СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДРЕЙФА МОРСКИХ ЛЬДОВ
METHOD FOR DETERMINING SEA ICE DRIFT

Изобретение относится к области к гидрометеорологии, а более конкретно к определению дрейфа морских ледяных полей преимущественно в бассейне арктических морей.
Известен способ определения дрейфа морских льдов путем сопоставления характерных одинаковых деталей ледяного покрова на двух последовательных спутниковых изображениях (Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение/Иоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. СПб.: Наука, 2007, с.235-238). Недостатком способа является высокая трудоемкость, обусловленная обработкой фотографических изображений по визуальному выявлению характерных одинаковых деталей ледяного покрова.
В известном способе (Daida J., Samadani R. Object-oriented feature-tracking algorithms for SAR images of the marginal ice zone/IЕЕЕ Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1990, № 28(4), p.573-589) находят узловые точки на изображении низкого разрешения и используют их в качестве центров, около которых находятся узловые точки при более высоком разрешении, следуя по иерархии уровней. Способ применяется при анализе сплоченных льдов в центральных районах Арктики, однако в битых льдах и в случаях значительных углов поворота ледяных полей работает хуже.
Известен также способ (Cjllins M.J., Emery W.J. Computational method for estimating sea motion in sequential seasat synthetic aperture radar imagery by matched filtering//j. Geophys. Res. 1988. № 93(C8), p.9241-9251) определения дрейфа льдов, основанный на слежении за характерными деталями ледяного покрова. При этом на первом этапе выполняют сегментацию PCA-изображения и векторизацию границ сегментов. После этого сопоставляют сегменты на последовательных изображениях.
В известном способе (Vesecky J.F., Samadani R., Smith M.P., Daica J.M. et. al/IЕЕЕ Transaction on Geoscience and Remote Sensing. 1988. № 26(1), p.38-48) сопоставляют границы полей и разрывов, представленных в виде отрезков прямых линий.
В известном способе (McConnell R., Kwok R., Curlander J.C., Kober W. et. al. Psi-S correlation and dynamic time warp-ice: two methods for tracking ice floes in SAR images/IЕЕЕ Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1991, № 29(11), p.1004-1012) выполняют выбор некоторого сегмента на одном изображении и поиск наилучшего совпадения на повторном изображении путем перемещения по всем сегментам с похожими характеристиками и нахождения их одномерной кросскорреляции.
В известном способе (Banfield J. Automated tracking of ice floes: a stochastic approach/IЕЕЕ Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1991, № 29(6), p.905-911) используется стохастический подход для нахождения соответствия ледяных полей.
Известная оперативная система определения дрейфа льдов по PCA-изображениям (Banfield J. Automated tracking of ice floes: a stochastic approach/IЕЕЕ Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1991, № 29(6), p.905-911) включает комбинацию объектно-ориентированных и зонных методов для слежения за ледяными полями, которые могут перемещаться поступательно и поворачиваться в период между съемками. В центральной Арктике, где движение морских льдов является преимущественно поступательным, достаточно хорошие результаты получаются при использовании пространственной корреляции для нахождения одних и тех же участков изображения.
Однако с увеличением угла поворота льдин пик корреляции расширяется и в конечном итоге становится статистически незначимым. Поэтому для анализа изображений кромки льда в алгоритме предусмотрено слежение за характерными особенностями ледяного покрова и определение их идентичности путем одномерной кросскорреляции сегментов. Недостатком применения объектно-ориентированных подходов к PCA-изображениям является неточность выделения признаков изображения (границы каналов и полей, отдельные поля и т.д.) из-за спекл-шума и низкого контраста изображения.
