетний льды в период интенсивного летнего таяния, открытую воду на крупных разводьях и полыньях, а также положение кромки льдов при взволнованной открытой водной поверхности.
В известном способе определения состояния ледового покрова [20], включающем получение спутниковых радиолокационных снимков и снимков в оптическом диапазоне длин волн, с целью повышения достоверности при определении возраста и сплоченности льда в весенне-осенний период, в момент получения радиолокационных снимков устанавливают наличие облачности теплых фронтальных зон по снимкам в оптическом диапазоне длин волн и, если она имеет место, то проводят повторную радиолокационную съемку в условиях, соответствующих полному изменению метрологических условий в исследуемом районе.
В известных способах в процедурах картирования применяется метод визуального анализа и интерпретации изображений, включая количественные оценки общей и частной сплоченности льда, а также интерактивного выделения границ ледовых зон с использованием мозаик из разновременных изображений. При этом мозаики формируются из предварительно нормализованных по яркости и трансформированных в стереографическую картографическую проекцию изображений с радиолокационной станции.
Основной недостаток радиолокационных станций бокового обзора, заключающийся в том, что разрешение вдоль линии пути ограничивается длиной антенны, что компенсируется применением радиолокаторов с синтезированной апертурой. Однако для идентификации морских льдов и получения устойчивых результатов картирования морских льдов необходимо выбирать различные комбинации поляризаций типа АР, НН, HV, VV, VH при разных диапазонах углов зондирования.
Наиболее важными параметрами морских льдов являются сплоченность, возраст (толщина), размер ледяных полей, размер и ориентация разводий, торосистость, дрейф льда и зоны сжатия/разряжения, стадии таяния и ряд других. Параметры морских льдов по спутниковым радиолокационным изображениям определяются путем дешифрирования. Для обнаружения и опознавания используются такие признаки, как величина обратного рассеяния и текстура, а также структура, размер и форма объектов. Основным прямым дешифровочным признаком является яркость радиолокационного изображения, которая определяется коэффициентом обратного рассеяния воды и морских льдов. На основе различий их обратного рассеяния определяются основные виды льдов. Зависимость удельной эффективной площади рассеяния и тона изображения от вида льда, его форм и шероховатости поверхности делает возможным определение ряда параметров морских льдов.
Однако различные виды льдов могут изображаться одинаковым тоном и текстурой. Для их распознания используют дополнительную информацию, такую как гидрометеорологические условия и дрейф льдов в предшествующий съемке период, другие данные дистанционного зондирования, ледовые наблюдения с судов и т.д. Априорные данные о ледовых условиях также накладывают ограничения на возможность появления различных видов льдов в отдельных районах.
Обратное рассеяние морских льдов зависит от поляризации, частоты и угла зондирования радиолокатора. На радиолокационных изображениях С-диапазона многие виды льдов изображаются одинаково на различных поляризациях и углах зондирования. Например, для ниласа характерен темный тон изображения; для многолетних льдов - более яркий тон по сравнению с однолетним льдом, а для торосистых по сравнению с ровными льдами. Сигнатуры некоторых других видов льдов и открытой воды могут значительно различаться. Так, значения обратного рассеяния открытой водной поверхности при слабом волнении и тонкого льда на VV-поляризации превышают на 5-7 и 2-3 дБ соответственно значения на НН-поляризации. Для интерпретации PCА-изображений, полученных со спутников типа ERS, RADARSAT, ENVISAT, сигнатуры основных видов морских льдов требуют уточнения с учетом конкретных характеристик этих радиолокаторов. Анализ результатов спутниковых дистанционных зондирований (Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 213-214 [21]) показал, что обнаруживаются наиболее крупные айсберги (диаметром 150 м и более), в то время как большинство из них не идентифицируется. При соответствующих условиях (при удельной эффективной площади рассеяния, больше чем у морского льда и спокойной морской поверхности) возможно обнаружить около половины небольших айсбергов (15-60 м в диаметре), три четверти средних айсбергов (60-120 м). При картировании малых айсбергов по изображениям с РСА появляется большое количество ложных объектов.
