научная статья по теме ОБНАРУЖЕНИЕ АРКТИЧЕСКИХ АЙСБЕРГОВ ПО СПУТНИКОВЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ РСА И ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ОБНАРУЖЕНИЕ АРКТИЧЕСКИХ АЙСБЕРГОВ ПО СПУТНИКОВЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ РСА И ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 3, с. 44-55

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ

УДК 551.521

ОБНАРУЖЕНИЕ АРКТИЧЕСКИХ АЙСБЕРГОВ ПО СПУТНИКОВЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ РСА И ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ © 2008 г. В. Ю. Александров*, В. А. Волков, С. Сандвен, М. Бабикер, К. Клостер

Международный Центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена, Санкт-Петербург Центр по окружающей среде и дистанционному ззндированию им. Нансена, Берген, Норвегия *Тел.: (812) 324 51 03; e-mail: Vitali.Alexandrov@niersc.spb.ru Поступила в редакцию 09.07.2007 г.

Проанализирована возможность идентификации айсбергов по изображениям видимого диапазона, полученных сенсорами ИСЗ Landsat, "Монитор-Э", Terra, Aqua (ASTER и MODIS), а также по спутниковым изображениям радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) для условий нахождения айсбергов на открытой воде, в припае и среди дрейфующих льдов. Оценена информативность спутниковых изображений различного типа применительно к задачам обнаружения арктических айсбергов и определены признаки для их выделения на изображениях. Предложены технологические схемы комбинированного использования спутниковой информации различного типа в зависимости от ледовых и гидрометеорологических условий в районе исследований.

ВВЕДЕНИЕ

Важность исследования айсбергов в Арктике определяется не только чисто научным интересом, но и в связи с освоением арктической шель-фовой зоны, поскольку они представляют угрозу для мореплавания, нефтяных и газодобывающих платформ и подводных коммуникаций. Айсберги, зарождающиеся в пределах российской Арктики, откалываются от выводных ледников, расположенных на Шпицбергене, Земле Франца-Иосифа (ЗФИ), Новой Земле и Северной Земле, и выносятся либо в Арктический бассейн, либо на юг — в моря Баренцево, Карское и Лаптевых, где тают в течение нескольких лет [1]. Наибольший айсберговый сток имеет ЗФИ. Крупные айсберги откалываются от ледников, расположенных на Земле Георга и Земле Вильчека, и, как правило, находятся на мелководьях вблизи фронта выводных ледников [2]. Айсберги длиной в несколько сот метров и высотой 60—100 м наблюдались в проливах ЗФИ: Британском Канале, Кэмбридж, Ермак, Австрийском, Зубова и ряде других. Также одним из основных источников айсбергов в Баренцевом море является Шпицберген, в частности, ледники Негрибреен, Стонебреен и Бра-свелльбреен на Северо-Восточной Земле [3]. Айсберги, образующиеся на архипелаге Новая Земля, в основном, тают во фьордах и редко наблюдаются в открытом море [4].

Айсберги в евразийских арктических морях значительно меньше антарктических и гренландских. Так, в Баренцевом море, по данным судовых наблюдений их средняя длина и ширина состав-

ляют 64 и 46 м, а по данным самолетных ледовых разведок — 103 и 16 м, а их максимальные размеры соответственно 180 и 30 м и 700 и 50 м [5].

Количество наблюденных айсбергов характеризуется значительной межгодовой и сезонной изменчивостью. За период наиболее регулярных наблюдений с 1936 по 1993 г. наибольшее их количество наблюдалось в 1955, 1960, 1987 и 1991 гг. [5]. В районе ледника Брасвельбреен аномально большое количество айсбергов (более 100) наблюдалось в 1937 г. [6], а также в 1987 и 1988 гг. В 1988 г. было зафиксировано около 200 айсбергов в восточной части Шпицбергенской банки, 50—60 из которых сидели на мели [3, 7]. В августе 1989 г. во время российско-норвежской экспедиции на борту научно-исследовательского судна (НИС) "Академик Шулейкин" наблюдалось 62 айсберга, из них 28 — в западной части Баренцева моря, главным образом вокруг о-ва Хопен и Земли Короля Карла [8]. В конце августа этого же года было зафиксировано 17 айсбергов в районе Земли Короля Карла. В июле—августе 1990 г. во время рейса норвежского гидрографического судна "Лансе" ("Lance") наблюдалось около 350 айсбергов, причем наибольшее количество (192) — между 38° и 48° в.д. [9]. В июле—августе того же года во время рейса НИС "Профессор Мультановский" в Баренцевом море было зафиксировано 45 айсбергов и обломков айсбергов, причем наибольшее их количество было отмечено в районе кромки к северу от 78.5° с.ш. [10]. В рейсе "Лансе" в августе 1991 г. наблюдалось 59 айсбергов, десять из которых имели длину больше 100 м [11]. В августе 1993 г. в общей сложности 23 айсберга с размерами от 30 до 200 м было

отмечено в районе ЗФИ, а в мае 2003 г. большое количество их было обнаружено в районе, прилегающем к Штокмановскому газоконденсатному месторождению [12, 13]. Их средний размер составил 72 х 120 м, а максимальный — 190 х 430 м.

