Коллектив авторов - Океанография и морской лед

Подавляющее большинство существующих технологий интерпретации спутниковых данных для ледового картирования в национальных ледовых службах основаны на интерактивном анализе с участием опытного ледового эксперта. Наибольшее развитие среди спутниковых технологий, применяемых национальными ледовыми службами, получили технологии, основанные на использовании данных радиолокаторов с синтезированной апертурой (SAR). При этом для автоматической интерпретации данных SAR применялись различные подходы. Так, для определения типов льда разрабатывались различные алгоритмы с использованием величины коэффициента обратного рассеяния сигнала ледяным покровом ( Александров, Пиотровская, 2008а; 2008б ); проводилось исследование текстуры изображений с использованием полей Маркова ( Clausi, 2000 ); исследовались процессы взаимодействия сигнала SAR с поверхностью льда различного возраста ( Abreu, 2000 ) и др.

Однако такая технология автоматической классификации данных SAR требует наличия большого числа подспутниковых измерений и постоянного контроля со стороны ледового эксперта. Необходимость контроля выходной продукции ледовым экспертом обусловлена высокой вероятностью ошибок интерпретации при использовании автоматических процедур обработки данных SAR.

Сплоченность льда. Для оценки сплоченности льда на практике успешно применяются алгоритмы автоматической обработки данных микроволнового пассивного зондирования. Преимущества использования СВЧ-радиометров для мониторинга морского льда обусловлены значительной разницей в микроволновом диапазоне в излучательной способности открытой воды и различных типов льда, а также всепогодностью микроволновых датчиков, их способностью вести измерения в любое время суток. СВЧ-радиометры могут осуществлять ежедневный мониторинг параметров морского льда, как в глобальном, так и в региональном масштабе. Однако на сегодняшний день эти приборы имеют малое пространственное разрешение (6×4 км – у лидирующего по этому параметру радиометра AMSR-E/Aqua). Этот факт препятствует использованию микроволновых данных в региональных целях, в частности при обеспечении ледового плавания. СВЧ-радиометры применяются для глобального мониторинга ледяного покрова, при построении обзорных ледовых карт. Данные о сплоченности ледяного покрова, полученные с СВЧ-радиометров, собираются в информационных центрах (NESDIS, NSIDC) и предоставляются всем потребителям в квазиреальном масштабе времени.

Существующие алгоритмы оценки сплоченности льда по данным СВЧ-измерений основаны на линейной комбинации яркостных температур и их разностей на частотах 19, 37 и 85/89 ГГц при вертикальной и горизонтальной поляризациях. Среди наиболее распространенных алгоритмов оценки сплоченности льда, используемых в ледовых центрах, следует отметить: NASA Team, Bootstrap, TUD, ARTIST ( Andersen, Tonboe et al.,2007; Cavalieri, 1994; Comiso,1995 ).

Алгоритм NASA Team (NT) использует два отношения: поляризационное (горизонтальная и вертикальная поляризации канала 19 ГГц) и градиентное отношение (вертикальная поляризация каналов 19 и 37 ГГц). Использование отношения уменьшает зависимость получаемой в итоге сплоченности от температуры поверхности. Алгоритм применим для трех типов поверхности: воды и двух типов льда (в условиях Арктики – однолетнего и многолетнего; модифицированный алгоритм – для областей с однолетним льдом и тонким льдом). Для снижения вероятности ложного обнаружения морского льда в открытых водах алгоритм NT использует два погодных фильтра, основанных на расчете пороговых значений по отношению вертикальной поляризации каналов 37 и 19 ГГц (23 и 19 ГГц). Улучшенная версия NT – алгоритм NASA Team 2 кроме каналов 19 и 37 ГГц использует данные канала 85 ГГц, полезные для автоматического восстановления параметров морского льда. Канал 85 ГГц очень чувствителен к атмосферному излучению и менее чувствителен к неоднородности снега или льда. Атмосферное излучение на 85 ГГц гораздо более сильное, чем на 19 и 37 ГГц, особенно в присутствии оптически тонких облаков. Вклад атмосферы корректируется путем использования простой модели переноса излучения; для каждого пикселя делается расчет атмосферных поправок, исходя из 11 типовых видов полярных атмосфер. В итоге алгоритм NASA Team 2 позволяет повысить точность оценки сплоченности льда.

Свои недостатки и преимущества в зависимости от времени года и конкретной ледовой обстановки имеют и остальные из перечисленных алгоритмов.

Важно отметить, что микроволновые радиометры в настоящее время позволяют автоматически ежесуточно различать границу льда и общую сплоченность морского льда в течение сезонных периодов вне летнего таяния и осеннего замерзания. Однако автоматическая оценка сплоченности многолетнего льда все еще нестабильна и менее точна, чем оценки, основанные на экспертном анализе SAR или видимых/ИК изображений. В периоды летнего таяния и осеннего замерзания величина ошибок для автоматически получаемых продуктов увеличивается в два раза и более ( Andersen, Tonboe et al.,2007 ). Для снижения погрешности необходима дополнительная экспертная проверка качества последовательных серий информационных продуктов.

Возраст льда. Спутниковые наблюдения в различных диапазонах спектра позволяют определить возрастной состав льда – важнейшую характеристику ледяного покрова. При этом по изображениям видимого диапазона опытный ледовый эксперт может при визуальном анализе определить до 8 градаций развития (возраста) льдов; причем ниласовые и молодые льды разделяются на несколько возрастных градаций, а более старые льды объединяются в одну категорию, не разделяемую по градациям. По ИК-изображениям могут быть определены толщины ниласовых, молодых и однолетних тонких и средних льдов. По радиолокационным изображениям дешифрируются старые льды. В условиях Арктики в зимний период диагностировать возрастной состав льдов можно путем совместного использования ИК– и СВЧ-диапазонов.

Автоматизированные методы картирования морских льдов по возрастным градациям с использованием радиолокационных данных. Технологии использования данных микроволнового диапазона для картирования льда по возрастным градациям развиваются с 1980-х гг. Одна из первых методик оперативного картирования ледовой обстановки была разработана для российского ИСЗ «Океан», единственного на тот период спутника, оснащенного радиолокатором бокового обзора. В процедурах картирования применялся как метод визуальной экспертной интерпретации изображений, так и алгоритмы автоматизированной количественной оценки льдов ( Александров, Лощилов, 1985; Александров и др., 1989 ). Данные спутника «Океан» широко использовались в ААНИИ для ежедневного анализа оперативной ледовой обстановки по изображениям на отдельных орбитах и для составления еженедельных композитных ледовых карт для всей трассы СМП ( Асмус и др., 2002; Бушуев и др., 2004 ).