При регулярном сборе данных РСА высокого разрешения объем получаемой информации значительно возрастает. И визуальная интерпретация этих изображений, и оценка параметров морских льдов становятся весьма трудоемкими. Алгоритмы определения параметров морских льдов по РСА-изображениям включают Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 216-235 [22] классификацию морских льдов, сплоченность морских льдов, дрейф морских льдов, составление ледовых карт по изображениям в оптическом диапазоне и по РСА-изображениям. Целью классификации является отнесение пикселов РСА-изображения к различным категориям морских льдов. Используемые при этом категории главным образом связаны с возрастными видами льдов и деформацией их поверхности. Толщина льдов не определяется по РСА-изображениям. Корректная классификация является важной предпосылкой для оценки таких параметров морских льдов, как их сплоченность, распределение Польшей и их формы. Классификация включает предварительную обработку изображений, выделение ледовых объектов, вычисление параметров изображений (сегментов), пиксельную или зонную классификацию с использованием набора вычислительных параметров, завершающий этап обработки.
Предварительная обработка изображения включает в себя радиометрическую и геометрическую коррекции, фильтрацию, подавление спекл-шума и улучшение контрастности и предназначена для обеспечения относительной или абсолютной калибровки изображений и удаления различных артефактов. При проведении радиометрической калибровки в отдельных случаях необходимо выполнить коррекцию диаграммы направленности антенны, ослабления сигнала по дальности, а также от угла наклона, используя известные параметры РСА. При классификации РСА-изображений с широкой полосой обзора также необходимо учитывать угловую зависимость коэффициента обратного рассеяния морских льдов. Для уменьшения этого эффекта может быть применена нормализация на изменение дальности с использованием эмпирических зависимостей для преобладающего на изображении вида льда. Однако это требует априорных знаний о преобладающем на изображении типе льда и не может полностью компенсировать радиометрические зависимости для других типов поверхностей на изображении.
При классификации изображения без обучения, имеющей целью выделение различных кластеров в пространстве признаков без их отнесения к заранее выбранным классам льдов, требуется только инвариантность радиолокационной сигнатуры объекта от его расположения в пределах того же изображения.
Сегментация является процессом, который разделяет изображение на составляющие части или объекты. Сегмент представляет собой участок изображения с однородными тоновыми и текстурными свойствами. Сегменты изображения могут соответствовать таким объектам, как поля льда, каналы, полыньи, участки деформационного льда. Известные алгоритмы сегментации предназначены для обнаружения ледяных полей на фоне открытой воды или ледяной каши и распознавания Польшей. Фундаментальной трудностью задачи сегментации является ее существенная размытость и неопределенность.
Используемые признаки РСА-изображений принадлежат к трем основным группам: моменты изображения, текстура матрицы смежности тонов и признаки на основе автокорреляционной функции (многолетний лед характеризуется пятнистой структурой изображения, которая объясняется формированием на его поверхности большого количества снежниц в летний период. Другим примером является сеть ярких линейных участков изображения, соответствующих грядам торосов на деформированном однолетнем льду). Текстура зависит от пространственного разрешения радиолокатора, пространственного масштаба неоднородностей на поверхности морских льдов и в его объеме. В настоящее время имеется мало информации о крупномасштабных свойствах морских льдов и, как следствие, механизмах формирования текстуры. Набор информативных признаков может отличаться от исследования к исследованию и может зависеть от нескольких факторов, включая географический район, окружающие условия и т.д. Применение текстуры обычно повышает точность классификации, однако не может в полной мере устранить неоднозначности между различными видами льда:
70-120 см - ровный однолетний лед средней толщины.
>120 см - деформированный средний и толстый однолетний лед, торосистость 2-3 балла.
>120 см - деформированный средний и толстый однолетний лед, торосистость 3-5 балла.
10-15 см (серый) и 15-30 см (серо-белый) - молодой лед.
5-10 см - нилас, ледяное сало, пространства открытой воды.
Ввиду того, что алгоритм классификации построен на основе линейного дискретного анализа с использованием нейронных сетей для аппроксимации сложных зависимостей между входными и выходными сигналами, то способы с использованием признаков РСА-изображений отягощены как объективными, так и субъективными погрешностями. В настоящее время не существует общедоступного набора спутниковых данных, который мог бы быть использован для перекрестной проверки различных алгоритмов.
Разработанные алгоритмы обычно включают использование знаний эксперта, которые трудно воспроизвести. Сезонная и пространственная изменчивость свойств морских льдов является препятствием для развития общих подходов, применимых в различные сезоны и в различных полярных районах.
Общим недостатком известных способов [16-22], является низкая достоверность оперативного определения характеристик из-за невозможности (в ряде случаев) однозначно отличить взволнованную водную поверхность от разреженного многолетнего льда, спокойную водную поверхность от тонких сплоченных молодых типов льда (например, ниласа), смешанные поля льдов разных возрастных категорий от многолетнего льда, лед, на поверхности которого находится свежевыпавший снежный покров, от молодых льдов и др.
Известен также способ определения состояния ледяного покрова (авторское свидетельство SU №1788487 [23]), в котором в отличие от известных способов [16-22], заключающихся в построении фотоизображений подстилающей поверхности, соответствующих результатам зондирования с аэрокосмических носителей, осуществляемом, например, радиолокатором бокового разрешения (длина волны около 3 см) и определении характеристик подстилающей поверхности экспертным путем (визуального анализа), полученных фотоизображений, определение состояния ледяного покрова выполняют путем получения спутниковых радиолокационных снимков и снимков в оптическом диапазоне длин волн, а в момент получения радиолокационных снимков устанавливают наличие облачности теплых фронтальных зон по снимкам в оптическом диапазоне длин волн. При этом если такая облачность имеет место, то проводят повторную радиолокационную съемку в условиях, соответствующих полному изменению метеорологических условий в исследуемом районе.
В общем случае этот способ не обеспечивает достоверное определение характеристик поверхности при изменяющихся сложных метеорологических условиях и в условиях быстрой изменчивости отражательных и излучаемых характеристик подстилающей поверхности. Это объясняется тем, что общая зависимость принятых сигналов радиолокационной станции бокового обзора и радиометра от параметров ледяного покрова является достаточно сложной, так как в пределах элемента разрешения каждого прибора находятся смешанные поля льдов разного возраста, а система уравнений для оценки эффективности площади рассеяния, определяемой по радиолокационной станции бокового обзора и эффективной радиояркостной температуры, определяемой по радиометру, содержит четыре неизвестных и соответственно четыре непостоянных параметра [8], что оказывается неразрешимой задачей для определения значений искомых параметров, а именно частной сплоченности, в пределах разрешения соответственно радиолокатора бокового обзора и радиометра. Устранение данного недостатка в известном способе [8] решается путем использования карт состояния ледового покрова за предшествующую декаду месяца, которые строятся в Гидрометеорологическом центре по обобщенным данным ледовой авиаразведки для арктического бассейна. При этом на текущие изображения, полученные по полям соответственно радиолокационным и радиометрическим способом, наносят вручную контуры однородных состояний ледяного покрова, соответствующие предыдущим картам-схемам. Далее выполняют идентификацию областей с однородными состояниями ледяного покрова. После того, как полностью идентифицированными оказались одна или две области на текущем изображении поверхности и предыдущих картах-схемах, определяют направление и среднюю величину смещения между этими областями. С учетом полученных значений среднего смещения и направления, границы предшествующего положения областей, занесенные на текущую информацию, смещают для более точного соответствия. Данную операцию необходимо выполнять ввиду того, что на изображениях с текущей информацией некоторые области перестают различаться, в то время как на предыдущей карте-схеме они могут различаться. Причинами этого являются ситуации, заключающиеся в нарастании присутствующего в пределах области молодого льда (от нилоса к серому льду), отражательные характеристики которого становятся близкими к характеристикам многолетнего льда, изменение частичной сплоченности многолетнего льда резко уменьшилось из-за появления ветровых трещин и разводий или выпадением на поверхность нескольких областей многолетнего льда выпал влажный снег. Для однозначно опознанных областей выполняется расчет характеристик ледяного покрова, т.е. определение частной сплоченности льдов разного возраста.
При выполнении идентификации с использованием нескольких карт-схем при переносе изображений необходимо учитывать масштабы карт, т.е. выполнять генерализацию новых карт, в противном случае возможны существенные искажения изображений, а в некоторых случаях и потеря информации.
