ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 4, с. 3-11
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 551.521
ОЦЕНКА УЭПР МОРСКИХ ЛЬДОВ РАЗНОГО ВОЗРАСТА ПО РАДИОЛОКАЦИОННЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ СПУТНИКА ENVISAT
© 2008 г. В. Ю. Александров*, Н. Ю. Пиотровская
*Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена (Нансен-Центр),
Санкт-Петербург
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург *Тел.: (812) 324-51-03; e-mail: Vitali.Alexandrov@niersc.spb.ru Поступила в редакцию 01.08.2007 г.
Обобщены и проанализированы литературные данные об удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) основных видов морских льдов на ВВ-поляризации при угле падения 23°. По калиброванным изображениям ASAR WS ИСЗ Envisat, полученным на ГГ-поляризации, определены значения УЭПР основных видов морских льдов при угле падения 23° и получены зависимости УЭПР молодого, однолетнего и многолетнего льдов от угла падения. Разработана методология приведения УЭПР морских льдов к одному углу падения, которая позволяет получить равноконтрастное изображение по всей полосе обзора. Представлен пример скорректированного изображения ASAR WS ИСЗ Envisat.
ВВЕДЕНИЕ
Использование данных радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) для мониторинга морских льдов на трассе Северного морского пути началось в 1991 г. после запуска спутника ERS-1. В период 1991—1997 гг. Нансен-Центры в Бергене и Санкт-Петербурге провели ряд кампаний по демонстрации возможностей РСА для обеспечения навигации во льдах. РСА изображения спутников ERS-1/2 передавались в режиме квазиреального времени на ледоколы Мурманского морского пароходства и использовались для выбора пути во льдах. С запуском канадского спутника Radarsat в 1997 г. появилась возможность получения РСА-изображений с широкой полосой обзора, покрывающих большие площади по сравнению с изображениями ИСЗ ERS. Начиная с 2003 г. РСА-изображения спутника Envisat с широкой полосой обзора, которые можно получать на ГГ-и ВВ-поляризациях, используются для обеспечения навигации в западной части трассы Северного морского пути [1, 2].
По РСА-изображениям С-диапазона определяются основные параметры морских льдов — возраст, степень деформации, сплоченность, выделяются полыньи и разрывы, положение кромки льдов, границы припая и многолетнего льда и ряд других характеристик [1, 3, 4]. Основным прямым дешифровочным признаком является яркость радиолокационного изображения (РЛИ), определяемая удельной эффективной площадью рассеяния (УЭПР) морских льдов, которая может значительно изменяться в зависимости от вида льда, его форм и шероховатости поверхности. Величи-
на УЭПР (а0) также зависит от технических параметров радиолокатора, а именно частоты, поляризации и угла падения.
В ряде исследований представлены результаты определения УЭПР различных видов морских льдов на ВВ-поляризации для угла падения 23° по калиброванным РСА изображениям спутников ERS-1/2 [3, 5—9]. Основными особенностями изменения УЭПР с возрастанием толщины льда являются низкое обратное рассеяние начальных льдов и ниласа, его повышение для стадии серого льда и понижение для однолетнего льда. С началом нового замерзания рассеяние многолетнего льда (льда, который сохранился после летнего таяния) значительно увеличивается. Похожая зависимость характерна и для Х-диапазона [10, 11].
Для зондирования морских льдов, как правило, используются изображения ASAR WS ИСЗ Envisat на ГГ-поляризации. При их анализе необходимо принимать во внимание как поляризационные различия УЭПР морских льдов, так и ее зависимость от угла падения, который находится в диапазоне (16°—43°). Некоторые результаты сравнения УЭПР морских льдов на ВВ- и ГГ-поляриза-циях описаны в литературе. По данным работы [12], УЭПР начальных видов льда и ниласа, измеренные при помощи скаттерометра на ВВ- и ГГ-поляриза-циях (угол падения 35°), различаются незначительно. Средние значения а0 ледяного сала и ледяных игл составляли —27 дБ для ГГ- и —28 дБ для ВВ поляризации, блинчатого льда — 17 дБ для ГГ- и — 16 дБ для ВВ-поляризации, а светлого ниласа находится в диапазоне между —19 и —20 дБ для обеих поляризаций. В то же время УЭПР темного ни-
Таблица 1. Изображения ASAR WS ИСЗ Envisat, использованные для оценки УЭПР различных видов морских льдов
Дата 1 2 3 4 5 6 7 8 Число профилей
15.01.2006 3 2 - - 6 - 1 18 многолетний (3)
22.02.2005 4 3 - - - - 9 -
04.03.2005 - - 3 8 2 - - -
05.03.2005 - - - 4 10 5 2 -
06.03.2006 многолетний (2)
10.03.2005 - - 2 - - - 2 -
27.03.2005 - - 3 2 5 - 2 - однолетний (2)
29.03.2005 - - 2 - 3 6 - -
31.03.2006_161 1 - - - 4 - 1 - однолетний (3), молодой (1)
31.03.2006_175 вода(2)
01.04.2006_154 - - - - 8 - 2 - молодой (1)
01.04.2006_171 2 2 - 3 3 - - - молодой (1)
05.04.2006 1 3 - - 2 - - -
17.04.2006 - - - - - - 2 -
18.04.2006 - - - - 3 - - -
18.04.2005 - - 2 6 2 - - -
19.04.2006 - - - - 4 - 1 -
07.05.2006_165 вода (1)
Примечание. 1 — вода; 2 — начальные льды; 3 — нилас; 4 — молодой лед; 5 — однолетний лед; 6 — однолетний деформированный лед; 7 — припай; 8 — многолетний лед.
ласа на ГГ-поляризации (—24 дБ) превосходит его значение (—28 дБ) на ВВ-поляризации. По данным работы [13], а0 однолетнего льда на ГГ-поля-ризации по крайней мере на 5 дБ, а тонкого льда на 2—3 дБ меньше, чем на ВВ-поляризации (угол падения 40°). В работе [8] отмечается слабая зависимость УЭПР деформированного льда от угла падения и поляризации.
Для изображений ASAR ИСЗ Envisat характерно уменьшение яркости с увеличением дальности, обусловленное зависимостью УЭПР зондируемой поверхности от угла падения. По данным работ [13, 14], в зимний период в С-диапазоне на ГГ-по-ляризации различия УЭПР морского льда и спокойной водной поверхности возрастают, а многолетнего и однолетнего льдов мало изменяются с увеличением угла падения. По данным работы [6], с увеличением угла падения УЭПР ровного однолетнего льда на ВВ-поляризации уменьшается на (0.14—0.37) дБ/град, а многолетнего — на (0.03—0.1 дБ/град), что приводит к увеличению контраста между ними в дальней части полосы обзора.
Оценка УЭПР различных видов льда на ГГ-по-ляризации представляет несомненный интерес для совершенствования методов интерпретации РСА-изображений спутников Envisat и Radarsat. Целями данного исследования являются: 1) опре-
деление УЭПР различных видов морских льдов по калиброванным РСА-изображениям спутника Епу^за!; 2) оценка угловой зависимости УЭПР морских льдов и разработка методологии приведения УЭПР к одному и тому же углу падения с целью получения равноконтрастного изображения независимо от дальности.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ (ИЗОБРАЖЕНИЯ ASAR ИСЗ ENVISAT)
В работе анализировалась серия из 18 изображений ASAR WS Envisat полного разрешения (150 м при ширине полосы обзора 420 км) на ГГ-поля-ризации, полученных в различных районах Арктики зимой 2005 и 2006 гг. (табл. 1). При их дешифрировании использовались данные подспутниковых визуальных ледовых наблюдений и in situ измерений. УЭПР различных видов льдов определялись при угле падения 23°. Для уменьшения спе-кл-шума измерения в каждой точке усреднялись в квадрате (5 х 5) пикселов. Для получения угловой зависимости данные снимались по всей полосе обзора с шагом один градус.
КАЛИБРОВКА ИЗОБРАЖЕНИЙ
В процессе калибровки РСА-изображений значения яркости пикселов преобразуются в зна-
чения УЭПР морских льдов. Для изображений Envisat ASAR пересчет осуществляется по формуле [http://envisat.esa.int/handbooks/asar/CNTR2-11-5.htm]
о A
а° = -¡-sin (aD), (1)
к
где K - абсолютная калибровочная константа (Л2) - среднее значение яркости пикселa, а0 — УЭПР aD - угол падения, соответствующий данному пикселу. Полученные по этой формуле значения УЭПР являются функцией угла падения. После выполнения абсолютной калибровки главным фактором, ограничивающим выполнение точных измерений радиолокатором, является количество некогерентно накопленных импульсов, что связано с наличием спекл-шума [15].
АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Известно, что низкое обратное рассеяние, характерное для спокойной водной поверхности, увеличивается при возникновении слабого ветра, способного вызвать волнение [16], а при скорости ветра больше 4—5 м/с рассеяние водной поверхности становится выше, чем у морских льдов [17]. В оценках, полученных по изображениям ASAR ИСЗ Envisat для ограниченного диапазона изменения скорости ветра, УЭПР взволнованной водной поверхности (для угла падения 23°) изменялась от —7.7 дБ до —4.0 дБ.
Появление начальных видов льда, таких как ледяные иглы, ледяное сало, снежура и шуга, приводит к изменению обратного рассеяния водной поверхности. Ледяные иглы представляют собой суспензию игл или пластинок льда на водной поверхности, а при их смерзании, когда иглы и пластинки льда сгущаются и образуют толстый слой на поверхности воды, формируется ледяное сало. Ледяное сало сглаживает капиллярные волны и его УЭПР меньше, чем у окружающей взволнованной водной поверхности [1]. Значения УЭПР ледяного сала, полученные для шести участков на изображениях ASAR ИСЗ Envisat (ГГ-поляризация, угол падения 23°) изменялись в диапазоне от —17.5 дБ до — 12.0 дБ. Еще в двух случаях значения УЭПР ледяного сала в начальной стадии его формирования составили —7.43 и — 6.15 дБ, тогда как УЭПР окружающей взволнованной водной поверхности составляло около — 4.0 дБ. Эти значения значительно превышают приведенные в работе [12] данные, согласно которым средние значения а0 ледяного сала и ледяных игл на ВВ-поляризации при угле падения 35° составляют (—28 дБ). По данным работы [10], снежура и шуга имеют высокую отражательную способность в Х-диапазоне. В работе [7] также от-
мечаются высокие значения УЭПР начальных льдов в С-диапазоне на ВВ-поляризации (табл. 2). Поэтому можно предположить, что снежура и шуга имеют высокую УЭПР и на изображениях ASAR ИСЗ Envisat. В нашем случае УЭПР этих видов льда не определялись.
Нилас, представляющий собой тонкую эластичную корку льда, имеет низкую УЭПР в Х- и С-диапазонах из-за почти зеркального
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.