Способ определения состояния ледяного покрова Советский патент 1993 года по МПК G01W1/08 

Изобретение относится к определению параметров метеорологически обусловленного состояния водной поверхности и поверхности сушки с использованием комбинации из нескольких способов дистанционного зондирования с помощью электромагнитных волн разных диапазонов частот, а точнее - с использованием способов дистанционного зондирования с аэрокосмических носителей, и наиболее эффективно может быть использовано при оперативном определении характеристик таких типов подстилающей поверхности, как ледяной покров в осенний и весенний периоды в районах морского судоходства, снежный покров на почве в период его весеннего таяния и др.

Известен способ определения параметров подстилающей поверхности, заключающийся в построении фотоизображений

подстилающей поверхности, соответствующих результатам зондирования с аэрокос- мических носителей, осуществляемом, например , радиолокатором бокового разрешения (длина волны около 3 см), причем характеристики подстилающей поверхности определяют путем визуального анализа полученных фотоизображений.

Недостатком известного способа является низкая достоверность оперативного определения характеристик из-за невозможности (в ряде случаев) однозначно отличить по радиолокационным изображениям взволнованную водную поверхность от разреженного многолетнего льда, спокойную водную поверхность от тонких сплоченных молодых типов льда (например, ниласа), смешанные поля льдов разных возрастных категорий от многолетнего льда, лед, ма поверхности которого находится свежевыпавший снежный покров, от молодых льдов и

др.

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ определения состояния ледяного покрова, включающий получение спутниковых радиолокационных снимков и снимков в оптическом диапазоне длин волн.

Несмотря на более высокую достоверность определения параметров подстилающей поверхности указанным способом по сравнению со способом, в ряде случаев он также не позволяет однозначно и достоверно распознать такие параметры поверхности; как частную сплоченность многолетнего льда (при наличии форм молодого льда), размеры которого не превышают размеров элемента разрешения средств дистанционного зондирования (например, 1-2 км для РЛС БО и оптических сканеров малого разрешения, установленных на ИСЗ), полностью, не определяются параметры поверхности в случае, когда на ней находится слой влажного мокрого снега, либо наблюдается относительно быстрая изменчивость метеорологических условий, приводящая к изменению излучательных и отражательных характеристик поверхности (например, в процессе осеннего роста толщины молодого льда, изменении условий дрейфа льда, при торошении или при появлении большого количества замерзающих трещин и т.д.).

; В общем случае этот способ не обеспечивает достоверное определение характеристик поверхности при изменяющихся сложных метеорологических условиях и в условиях быстрой изменчивости отражательных и излучательных характеристик подстилающей поверхности.

Целью изобретения является повышение достоверности при определении возраста и сплоченности льда в весёине-осенний .период.

Цель достигается тем, что в способе определения состояния ледяного покрова, включающем получение спутниковых радиолокационных снимков в оптическом диапазоне длин волн, в момент получения радиолокационных снимков устанавливают наличие облачности теплых фронтальных зон по снимкам в оптическом диапазоне длин волн, и, если она имеет место, то проводят повторную радиолокационную съемку в условиях, соответствующих полному изменению метеорологических .условий в исследуемом районе.

На фиг,1 приведен график изменения удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) (на длине волны 3 см) морского льда

различных возрастных градаций; на фиг.2 - график изменения радиояркостной температуры (на длине волны 0,8 см) морского льда различных возрастных градаций; на

фиг.З - пример регистрируемых изображений средств дистанционного зондирования; радиолокационного (а), радиометрического (б) и оптического (в) с нанесенными границами со второй карты схемы (пунктир на а, б).

Конкретный пример реализации способа приведен применительно к определению характеристик морского льда по информации наиболее перспективных для этих целей средств дистанционного зондирования,

содержащих радиолокатор бокового обзора (РЛС БО) (длина волны 3 см, размер элемента разрешения 1-2 км), сканирующий радиометр (РМ) сверхвысокочастотного диапазона (длина волны 0,8 см, размер элемента разрешения 20 км), и сканер оптического диапазона (длина волны - 0,9 мкм, размер элемента разрешения 2 км), которые устанавливаются на ИСЗ типа Космос - 1500.