Способ имеет высокую трудоемкость как при обработке вновь полученной информации, так и информации предшествующих наблюдений.
Кроме того, необходимо учитывать проявление маскирующего эффекта в арктических районах, который определяется скоростью изменения метеорологических условий, а также изменение условий дрейфа льда, что требует повторения операций способа через несколько часов, особенно при резком изменении пространственного распределения гидрометеорологических параметров.
И если при проведении масштабных исследований в арктическом регионе данный способ имеет применимость при составлении прогноза развития ледовой обстановки в сочетании с использованием информации, полученной от других источников информации (гидрометеорологические станции, суда гидрографической службы и т.п.), то для обеспечения безопасной эксплуатации морских терминалов нефтегазовых месторождений в арктической зоне его эффективность не является достаточной.
Задачей также известного технического решения (патент RU №2435136 С1, 27.11.2011 [24]) является повышение достоверности определения состояния ледяного покрова.
Поставленная задача достигается за счет того, что в способе измерения толщины льдин [24], включающем получение изображений льдин посредством приборных средств, анализ и интерпретацию изображений, определение толщины льдин посредством камеральной обработки изображений льдин, изображение льдин получают путем зондирования ледовых поверхностей высокочастотными акустическими волнами, при этом непрерывное колебание модулируется по амплитуде отрезком сигнала низкой частоты, а интерпретацию изображений выполняют путем формирования единого набора координат точек и высот каждой льдины, полученных от приборных средств изображения льдин, при этом единый набор координат точек и высот льдин триангулируется методом Делоне.
Недостатком известного способа измерения толщины льдин [24] является то, что, как и в большинстве аналогов для получения изображения льдин, используют гидроакустические средства, устанавливаемые на подвижных подводных объектах, использование которых сопряжено с учетом поправок на скорость звука в воде. При этом необходимо учитывать и довольно существенные трудовые и материальные затраты при проведении таких работ.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей с одновременным снижением материально-трудовых затрат при определении состояния ледяного покрова, включая измерения толщины льдин преимущественно в районах размещения морских объектов хозяйственной деятельности, включая морские платформы по добыче углеводородов.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения состояния ледяного покрова [24], включающем получение изображений льдин посредством приборных средств, анализ и интерпретацию изображений, определение толщины льдин посредством камеральной обработки изображений льдин, при этом непрерывное колебание модулируется по амплитуде отрезком сигнала низкой частоты, а интерпретацию изображений выполняют путем формирования единого набора координат точек и высот каждой льдины, полученных от приборных средств изображения льдин, при этом единый набор координат точек и высот льдин триангулируется методом Делоне, изображение льдин получают путем фото и видеосъемки ледовых поверхностей, посредством цифрового фотоаппарата и подводной видеокамеры, размещенных соответственно на квадрокоптерах и/или автономных аппаратах типа «SONOBOT», путем многократной съемки через заданные промежутки времени, при камеральной обработке изображения льдин определяют прочностные характеристики каждой льдины, путем текстурного анализа, на основе текстурного анализа выявляют льдины, представляющие опасность для конкретного морского объекта хозяйственной деятельности, выполняют ранжирования льдин по степени их разрушительной силы, при анализе и интерпретации изображений определяют направление и скорость дрейфа льдин по смещению изображений на заданном интервале времени, при изображении льдин на мониторе маркируют льдины по степени их разрушительной силы с учетом прочностных характеристик морского объекта хозяйственной деятельности.
Экспериментальные исследования, с использованием фотоаппаратуры с борта судна, проведенные в 2015 году в прибрежных водах Канады, показали возможность получения изображения льдин, достаточного для анализа и интерпретации изображений с целью оценки состояния ледовых образований, в частности плавающего льда, что известными техническими решениями практически не достигается (фото 1,2).
Способ реализуется следующим образом.
С морского объекта хозяйственной деятельности осуществляют запуск квадрокоптеров и/или автономных аппаратов типа «SONOBOT» с установленной на них, соответственно, фото и видео аппаратурой. Выполняют многократную фото и видео-съемку через заданные промежутки времени. При камеральной обработке изображения льдин определяют прочностные характеристики каждой льдины, путем текстурного анализа.
На основе текстурного анализа выявляют льдины, представляющие опасность для конкретного морского объекта хозяйственной деятельности, выполняют ранжирования льдин по степени их разрушительной силы, при анализе и интерпретации изображений определяют направление и скорость дрейфа льдин по смещению изображений на заданном интервале времени, при изображении льдин на мониторе маркируют льдины по степени их разрушительной силы с учетом прочностных характеристик морского объекта хозяйственной деятельности.
Определение толщины льдин определяют посредством камеральной обработки изображений льдин, при этом непрерывное колебание модулируется по амплитуде отрезком сигнала низкой частоты, а интерпретацию изображений выполняют путем формирования единого набора координат точек и высот каждой льдины, полученных от приборных средств изображения льдин, при этом единый набор координат точек и высот льдин триангулируется методом Делоне.
Автономный аппарат типа «SONOBOT» представляет собой конструкцию катамаранного типа и выполнен с возможностью его эксплуатации как на водной поверхности, так и при погружении на глубину до 100 м.
В отличие от известных технических решений реализация предлагаемого способа оценки состояния ледовых образований не требует использования сложной аппаратуры для получения изображений льдин и при этом позволяет установить характеристики ледовых образований, представляющих угрозу для эксплуатации морских объектов хозяйственной деятельности.
Источники информации
1. Патент RU №2422736 С1, 27.06.2011.
2. Патент RU 2495369 С1, 10.10.2013.
3. Патент RU №2323131 С1, 27.04.2008.
4. Патент на полезную модель RU №143181 U1, 20.07.2014.
5. Патент GB №2123563 А, 01.02.1984.
6. Заявка WO №2012005635 А1, 12.01.2012.
7. Патент RU №2567449 С1, 10.11.2015.
8. А.В. Богородский, Д.Б. Островский «Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства», СПб., изд. «ЛЭТИ», 2009 г., с. 123-170.
9. Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. - СПб.: Наука, 2004 г., с. 127-142.
10. В.В. Богородский, Г.Е. Смирнов, С.А. Смирнов. «Поглощение и рассеяние звуковых волн морским льдом». Труды ААНИИ. Л., 1975 г., с. 128-134.
11. Патент RU №2559159 С1, 10.08.2015.
12. Патент RU №2449326.
13. Патент RU №2444760.
14. Fissel et al. Improvements in the detection of hazardous sea ice features using upward looking sonar data // Proceedings of Arctic Technology Conference, USA, 3-5 Dec. 2012.
15. Патент RU №2559311 C1, 10.08.2015.
16. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 68-71.
17. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 72-76.
18. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 79-88.
19. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 88-116.
20. Авторское свидетельство SU №1788487.
21. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 213-214.
22. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с. 216-235.
23. Авторское свидетельство SU №1788487.
24. Патент RU №2435136 С1, 27.11.2011.
Способ определения состояния ледяного покрова, включающий получение изображений льдин посредством приборных средств, анализ и интерпретацию изображений, определение толщины льдин посредством камеральной обработки изображений льдин, при этом непрерывное колебание модулируют по амплитуде отрезком сигнала низкой частоты, а интерпретацию изображений выполняют путем формирования единого набора координат точек и высот каждой льдины, полученных от приборных средств изображения льдин, при этом единый набор координат точек и высот льдин триангулируется методом Делоне, отличающийся тем, что изображение льдин получают путем фото- и видеосъемки ледовых поверхностей посредством цифрового фотоаппарата и подводной видеокамеры, размещенных соответственно на квадрокоптерах и автономных аппаратах типа “SONOBOT”, путем многократной съемки через заданные промежутки времени, при камеральной обработке изображения льдин определяют прочностные характеристики каждой льдины путем текстурного анализа, на основе текстурного анализа выявляют льдины, представляющие опасность для конкретного морского объекта хозяйственной деятельности, с последующим ранжированием льдин по степени их разрушительной силы, при анализе и интерпретации изображений определяют направление и скорость дрейфа льдин по смещению изображений на заданном интервале времени, при изображении льдин на мониторе маркируют льдины по степени их разрушительной силы с учетом прочностных характеристик морского объекта хозяйственной деятельности.
