Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 1. С. 9-27
Проблемы использования данных космической радиолокационной съёмки при решении задачи автоматизации ледового картирования
Е.В. Афанасьева
1, 2 , Ю.В. Соколова
1, 2 , В.В. Тихонов
2, 3, 1 , Д.М. Ермаков
2, 4 1 Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия
2 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
3 Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, Россия
4 Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Фрязино, Московская обл., Россия
Одобрена к печати: 23.11.2023
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-1-9-27
В связи с активным развитием Северного морского пути (СМП) в настоящее время предъявляются новые требования к системе специализированного гидрометеорологического обеспечения (СГМО) судоходства в Арктике. Эти требования предполагается выполнить, в частности, за счёт внедрения в систему СГМО автоматизированных технологий, в том числе алгоритмов классификации ледяного покрова по данным дистанционного зондирования Земли из космоса. Для нужд оперативного СГМО данные космической радиолокационной съёмки выступают приоритетным и зачастую единственным источником информации о ледяном покрове Арктики. Соответственно, значительная часть методик, предлагаемых в настоящее время для автоматизации ледового картирования, основана на применении алгоритмов классификации именно к радиолокационным изображениям. Наряду с преимуществами, такими как всепогодность и независимость от условий естественной освещённости, этот вид данных имеет ряд особенностей, пренебрежение которыми может приводить к ошибкам анализа и, следовательно, планирования морских операций. В работе рассмотрены особенности данных радиолокационной съёмки, которые усложняют задачу автоматизации ледового картирования. Приведено обоснование необходимости экспертного контроля при использовании методов автоматического анализа. На основе выполненного обзора научной литературы сделан вывод, что оптимальным представляется совмещение экспертного анализа и автоматизированных технологий с ведущей ролью эксперта.
Ключевые слова: морской лёд, Северный морской путь, арктическое судоходство, специализированное гидрометеорологическое обеспечение, ледовое картирование, радиолокационная съёмка из космоса
Полный текстСписок литературы:
- Арикайнен А. И. Судоходство во льдах Арктики. М.: Транспорт, 1990. 247 с.
- Атлас ледяных образований: метод. пособие / под ред. Смоляницкого В. М. СПб.: ААНИИ, 2018. 230 с.
- Афанасьева Е. В., Алексеева Т. А., Соколова Ю. В. и др. Методика составления ледовых карт ААНИИ // Российская Арктика. 2019. № 7. С. 5–20. DOI: 10.24411/2658-4255-2019-10071.
- Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами / пер. с англ. З. И. Фейзулина, А. Г. Виноградова, Л. А. Аперсяна. М.: Мир, 1986. 664 с.
- Бушуев А. В., Быченков Ю. Д., Лощилов В. С., Масанов А. Д. Исследование ледяного покрова с помощью радиолокационных станций бокового обзора (РЛС БО): метод. пособие. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 120 с.
- Бушуев А. В., Грищенко В. Д., Масанов А. Д. Дешифрирование морских льдов на радиолокационных спутниковых снимках // Исслед. Земли из космоса. 1985. № 3. С. 9–15.
- Верба В. С., Неронский Л. Б., Осипов И. Г., Турук В. Э. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования / под ред. Вербы В. С. М.: Радиотехника, 2010. 680 с.
- Захаров А. И., Яковлев О. И., Смирнов В. М. Спутниковый мониторинг Земли: Радиолокационное зондирование поверхности. М.: ЛЕНАНД, 2022. 248 с.
- Йоханнессен О. М., Александров В. Ю., Фролов И. Е., Сандвен С., Петтерсон Л. Х., Бобылев Л. П., Клостер К., Смирнов В. Г., Миронов Е. У., Бабич Н. Г. Научные исследования в Арктике. Т. 3. Дистанционное зондирование морских льдов на Северном морском пути: изучение и применение. СПб.: Наука, 2007. 512 с.
- Котляков В. М. Избранные сочинения. Кн. 1. Гляциология Антарктиды. М.: Наука, 2000. 432 с.
- Кузьмин П. П. Физические свойства снежного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1957. 180 с.
- Морской лёд: справоч. пособие / под ред. И. Е. Фролова, В. П. Гаврило. СПб.: Гидрометеоиздат, 1997. 402 с.
- Распоряжение Правительства Российской Федерации от 1 августа 2022 г. № 2115-р. М., 2022. 57 с.
- Руководство пользователя данными дистанционного зондирования Земли, получаемыми космической системой «Кондор-ФКА». М.: ГК «Роскосмос», АО «ВПК «НПО машиностроения», 2023. 112 с.
- Спутниковые методы определения характеристик ледяного покрова морей: практич. пособие / под ред. Смирнова В. Г. СПб.: ААНИИ, 2011. 240 с.
- Bingham A. W., Drinkwater M. R. Recent changes in the microwave scattering properties of the Antarctic ice sheet // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2000. V. 38. No. 4. P. 1810–1820. DOI: 10.1109/36.851765.
- Cheng A., Casati B., Tivy A. et al. Accuracy and inter-analyst agreement of visually estimated sea ice concentrations in Canadian Ice Service ice charts using single-polarization RADARSAT-2 // The Cryosphere. 2020. No. 14. P. 1289–1310. DOI: 10.5194/tc-14-1289-2020.
- Dierking W., Busche T. Sea ice monitoring by L-band SAR: An assessment based on literature and comparisons of JERS-1 and ERS-1 imagery // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2006. V. 44. No. 2. P. 957–970. DOI: 10.1109/TGRS.2005.861745.
- Hallikainen M., Winebrenner D. P. The physical basis for sea ice remote sensing // Microwave Remote Sensing of Sea Ice / ed. Carsey F. D. Book Ser.: Geophysical monograph 68. Washington, DC: American Geophysical Union, 1992. P. 29–46. DOI: 10.1029/GM068p0029.
- Hanesiak J. M., Yackel J. J., Barber D. G. Effect of Melt Ponds on First-Year Sea Ice Ablation — Integration of RADARSAT-1 and Thermodynamic Modelling // Canadian J. Remote Sensing. 2001. V. 27. No. 5. P. 433–442. DOI: 10.1080/07038992.2001.10854885.
- Kwok R. Identification of sea ice types in spaceborne synthetic aperture radar data // J. Geophysical Research. 1992. V. 97. No. C2. P. 2391–2402. DOI: 10.1029/91JC02652.
- Nghiem S. V., Kwok R., Yueh S. H., Drinkwater M. R. Polarimetric signatures of sea ice: 2. Experimental observations // J. Geophysical Research. 1995. V. 100. No. C7. P. 13681–13698. DOI: 10.1029/95JC00938.
- Onstott R. G. SAR and scatterometer signatures of sea ice // Microwave Remote Sensing of Sea Ice / ed. Carsey F. D. Book Ser.: Geophysical monograph 68. Washington, DC: American Geophysical Union, 1992. P. 73–104. DOI: 10.1029/GM068p0073.
- Sandven S., Johannessen O. M., Miles M. W. et al. Barents Sea seasonal ice zone features and processes from ERS-1 synthetic aperture radar: Seasonal Ice Zone Experiment 1992 // J. Geophysical Research. 1999. V. 104. No. C7. P. 15843–15857. DOI: 10.1029/1998JC900050.
- Scheuchl B., Cumming I., Hajnsek I. Classification of fully polarimetric single- and dual-frequency SAR data of sea ice using the Wishart statistics // Canadian J. Remote Sensing. 2005. V. 31. No. 1. P. 61–72. DOI: 10.5589/m04-060.
- Sea ice nomenclature. WMO sea-ice document No. 259. V. 1: Terminology and codes. Geneva: WMO, 2017.
- Sea-ice information services in the world. WMO sea-ice document No. 574. Geneva: WMO, 2019.
- Shokr M. E. Evaluation of second-order texture parameters for sea ice classification from radar images // J. Geophysical Research. 1991. V. 96. No. C6. P. 10625–10640. DOI: 10.1029/91JC00693.
- Shokr M., Sinha N. K. Sea ice: physics and remote sensing. Geophysical monograph 209. New Jersey: Wiley, 2015. 624 p.
- The SAR Handbook: Comprehensive Methodologies for Forest Monitoring and Biomass Estimation / eds. A. Flores, K. Herndon, R. Thapa, E. Cherrington. NASA, 2019. 307 p. DOI: 10.25966/nr2c-s697.
- Tikhonov V. V., Boyarskii D. A., Sharkov E. A. et al. Microwave Model of Radiation from the Multilayer “Ocean–atmosphere” System for Remote Sensing Studies of the Polar Regions // Progress in Electromagnetics Research B. 2014. V. 59. P. 123–133. DOI: 10.2528/PIERB14021706.
- Tikhonov V., Khvostov I., Romanov A., Sharkov E. Theoretical study of ice cover phenology at large freshwater lakes based on SMOS MIRAS data // The Cryosphere. 2018. V. 12. No. 8. P. 2727–2740. https://doi.org/10.5194/tc-12-2727-2018.
- Ulaby F. T., Long D. G. Microwave Radar and Radiometric Remote Sensing. Univ. Michigan Press, 2014. 984 p.
- Zakhvatkina N., Smirnov V., Bychkova I. Satellite SAR data-based sea ice classification: An overview // Geosciences. 2019. V. 9. Article 152. https://doi.org/10.3390/geosciences9040152.