Способ реализуется следующим образом.

В процессе пролета ИСЗ над исследуемой поверхностью совмещенная в пространстве и во времени информация РЛС

БО, РМ и оптического сканера принимается на.наземном пункте приема (например, в г. Москве) и регистрируется на фотоносителе (с помощью фототелеграфного аппарата) или на магнитной ленте. .В последнем случае для визуализации информации она выводится на дисплей (например, устройства Perecolor-2000).

Общая зависимость принятых сигналов РЛС БО и РМ от параметров ледяного покрова является достаточно сложной, т.к. в пределах элемента разрешения каждого прибора находятся смешанные поля льдов разного возраста. Например, для случая, когда на поверхности ледяного покрова отсутствует влажный снежный покров, а атмосфера ясная и безоблачная, выражения для эффективности плош,ади рассеяния о определяемой по РЛС БО, и эффективной радиояркостной температуры Т, определяемой по радиометру, можно представить в виде:.

(7«SrO° +S2-og +Ј3 .08 + S4- СЙ;(1) Т §1-Т1 + §2 Т2 + Зз-Тз + S4 Т4 , (2)

где Si, Si - частная сплоченность, в пределах элементов разрешения соответственно РЛС БО (Si) и РМ (Si), многолетнего (I 1), однолетнего (i 2) и молодого (I 3) льда, и относительная площадь открытой воды (i

4); (tf , TI - удельная эффективная площадь рассеяния и радиояркйстная температура i-ro типа поверхности. Причем для Si и Si выполняются соотношений:

-ЙГ-2 S b2 s, i.2s, i. (3)

UPM j 1| j

где Зрл/Зрм - соотношение между площадями элементов разрешения РЛС БО и РМ; М {3рм/5рл - целое число элементов разрешения РЛС БО, площадь которых равна площади элемента РМ. Например, для рассматриваемого типа аппаратуры имеем N 225 км2/3,25 км2 70. Поскольку в общем виде система уравнений (1) и (2), имеющая по 4 неизвестных (Si и соответственно Si, i 1, 2, 3, 4) и 4 непостоянных

параметра ( о§ , с# Дз и Т/) оказывается однозначно не разрешима, для определения значений искомых параметров St и Si воспользуемся второй картой-схемой, имеющей масштаб, равный масштабу принятых изображений, на которую нанесено предшествующее состояние исследуемой поверхности. В случае определения характеристик морского льда в качестве первого варианта второй карты-схемы можно воспользоваться картами состояния ледового покрова за предшествующую декаду месяца, которые строятся в Гидрометцентре по обобщенным данным ледовой авиаразведки (для Арктического бассейна). Для Антарктических льдов наиболее целесообразно в качестве первого варианта карты- схемы использовать карту распределения льдов различного возраста; отражающую среднее за многие годы его распределение, наблюдаемое на дату (или декаду месяца) каждого, года, соответствующую текущему измерению.

На радиолокационном (фиг.За) и радиометрическом (фиг. 36) изображениях области морского льда с близкими (по соотношению льдов разного возрастного составам их частной сплоченности) характеристики изображаются как однотонные области. Тон этих областей зависит в основном от динамики изменения толщины молодого льда, появления разводий, трещин и торосов, изменяющих частную сплоченность льдов разного возрастного состава, Поэтому области льдов примерно одинакового возрастного состава, изображаемые на второй карте-схеме, на радиолокационных изображениях оказываются также однотонными и заметно контрастируют с областями льдов другого возрастного состава.

Эта особенность радиолокационных (а также частично и радиометрических) изображений позволяет однозначно выделять на полученных текущих изображениях од- 5 нотонные области, в пределах которых находятся льды одинакового возрастного состава, который определяется по второй карте-схеме. Кроме того, морские льды подвижны. Причем средняя скорость дрейфа

0 льдов, например, Арктического бассейна,- составляет от единиц до нескольких десятков км за сутки. Поэтому, для правильного определения на текущих изображениях од-. неродных областей с известными (по второй

5 карте-схеме) возрастными характеристиками, целесообразно использовать следующую последовательность действий.

На текущие изображения наносят (например, вручную) контуры однородных со0 стоянийледяного покрова, соответствующие второй карте-схеме. Для однородных областей, имеющих форму, подобную нанесенным контурам, определяют различные ALi в положении их границ (т.е.

5 смещение). Если смещение AL не превышает максимально допустимого (за период между поступлением текущей и предшествующей информации) смещения ALmax то области на второй карте-схеме и текущих

0 изображений считаются опознанными. При этом максимально допустимое смещение ALmax для дрейфующих Арктических льдов составляет примерно 20-30 км за сутки (или, в масштабе изображения 1:30 000 000, это

5 составляет ALmax 1 мм за сутки или 10 мм за 10 суток).

После того, как полностью идентифицированными оказались одна или Две области на текущем изображении поверхности и

0 второй карте-схеме, определяется направление и средняя величина смещения между зтими областями. С учетом полученных значений среднего смещения и направления, границы предшествующего положения об5 ластей, занесенные на текущую информацию, смещают для более точного соответствия, Это необходимо сделать для точной идентификации, так как в ряде случаев на текущей информации некоторые об0 ласти перестают различаться, хотя на второй карте-схеме они отличаются. Причинами такого могут быть следующие ситуации: при нарастании присутствующего в пределах области молодого льда (от ниласа

5 к серому льду) его отражательные характеристики становятся близкими характеристиками многолетнего льда; частичная сплоченность многолетнего льда резко уменьшилась (из-за появления ветровых

трещин и разводий); на поверхность нескольких областей многолетнего льда выпал влажный снег и т.д..

После проведения дополнительного совмещения границ однородных областей продолжают их идентификацию с областями на второй карте-схеме.

Как показал анализ полученной радиолокационной и радиометрической информации, для. правильного опознания соответствующих однородных областей, достаточно, чтобы вторая карта-схема была построена на момент времени, отличающийся от времени поступления текущей информации не более чем на 10 суток.

Для однозначно опознанных областей далее проводится расчет характеристик ледяного покрова, т.е. определение частной сплоченности льдов разного возраста. .-Л

Например, пусть в пределах распознанной на радиолокационном и радиометрическом изображениях однородной области, согласно второй карте-схеме имеются только разреженные многолетние (, ), однолетние (, ), либо молодые (8зХ), льды. В этом случае из (1) и (2) имеем:

„ g- ofl. of-08

® ..; Причем соотношение (4) наиболее точно определяет Si многолетнего льда (для

которого оЗ о а соотношение (5) - Si многолетнего, однолетнего и толстого молодого льда (для которых Тл Ti). То-есть радиолокационная и радиометрическая информация оказываются дополняющими друг друга при определении параметров льда...,-..

В случае, когда в пределах распознанной однородной области одновременно находятся сплоченные льды двух возрастных градаций, (Si, Sj, i j), соотношения (1) и (2) можно преобразовать к виду:

g-Sn(of-o3)-o3 oP-of

Si

(4)

Si

; (6)

s т-Зл(т,-то-Т4

5iTi-Tj )l)

л л л

где S л Si + S/, Sn Si + Sj - общая сплоченность льда в пределах элемента разрешения РЛС ЕЮ и РМ соответственно.

Соотношение (6) и (7) наиболее точно позволяют определить значения Si, Sj, Si и Sj для сплоченной (Sn 5Л « 1) совокупности многолетних м однолетних льдов. Поясним, что 5л 1 соответствует сплоченности 10 баллов.

В первом приближении значений 5л и 5л могут быть оценены по величине Si и данной области, отмеченной на второй кар5 те-с.хеме Зл

а-(

(Я - (Я

ч Т-Т4 ,

Ьл Ti - Т4

где eft Si of + Sj of ; Тл Si Ti + Sj Tj 0 Случай, когда в пределах распознанной однородной области одновременно находятся льды трех возрастных градаций, наиболее сложен. Однако и в этом случае использование второй карты-схемы за 5 предшествующий период в некоторых случаях позволяет определить характер изменения частной сплоченности молодых и старых льдов. Для этого необходимо оценить значения 03 и Тз из соотношений (1) и (2), подставив в них значения частной сплоченности льдов разных возрастных градаций, взятые для этой области из второй карты-схемы, и сопоставить полученные

5 значения о§ и Тз с характерной динамикой

их изменения, представленной на фиг.1 и 2.

Эффекты, маскирующие отражательные

и из.лучательные характеристики льдов

(влажный снежный покров, взволнованная

0 водная поверхность), выделяются последующему характерному признаку. На радиолокационном и радиометрическом изображении появляются резко выделяющиеся однотонные области, отсутствовав5 шме в предшествующий период, т.е. на второй карте-схеме. Кроме того, на оптиче- . ском изображении (фиг. Зв) в этих районах отмечается прохождение теплых фронтальных зон с возможными осадками в виде сне0 га и дождя. Как показал анализ информации РЛС БО, РМ и оптического сканера, в осенний весенний периоды в Арктике время существования (проявления) маскирующего эффекта составляет обычно несколько часов

5 и определяется скоростью изменения метеорологических условий. Вследствие этого, повторение операций способа через несколько часов, когда в указанных районах полностью изменится пространственное

0 распределение характеристик атмосферы, позволяет однозначно определить параметры подстилающей поверхности в пределах выявленных аномальных районов.

После определения всех характеристик

5 подстилающей поверхности строят карту- схему их распределения на текущий момент, которую далее передают потребителям.

Как показал анализ поступившей информации, выполнение данного способа указанным образом позволяет повысить достоверность определения характеристик подстилающей поверхности как при устойчивом состоянии атмосферы, так и при изменяющихся сложных метеорологических условиях. При этом в ряде случаев, когда в пределах однородных областей вблизи кромки воды лед представлял собой смесь молодого и однолетнего (с размером отдельных льдин не превышающих 100 м), способ обеспечил получение более точных (на 1-2 балла) значений частной сплоченности каждого типа льда. Кроме того, были выявлены и однозначно распознаны случаи маскирования влажным снежным покровом характеристик многолетнего льда севернее земли Франца-Иосифа и севернее острова Врангеля.

Использование способа, например, при планировании-и проведении морских операций по Севморпути, могут значительно сократиться затраты топлива и времени на проведение каждого каравана судов в период осенне-зимней и весенней навигации.

Другой областью применения способа может являться определение состояния и влажности почвенного покрова в период весеннего схода снега и сева. В этом случае в

качестве медленно изменяющихся параметров используются данные о пространственном положении снежного покрова и полностью открытых почв, а определяться могут такие быстро изменяющиеся параметры как относительное покрытие почв снегом, влажность верхнего слоя открытых почв, типа осадков (дождь, сухой или влажный снег) и районы их выпадения и др.

Формула изобретения Способ определения состояния ледяного покрова, включающий получение спутниковых радиолокационых снимков в оптическом диапазоне длин волн, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности при определении возраста и сплоченности льда в весенне-осенний период, в момент получения радиолокационных снимков устанавливают наличие облачности теплых фронтальных зон по снимкам в оптическом диапазоне длин волн и если она имеет место, то проводят повторную радиолокационную съемку в условиях, соответствующих полному изменению метеорологических условий в исследуемом районе.

l 1

1

1

II и

1