Из приведенных примеров видно, что распространение айсбергов в арктических морях неравномерно, и районы, где они наиболее часто встречаются, тяготеют к выводным ледникам. В то же время айсберги могут наблюдаться и на значительном удалении от них. Пятидесятиметровая изобата располагается относительно близко от берегов большинства арктических архипелагов и только на отдельных участках (например, в восточной части ЗФИ) глубины у берегов могут быть существенно больше. Поэтому айсберги и обломки айсбергов с осадкой менее 50 м дрейфуют по всей акватории Баренцева и Карского морей [14] в соответствии с генеральной схемой циркуляции вод и льдов. Траектории их дрейфа, на которые оказывают влияние океанические течения, приливы, ветер и рельеф дна, имеют сложный характер и представляют собой сумму поступательного и вращательного движения.

Цель данного исследования — оценка возможности обнаружения айсбергов различных размеров среди водной поверхности, припая и дрейфующего льда по спутниковым РСА-изображениям на основе сравнения с данными подспутниковых наблюдений и изображениями высокого разрешения видимого диапазона.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО

ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АЙСБЕРГОВ

Айсберги хорошо идентифицируются по изображениям высокого пространственного разрешения видимого диапазона со спутников Landsat, Terra, "Монитор-Э" и другим, полученным в светлое время при отсутствии облачности. Из многоспектральных изображений Landsat-TM (Thematic Mapper), покрывающих площадь размером 183 х 182.8 км с разрешением 30 м, наиболее информативным является четвертый канал с длиной волны 0.8 мкм [2]. При размере айсбергов, близком к разрешению датчика, их идентификация затруднительна, а при минимальном размере, соответствующем 2—3 пикселам изображения (60—90 м), они идентифицируются с использованием одного из следующих признаков: наличие тени; светлое пятно — отражение света от обращенной к Солнцу части айсберга; текстура крупных столообразных айсбергов; наличие разводья вблизи айсберга из-за его движения относительно льдов.

На проявление этих признаков влияют погодные условия, в первую очередь, облачность, а так-

же высота Солнца, определяющая длину тени от айсберга и контраст между освещенной стороной айсберга и окружающей его поверхностью. Айсберги лучше обнаруживались ранней весной, когда они были окружены ровным льдом и имели длинную тень из-за малых углов Солнца [2]. Ценную дополнительную информацию для обнаружения айсбергов дают оставляемые ими следы в морском льду, имеющие форму эллипса [7], вызванные приливными течениями или инерционными движениями.

Можно предположить, что по изображениям видимого диапазона с других спутников также могут быть обнаружены айсберги размером, в 2—3 раза превышающим их пространственное разрешение. Поэтому по панхроматическим изображениям российского спутника "Монитор-Э", имеющим разрешение 8—10 м, будут обнаруживаться айсберги размером больше 20—25 м, а по многозональным, имеющим разрешение 20 м — больше 40—50 м. По изображениям сканера ASTER с разрешением 15 м будут идентифицироваться айсберги размером более 30—35 м, а по изображениям MODIS со спутников Terra и Aqua, имеющим пространственное разрешение 250 м, — более полукилометра. Айсберги таких размеров в Арктике встречаются достаточно редко, однако они могут представлять наибольшую опасность для буровых платформ и подводных коммуникаций.

Возможность обнаружения айсбергов по радиолокационным изображениям зависит от разности их удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) и УЭПР окружающей водной поверхности или морского льда, которая, в свою очередь, зависит от длины волны, поляризации, используемой на передачу и прием излучения, и угла зондирования. На радиолокационных (РЛ) изображениях они имеют вид точек или небольших пятен, яркость которых значительно превышает яркость изображения многолетних льдов [15—17]. На возможность их обнаружения по изображениям, полученным радиолокатором с синтезированной апертурой (РСА), влияют следующие факторы: 1) размер, форма и ориентация айсберга; 2) характеристики его поверхности — наличие торосов, углублений, трещин; 3) внутренние неоднородности (включения воздушных пузырьков и обломков пород); 4) наличие пресной воды на поверхности; 5) наличие действительной или кажущейся тени; 6) состояние окружающей айсберг поверхности моря или ледяного покрова; 7) наличие пространства воды за айсбергом при обтекании его льдом; 8) наличие следа в дрейфующем льду; 9) наличие волнового следа. При скорости ветра менее 5 м/c или более 11 м/с и отсутствии морского льда по РСА-изображени-ям спутника ERS-1 можно обнаружить практически все айсберги длиной более 120 м, три четверти средних (60—120 м) и около половины мелких

Рис. 1. Фрагмент изображения ENVISAT ASAR Wide Swath (поляризация ГГ) северо-восточной части Баренцева моря за 15 сентября 2006 г. (а) и карта распределения айсбергов к югу от ЗФИ, полученная при анализе изображения ENVISAT ASAR за 15 сентября 2006 г. (б).

айсбергов (15—60 м) [18]. Параметры РСА ERS-1 не оптимальны для решения этой задачи, и для этой цели лучше подходят РСА, работающие на ГГ-поляризации с большими углами зондирования, в частности, РСА Radarsat-1. В работе [19], были проанализированы изображения в режимах Wide (разрешение 25 м) и ScanSAR Narrow B (разрешение 50 м), полученные в мае—июне в районе Ньюфаундленда, и на основе сравнения с подспутниковыми данными, описаны типичные радиолокационные сигнатуры айсбергов. Показано, что ай

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком