ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 1, с. 44-52
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ ВНУТРЕННИХ ВОЛН НА СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЯХ И ОЦЕНКА ПЛОТНОСТИ
ПЕРЕМЕШАННОГО СЛОЯ © 2015 г. А. И. Алексанин*, В. Ким
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток *E-mail: aleks@iacp.dvo.ru Поступила в редакцию 14.02.2014 г.
В работе предлагается алгоритм автоматического обнаружения внутренних волн по спутниковым изображениям радиометров MODIS видимого спектрального диапазона. Алгоритм основан на преобразовании Хафа и работает пофрагментно. Рассмотрены источники ошибок распознавания внутренних волн и возможности отбраковки ложных объектов. При обнаружении цуга внутренних волн на одиночном изображении можно получить оценку волнового числа. Длина внутренних волн на изображениях, использовавшихся в экспериментах, лежала в диапазоне от 1300 до 2200 м. Скорость распространения внутренних волн оценивалась по паре смежных витков Aqua и Terra. Эти параметры были использованы для расчета плотностных характеристик перемешанного слоя на основе решений уравнения распространения внутренних волн в двухслойной среде со слоями постоянной плотности. Рассчитанные перепады плотности слоев, полученные по спутниковым данным, показывают хорошее соответствие со значениями in situ измерений.
Ключевые слова: внутренние волны, автоматическое обнаружение, спутниковые изображения, плотность морской воды
DOI: 10.7868/S0205961415010017
ВВЕДЕНИЕ
Обнаружение внутренних волн (ВВ) представляет интерес для изучения целого ряда явлений в приповерхностном слое океана. Волны влияют на теплообмен, динамику верхних слоев океана, распространение акустических сигналов, биопродуктивность и пр. (Степанюк, 2002; Osborn, Burch, 1980). Внутренние волны часто генерируются на границе перемешанного слоя и, достигая определенной амплитуды, могут проявляться на спутниковых изображениях в форме квазипараллельных полос или отдельных протяженных линий. Их проявления обусловлены тем, что, воздействуя на поверхность, они изменяют ее характеристики рассеяния света.
Исследованию проявлений ВВ по спутниковым изображениям посвящено значительное количество работ (Santo et al., 2005; Лаврова и др., 2009; Jackson et al., 2013). Разработаны методики расчета геометрических и динамических характеристик ВВ. Рассматриваются структурные особенности проявлений волн на изображениях поверхности моря и их связь с физическими характеристиками приповерхностного слоя, влиянием ветра и орографией. В частности, существуют возможности оценки плотностных характеристик квазиодно-
родного слоя по спутниковым микроволновым изображениям локаторов с синтезированной апертурой на основе двухслойной модели океана, где каждый слой имеет постоянную плотность. Интересные результаты использования спутниковых данных для изучения ВВ описаны в работе (Zhao et al., 2004), где оцениваются плотностные параметры перемешанного слоя океана на основе микроволновых данных Radarsat-1 и подспутниковых измерений, проведенных в апреле—мае 2001 г. в рамках программы ASIAEX. Было продемонстрировано, что внутренние солиноидальные волны в рамках двухслойной модели океана должны менять свою полярность при совпадении глубин слоев. В таких точках меняется профиль контрастов яркостей изображения поперек фронта внутренней волны, если его прослеживать вдоль фронта. В точках фронта, когда глубина одного слоя, например верхнего, больше другого, профили похожи, но они резко меняются, когда соотношение глубин меняется на противоположное. Подробное описание причин и физики этого явления можно найти в работе (Серебряный, 2012). Знание скорости распространения ВВ и обнаружение точек смены полярности (все это можно обнаружить по спутниковым изображениям) позволяют восстановить как глубину перемешанного слоя, так и
разницу плотностей слоев. К сожалению, обнаружение точек смены полярности явление редкое. В работе (Li et al., 2000) использовались решения волнового уравнения для описания эволюции ВВ в двухслойной модели океана и геометрические характеристики волн, оцененные по спутниковым изображениям Radarsat-1. Было показано, что если использовать знание климатических характеристик разниц плотностей двух слоев, то рассчитанные глубины перемешанного слоя имеют хорошее соответствие с измеряемыми величинами. Обнаружение и локализация ВВ на спутниковых изображениях производились визуально, также вручную были произведены измерения их геометрических характеристик. Интересна проблема автоматического выделения и расчета геометрических характеристик с возможностью оценки плотностных характеристик перемешанного слоя.
Исследования проявлений ВВ на спутниковых изображениях проводятся в основном на основе визуально-ручного дешифрирования, так как задача автоматического распознавания сложна. Есть несколько работ, посвященных автоматизации обнаружения ВВ. В работе (Rodenas, Gorello, 1998) для их обнаружения были использованы вейвлет-преобразование и преобразование Радона. Последнее позволяет перейти от поточечного обнаружения линий к интегральному, что существенно повышает помехоустойчивость алгоритма обнаружения для прямых линий. Вейвлет-преобразова-ние в данной работе можно рассматривать как предобработку, направленную на обнаружение и подчеркивание локальных контрастов. В работе (Simonin et al., 2009) для обнаружения ВВ используются вейвлет-анализ и методы выделения границ. Выделенные фрагменты границ затем подвергаются отбраковке и слиянию на основе алгоритма, накладывающего ограничение на кривизну аппроксимирующей линии. В существующих работах не рассматриваются проблемы фильтрации ложно выделенных объектов, чьи проявления на изображениях напоминают ВВ. Также не рассматривается проблема автоматического прослеживания ВВ по последовательности изображений, что необходимо для расчета скоростей их распространения.
Определенный интерес могут представлять данные видимого диапазона радиометра MODIS ввиду возможности их ежедневного получения для произвольно выбранного района. В частности, в работе (Jackson, 2007) рассматривается возможность использования зон солнечных бликов на изображениях оптического диапазона MODIS для визуального обнаружения ВВ. В настоящей работе предпринимается попытка построения алгоритма автоматического обнаружения ВВ по спутниковым изображениям видимого диапазона радиометра MODIS. Рассматриваются проблемы надежности обнаружения ВВ, оценки их геомет-
рических характеристик, прослеживания ВВ на последовательности изображений. Применяется методика расчета плотностных характеристик квазиоднородного слоя по проявлениям ВВ и приводятся оценки точности их расчета посредством сравнения с CTD-измерениями.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И ПРИМЕНЯЕМАЯ МЕТОДИКА
В качестве исходных данных использовались изображения радиометров MODIS в видимом спектральном диапазоне с пространственным разрешением 250 м. Использовались изображения шельфовой зоны о-ва Хонсю за 2008—2012 гг. Отбирались участки изображений, свободные от облачности, на которых присутствовали проявления ВВ и которым соответствовали CTD-измерения из World Ocean Database (http://www.nodc.noaa.gov). Использовались только те изображения, ВВ на которых имели временное рассогласование с измерениями не более суток и пространственное рассогласование не более 50 км. Самым жестким оказалось требование наличия пары изображений со спутника Terra и со спутника Aqua для прослеживания ВВ (для оценки скорости их распространения). Были отобраны пары изображений этих двух спутников, с временным интервалом в пределах двух часов. Из них было только пять пар изображений, на которых присутствовали одни и те же внутренние волны. Данные пары и использовались в экспериментах. Для верификации алгоритма автоматического распознавания ВВ привлекались также изображения с разным уровнем искажающих изображения атмосферных помех (плотный неоднородный аэрозоль, полупрозрачная облачность) и изображения с проявлениями на них атмосферных процессов, по форме и размерам напоминающие проявления ВВ.
Для оценки плотностных характеристик перемешанного слоя проводился визуальный анализ вертикальных профилей плотности воды, рассчитываемых по CTD-измерениям. Оценивалиась глубина залегания перемешанного слоя и перепад плотности между слоями. Поскольку перемешанный слой в действительности не является однородным по плотности, то для оценки глубины его залегания использовалась следующая методика. Анализировалось уменьшение плотности воды от дна до поверхности, и выбиралась точка, предшествующая первому резкому уменьшению плотности. Данная точка бралась в качестве глубины перемешанного слоя h1. Поскольку слой ниже перемешанного был на всех измерениях более однородным по плотности, то для подтверждения правильности выбора глубины анализировались все существовавшие профили плотности в окрестности выбранного измерения. Перепад плотности между выбранной точкой и точкой у поверхности считался перепа-
дом плотности для перемешанного слоя Ар. Расстояние от выбранной точки до дна считалось глубиной второго слоя h2. Использовались данные о глубинах проекта GEBCO (General Bathy-metric Chart of the Oceans), доступные по адресу http://www.gebco.net. Предлагаемая процедура расчета плотностных параметров перемешанного слоя не является строго обоснованной — возможны разные схемы оценки параметров в условиях плотностной неоднородности слоев. Однако она соответствует двухслойной модели и является достаточно формализованной, чтобы избежать субъективности получения плотностных характеристик.
Для обоснования выбора методики автоматического обнаружения ВВ были использованы следующие положения. С точки зрения задачи обнаружения ВВ различие между микроволновыми данными и данными видимого диапазона будет заключаться в первую очередь в прозрачности облачности в микроволновом диапазоне. Данные видимого диапазона выигрывают в регулярности обзора заданного участка океана по сравнению с данными микроволнового диапазона, но их сложнее использовать для обнаружения ВВ. Существенной особенност
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.