В случае значительных углов поворота ледяных полей используется система полярных координат, в которой параметр поворота становится поступательным, что позволяет применить кросскорреляционный метод к преобразованному спектру мощности для определения угла поворота (Sun Y. Ice motion retrieval from SAR imagery in terms of intensive derivative//Proc. of the Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp., May 1992, Houston, Texas, USA, vol. 1 IEEE, Piscataway, NJ, 1992, p.585-587). После исключения относительного поворота пик кросскорреляции возрастает, что позволяет получить векторы перемещения первого порядка, определяющие движение льда как твердого тела (перемещение и поворот) (Sun Y. A new correlation technique for ice motion analysis//EARSeL Advances in Remote sensing, 1994, № 3(2), p.2489-2514).
При «нежестком» движении используют способ «оптического потока», в котором в отличие от объектно-ориентированных способов слежения проблема деформации решается посредством использования локальных частных производных значений яркости ((Sun Y. Ice motion retrieval from SAR imagery in terms of intensive derivative//Proc. of the Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp., May 1992, Houston, Texas, USA, vol. 1 IEEE, Piscataway, NJ, 1992, p.585-587). Основой этого алгоритма является использование пространственных и временных изменений яркости соседних точек для получения векторов перемещения. Способ применяется для получения данных о деформации льда при образовании ледяных торосов или разводий. Недостатком является, что при его применении нельзя восстановить поле дрейфа при нарушениях непрерывности движения.
При использовании кросс -корреляционного способа строится пирамида с различными уровнями разрешения изображения и кинематика льдов вычисляется на каждом уровне, начиная с самого низкого разрешения. Результаты одного уровня используются как начальные значения для следующего (более высокого) уровня. На каждом уровне применяется двумерный бинарный поиск в окне размером d и определяется смещение до d/2 пикселя вверх/вниз/вправо/влево. При этом выбирается пара блоков с наибольшей корреляцией, а соответствующее перемещение позволяет оценить дрейф льда. Для удаления ложных векторов после окончания бинарного поиска выполняется медианная фильтрация полученных векторов и каждый из них замещается медианой девяти векторов. При помощи вспомогательной программы векторы дрейфа могут наноситься на изображение.
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 (McConnell R., Kwok R., Curlander J.C., Kober W. et. al. Psi-S correlation and dynamic time warp-ice: two methods for tracking ice floes in SAR images/IЕЕЕ Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1991, №29(11), p.1004-1012), 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 решается путем использования карт состояния ледового покрова за предшествующую декаду месяца, которые строятся в Гидрометеоцентре 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 идентифицирование 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, изменении частичной сплоченности многолетнего льда из-за появления ветровых трещин и разводий или выпадении на поверхность нескольких областей многолетнего льда влажного снега. 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 заявляемого технического решения является повышение достоверности определения дрейфа ледовых полей, преимущественно в зонах нефтегазовых месторождений, оборудованных добычными платформами и погрузочными морскими терминалами.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения дрейфа морских льдов, включающем слежение за их перемещением с отображением на мониторе пути перемещения морских льдов, в котором слежение за перемещением морских льдов осуществляют относительно морского опорного пункта с известными координатами путем определения изменения координат ледовых полей, полученных посредством дрифтера, оснащенного приемопередатчиками спутниковой навигационной системы и гидроакустической навигационной системы, при отображении на мониторе пути перемещения льдов выявляют потенциально опасные ледовые поля, определяют дистанцию сближения и запас времени для принятия решения по локализации потенциально опасного ледового поля.
Применение дрифтеров, оснащенных приемником спутниковой навигационной системы и аппаратурой гидроакустического канала связи, в качестве навигационных маяков, расположенных на морской ледовой поверхности, позволяет определить путь движения ледовых полей (дрейф) относительно добычной платформы с большей достоверностью, так как при этом обеспечивается возможность реализации высокоточной навигации по сравнению с известными способами определения дрейфа морских льдов.
Очевидно, что расположение навигационного дрифтера на ледяной поверхности не требует проведения относительной и абсолютной калибровок полигона, который необходим при использовании ИСЗ, так как наличие у дрифтера спутникового навигационного приемника позволяет ему «знать» свои географические координаты в реальном масштабе времени с высокой точностью (не хуже 5 метров). Навигация дрифтера, находящегося на ледяной поверхности (ледовом поле) относительно добычной платформы осуществляется по гидроакустическому каналу связи как в режиме с длинной, ультракороткой базой (ДБ и УКБ), так и в комбинированном режиме ДБ/УКБ, а также по спутниковой навигационной системе.
Способ реализуется следующим образом.
По снимкам, полученным с ИСЗ, воспроизводят на мониторе изображения ледовых полей, находящихся в регионе размещения добычной платформы. На основе полученной информации производят топологический анализ возможных опасных областей и формируют необходимое число информационных массивов координат точек границ областей чрезмерного сближения для каждого ледового поля, формируют формуляр ледовых полей (номер цели, размер ледового поля, скорость и направление движения относительно добычной платформы). На основе анализа данных формуляра выявляют потенциально опасные ледовые поля, которые при сближении с добычной платформой могут нарушить безопасную эксплуатацию как самой добычной платформы, так и инфраструктуры месторождения (погрузочные морские терминалы, подходные судовые пути).
На потенциально опасные ледовые поля устанавливают дрифтеры, оснащенные спутниковыми и гидроакустическими навигационными каналами.
Дрифтер представляет собой телескопический цилиндрический сосуд, выполненный из макролона, выдерживающего высокие ударные нагрузки в условиях возможных подвижек ледовых полей под действием гидрометеорологических факторов.
В верхней части цилиндрический сосуд снабжен распорками, выполненными в виде набора игольчатых трактов, которые предназначены для обеспечения надежного закрепления дрифтера на поверхности льда. Дрифтеры размещают в заранее оборудованные лунки.
В верхней части дрифтера размещен приемопередатчик спутниковой навигационной системы, а в нижней части дрифтера размещено приемопередающее устройство гидроакустического средства.
Добычная платформа оснащается соответствующими режиму работ гидроакустическими приемопередающими антеннами и спутниковой навигационной системой, навигационным контроллером и навигационным программно-математическим обеспечением. Дрифтер работает в режиме «запрос-ответ» и в режиме «пингер» (маяк).
При решении навигационных задач с использованием гидроакустического канала при глубинах моря более одного километра целесообразно работать на частотах в диапазоне от 8 до 15 кГц, при этом энергетическая дальность связи с дрифтером будет достигать 10-14 км, а погрешность определения координат аппарата составит 7-10 метров в режиме ДБ и 0,3% от дальности в режиме УКБ и 0,5 град, по углу пеленгации. При глубине моря менее одного километра целесообразно использовать рабочие частоты в диапазоне 25-35 кГц и работать в режиме УКБ. При этом максимальная дальность связи будет достигать порядка 3 км.
Каждый сигнал дрифтера имеет специальный формат и кодировку и несет в себе информацию о географических координатах дрифтера (определенных посредством спутниковой навигационной системы), его индивидуальном номере, направлении и скорости его перемещения совместно с ледовым полем.
Передача гидроакустических сигналов на приемник гидроакустических сигналов, размещенный на добычной платформе, осуществляется в режиме «запрос-ответ» или режиме «пингер». Приемник фиксирует дистанцию и пеленг до дрифтера (режим УКБ) и вычисляет его точные географические координаты, используя информацию, принятую от спутниковой навигационной системы. Скорость передачи по гидроакустическому каналу связи составлять 9600-12400 бод.
На добычной платформе полученная от дрифтеров информация о дистанциях и пеленгах ледовых полей преобразуется с помощью преобразователя в цифровую форму и вводится в процессор для расчета скорости и направления движения дрифтеров совместно с ледовыми полями. При этом выполняется топологический анализ потенциально опасных ледовых полей по отношению к инфраструктуре месторождения. Определяется запас времени для принятия решения по локализации потенциально опасного ледового поля.
Промышленная реализация дрифтерной технологии и гидроакустических и спутниковых навигационных средств имеет достаточную апробацию, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического предложения условию патентоспособности «промышленная применимость».