RU2319205C1 - Method for determining thickness of ice in freezing water areas - Google Patents
Method for determining thickness of ice in freezing water areas Download PDFInfo
- Publication number
- RU2319205C1 RU2319205C1 RU2006117741/09A RU2006117741A RU2319205C1 RU 2319205 C1 RU2319205 C1 RU 2319205C1 RU 2006117741/09 A RU2006117741/09 A RU 2006117741/09A RU 2006117741 A RU2006117741 A RU 2006117741A RU 2319205 C1 RU2319205 C1 RU 2319205C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ice
- thickness
- temperature
- sections
- image
- Prior art date
Links
Landscapes
- Radiation Pyrometers (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Image Processing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области гидрологии и связано с определением толщины ледяного покрова замерзающих акваторий по данным дистанционных средств измерений, устанавливаемых на метеорологических ИСЗ, позволяющим по интенсивности собственного или отраженного излучения определять физические характеристики геофизических объектов. Интерпретация регистрируемых энергетических характеристик в физические характеристики объектов наблюдения и является процессом дешифрирования получаемой информации.The invention relates to the field of hydrology and is associated with determining the thickness of the ice cover of freezing water areas according to remote sensing instruments installed on meteorological satellites, which allow determining the physical characteristics of geophysical objects from the intensity of their own or reflected radiation. The interpretation of the recorded energy characteristics into the physical characteristics of the objects under observation is a process of deciphering the information received.
Проблема мониторинга толщины ледяного покрова является весьма актуальной с точки зрения обеспечения безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений в замерзающих акваториях в условиях воздействия на них ледовых образований; обеспечения плавания судов во льдах; решения задач взаимодействия атмосферы и океана при наличии ледяного покрова. Дистанционные методы исследований принципиально позволяют решить эту проблему, в особенности зондирование с ИСЗ. Поэтому для всех участков электромагнитного спектра, в которых может быть получена полезная информация о толщине льда акваторий, разрабатываются специальные методики. Ледяной покров акваторий имеет сложный физический состав, структуру и строение, изменчивые во времени и в пространстве в зависимости от окружающих условий, что не позволяет получать высокую точность измерений толщины льда с помощью дистанционных средств мониторинга, сравнимую с контактными методами. Кроме того, естественное осреднение измеряемой величины на локальном элементе разрешения аппаратуры приводит к результату, который можно назвать условной толщиной. В большинстве случаев с использованием дистанционных средств наблюдения, применительно к измерению толщины ледяного покрова, определяют некоторые произвольные различимые интервалы толщины, а также его возрастные градации. Как правило, различают следующие возрастные градации ледяного покрова: начальные и ниласовые (с толщиной h<10 см), молодые (с h=10÷30 см), однолетние тонкие (с h=30÷70 см), однолетние средней толщины (с h=70÷120 см), однолетние толстые (с h=120÷250 см), двухлетние и многолетние льды (с h>250 см).The problem of monitoring the thickness of the ice cover is very relevant from the point of view of ensuring the safe operation of hydraulic structures in freezing waters under the influence of ice formations on them; providing navigation of vessels in ice; solving the problems of the interaction of the atmosphere and the ocean in the presence of ice cover. Remote research methods fundamentally allow us to solve this problem, especially sounding with satellite. Therefore, for all sections of the electromagnetic spectrum in which useful information about the thickness of the ice in the water areas can be obtained, special techniques are being developed. The ice cover of the water area has a complex physical composition, structure and structure, varying in time and space depending on environmental conditions, which does not allow to obtain high accuracy of measuring ice thickness using remote monitoring tools, comparable to contact methods. In addition, the natural averaging of the measured value on the local resolution element of the equipment leads to a result that can be called the conditional thickness. In most cases, using remote monitoring tools, as applied to measuring the thickness of the ice cover, some arbitrary distinguishable intervals of thickness are determined, as well as its age gradations. As a rule, the following age gradations of the ice cover are distinguished: initial and nilas (with a thickness h <10 cm), young (with h = 10 ÷ 30 cm), thin annuals (with h = 30 ÷ 70 cm), annual average thickness (with h = 70 ÷ 120 cm), thick annuals (with h = 120 ÷ 250 cm), biennial and perennial ice (with h> 250 cm).
Среди используемых дистанционных технических средств и способов определения возрастных градаций ледяного покрова можно отметить следующие:Among the remote technical means and methods used to determine the age gradations of the ice cover, the following can be noted:
1. Средства наблюдения в видимом диапазоне электромагнитного спектра частот (с длинами волн 380-760 нм). В этом диапазоне контраст наблюдаемых объектов определяется значениями их альбедо и положением солнца. По спутниковым снимкам среднего разрешения возможно определение указанных выше возрастных градаций льда в светлое время суток при отсутствии облачности, если размеры однородных участков ледяного покрова значительно превосходят размеры элементарных площадок изображения [1]. При этом точность определения возрастных градаций льда во многом зависит от субъективной оценки получаемых изображений экспертом-дешифровщиком.1. Means of observation in the visible range of the electromagnetic frequency spectrum (with wavelengths of 380-760 nm). In this range, the contrast of the observed objects is determined by their albedo and the position of the sun. Using satellite images of medium resolution, it is possible to determine the above age-related gradations of ice in the daytime in the absence of cloudiness, if the size of the homogeneous sections of the ice cover significantly exceeds the size of the elementary areas of the image [1]. Moreover, the accuracy of determining age gradations of ice largely depends on the subjective assessment of the received images by an expert decoder.
2. Средства наблюдения в СВЧ-диапазоне частот (активные и пассивные), регистрирующие радиотепловое излучение ледяного покрова в диапазоне длин волн 1 мм - 40 см, позволяют идентифицировать однолетние тонкие, средние, толстые льды и многолетние льды [2]. Однако такие возможности имеются только в том случае, если однородные участки ледяного покрова больше локальной разрешающей способности радиометров. Между тем, спутниковые СВЧ-радиометры имеют разрешение на местности порядка 10-80 км.2. Means of observation in the microwave frequency range (active and passive), recording the thermal radiation of the ice cover in the wavelength range of 1 mm - 40 cm, allow the identification of annual thin, medium, thick ice and perennial ice [2]. However, such possibilities are available only if homogeneous sections of the ice cover are greater than the local resolution of the radiometers. Meanwhile, satellite microwave radiometers have a resolution on the terrain of about 10-80 km.
3. Средства радиолокационного зондирования (РЛС БО) измеряют энергию отраженного радиолокационного сигнала, определяемую отражательной способностью объектов или эффективной площадью рассеяния (ЭПР). Применительно к локации ледяного покрова ЭПР зависит от комплексной диэлектрической проницаемости льда, рельефа его поверхности и ее влажности, а также от параметров аппаратуры наблюдения - длины волны и поляризации излучаемого и принимаемого сигнала. Практика использования спутниковых РЛС БО свидетельствует, что по радиолокационным снимкам, получаемым на длинах волн 0,8-5,0 см, возможно определение возрастных градаций в основном трех типов льдов: молодых, однолетних и старых [3].3. Means of radar sensing (radar BO) measure the energy of the reflected radar signal, determined by the reflectivity of the objects or the effective scattering area (EPR). With regard to the location of the ice cover, the EPR depends on the complex dielectric constant of the ice, the relief of its surface and its humidity, as well as on the parameters of the observation equipment — wavelength and polarization of the emitted and received signal. The practice of using BO satellite radars indicates that age-based gradations of mainly three types of ice can be determined from radar images obtained at wavelengths of 0.8-5.0 cm: young, one-year-old, and old [3].
4. Средства инфракрасного зондирования в тепловом канале измеряют собственное тепловое излучение ледяного покрова в максимуме этого излучения при естественных для земных покровов значениях температуры воздуха. Собственное тепловое излучение льда определяется его радиационной температурой, очень близкой к фактической поверхностной температуре. Поскольку ледяной покров акваторий является промежуточным слоем между водой при температуре замерзания и атмосферой, то по разности температуры поверхностей можно рассчитать толщину льда. Это подтверждается классическими теоретическими законами. Оптимальным диапазоном измеряемой толщины льда является интервал от пленки до 60÷100 см (по данным различных авторов), т.е. молодые, тонкие и средние однолетние льды. Однако физико-математическая интерпретация изображений ИСЗ в этом диапазоне с целью определения толщины ледяного покрова акваторий встречается с большими трудностями. Проблема связана с многочисленными (от 8 до 10), обычно неизвестными, физическими характеристиками льда и окружающих условий, существенно влияющими на конечный результат [4]. Поэтому вычисления становятся очень трудоемкими и экономически неоправданными. Решение подобных многофакторных задач считается оптимальным при определении безразмерных параметров, позволяющих существенно сократить количество необходимых измеряемых параметров.4. Means of infrared sounding in the heat channel measure the intrinsic thermal radiation of the ice cover at the maximum of this radiation at natural air temperature values for the earth's cover. The intrinsic thermal radiation of ice is determined by its radiation temperature, which is very close to the actual surface temperature. Since the ice cover of the water area is an intermediate layer between water at freezing temperature and the atmosphere, the thickness of the ice can be calculated from the difference in surface temperature. This is confirmed by classical theoretical laws. The optimal range of measured ice thickness is the interval from the film to 60 ÷ 100 cm (according to various authors), i.e. young, thin and medium annual ice. However, the physical and mathematical interpretation of satellite images in this range in order to determine the thickness of the ice cover of the waters is very difficult. The problem is associated with the numerous (from 8 to 10), usually unknown, physical characteristics of ice and environmental conditions that significantly affect the final result [4]. Therefore, calculations become very time-consuming and economically unjustified. The solution to such multifactorial problems is considered optimal when determining dimensionless parameters that can significantly reduce the number of required measured parameters.
5. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения толщины ледяного покрова по данным теплового канала ПК радиометра AVHRR (ИСЗ-NOAA) при общем распределении льда толщиной до 80 см [5]. Авторами на базе физической модели разработан алгоритм пропорциональности радиационной температуры тонких мало заснеженных морских льдов их толщине. Измеренная с ИСЗ радиационная температура поверхности ледяного покрова Ts пересчитывается в данные о толщине льда hi с использованием эмпирических зависимостей Тs=F(hi). При этом должны учитываться такие гидрометеорологические элементы, как пропускание атмосферы, температура приземного воздуха, эффективное излучение ледяного покрова, наличие и глубина снежного покрова, теплопроводности снега и льда, скорость ветра. Проверка алгоритма для тонких льдов осуществлялась путем сравнения результатов интерпретации тепловых изображений морского ледяного покрова, полученных с ИСЗ в условиях безоблачного неба, с данными гидролокатора (Upward Looking Sonar) в различные районах Арктики и подтвердила его надежность. Одним из практических применений данного алгоритма являлось его использование при валидации результатов интерпретации толщины тонких льдов, получаемых по данным RADARSAT, с данными AVHRR. Эти исследования выполнялись группой авторов из Научного Полярного Центра Лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета и Лаборатории реактивного движения (report: R.W.Lindsay, Y.Yu, H.L.Stern, D.A.Rothrock, R.Kwok, 2000. RADARSAT Geophysical Processor System Products: Evaluation and Validation. January 31, 2000, p.13). К недостаткам указанного способа следует отнести прямое решение поставленной задачи, требующее измерения многих гидрометеорологических элементов, что сопряжено с большими техническими трудностями и увеличением суммарной ошибки измерений.5. The closest to the proposed method is to determine the thickness of the ice cover according to the heat channel of the PC of the AVHRR radiometer (AES-NOAA) with a total distribution of ice up to 80 cm thick [5]. Based on the physical model, the authors developed an algorithm for the proportionality of the radiation temperature of thin, slightly snow-covered sea ice to their thickness. The measured radiation temperature of the ice surface T s from the satellite is recalculated into data on the ice thickness h i using empirical dependences T s = F (h i ). At the same time, hydrometeorological elements such as atmospheric transmission, surface air temperature, effective ice cover radiation, the presence and depth of snow cover, thermal conductivity of snow and ice, and wind speed should be taken into account. The algorithm for thin ice was tested by comparing the results of interpretation of thermal images of sea ice cover obtained from a satellite in a cloudless sky with the data of a sonar (Upward Looking Sonar) in various regions of the Arctic and confirmed its reliability. One of the practical applications of this algorithm was its use in validating the results of interpreting the thickness of thin ice obtained using RADARSAT data with AVHRR data. These studies were carried out by a team of authors from the Polar Science Center for Applied Physics, University of Washington and the Jet Propulsion Laboratory (report: RWLindsay, Y. Yu, HLStern, DARothrock, R. Kwok, 2000. RADARSAT Geophysical Processor System Products: Evaluation and Validation. January 31, 2000, p.13). The disadvantages of this method include a direct solution to the problem, requiring the measurement of many hydrometeorological elements, which is associated with great technical difficulties and an increase in the total measurement error.
Задачей предлагаемого способа является создание автоматизированного в интерактивном режиме мониторинга толщины льда замерзающих акваторий в интервале от пленки до 100-120 см с дискретностью, ограниченной чувствительностью метода, и выше 120 см - без дискретности, осредненной на локальном элементе разрешения, по данным изображений в тепловом канале ИК диапазона частот метеорологических ИСЗ при безоблачной атмосфере и отрицательной температуре воздуха. Решение поставленной задачи достигается путем создания физической модели, которая включает безразмерные параметры, объединяющие различные гидрометеорологические элементы, и устанавливает новые физические связи. При этом существенно сокращается количество необходимых измеряемых элементов и упрощается решение задачи. Главным результатом физико-математического моделирования является установление нелинейного подобия рельефа поля собственного теплового излучения ледяного покрова на высоте полета ИСЗ рельефу поля «истинной» толщины льда и определение значений коэффициентов этого подобия. Под рельефом поля истинной толщины ледяного покрова понимается виртуальный рельеф, который возникает при расположении нижних оснований всех льдин различной толщины, входящих в ледяной покров акваторий, на одной плоскости. Под термином «толщина льда» в модели принята условная величина, эквивалентная по своим тепловым характеристикам толщине ровной ледяной пластины в пределах элемента разрешения ИК радиометра ИСЗ.The objective of the proposed method is the creation of an automated interactive monitoring of the ice thickness of freezing waters in the range from film to 100-120 cm with a resolution that is limited by the sensitivity of the method and above 120 cm - without a resolution that is averaged over a local resolution element according to images in the heat channel IR frequency range of meteorological satellites in a cloudless atmosphere and negative air temperature. The solution to this problem is achieved by creating a physical model that includes dimensionless parameters that combine various hydrometeorological elements and establishes new physical relationships. At the same time, the number of required measured elements is significantly reduced and the solution of the problem is simplified. The main result of physical and mathematical modeling is the establishment of a nonlinear similarity of the relief of the field of intrinsic thermal radiation of the ice cover at the altitude of the satellite flight to the relief of the field of “true” ice thickness and the determination of the coefficients of this similarity. The relief of the field of the true thickness of the ice cover is understood as a virtual relief, which occurs when the lower bases of all the ice floes of different thicknesses entering the ice cover of the waters are located on the same plane. Under the term “ice thickness”, a conventional value is accepted in the model that is equivalent in its thermal characteristics to the thickness of an even ice plate within the resolution element of an artificial satellite radiometer.
Исходным в указанной модели является решение уравнения теплового баланса на поверхности заснеженного льда, рассматриваемого как двухслойная пластина (получено решение и для многослойной пластины), при условии неразрывности теплового потока. Уравнение представлено в интегральной форме. Переход к конечным приращениям и анализ всех составляющих позволил получить выражение для поверхностной температуры Т0 льда акваторий в виде [6]:The initial one in this model is the solution of the heat balance equation on the surface of snowy ice, considered as a two-layer plate (a solution is also obtained for a multi-layer plate), provided that the heat flux is continuous. The equation is presented in integral form. The transition to finite increments and analysis of all components allowed us to obtain an expression for the surface temperature T 0 of ice in the water in the form [6]:
где tp - преобразованная к толщине не заснеженного льда толщина заснеженного льда при условии эквивалентной теплопередачи;where t p is the thickness of snow-covered ice converted to the thickness of non-snowy ice under the condition of equivalent heat transfer;
λ - теплопроводность льда;λ is the thermal conductivity of ice;
k - коэффициент теплообмена поверхности льда с атмосферой;k is the heat transfer coefficient of the ice surface with the atmosphere;
Θ - температура замерзания воды;Θ - freezing temperature of water;
Тa - температура окружающего воздуха;T a - ambient temperature;
Ief - эффективное излучение поверхности льда;I ef - effective radiation of the ice surface;
I' - солнечная радиация, поглощенная в верхнем сантиметровом слое снега или льда.I ' - solar radiation absorbed in the upper centimeter layer of snow or ice.
Для перехода от преобразованной толщины льда к истинной вводится безразмерный параметр ξ, имеющий среднестатистическое значение. В физическом понимании этот параметр определяет ослабление теплового потока, проходящего через лед, вызванное наличием снега. Текущие значения параметра ξ определяются соотношением:To go from the converted ice thickness to true, a dimensionless parameter ξ is introduced, which has an average statistical value. In physical terms, this parameter determines the attenuation of the heat flux passing through the ice caused by the presence of snow. The current values of the parameter ξ are determined by the relation:
где λs, ts - соответственно теплопроводность снега и глубина снежного покрова на заданном льду,where λ s , t s - respectively, the thermal conductivity of the snow and the depth of the snow cover on a given ice,
λ, tE - теплопроводность и толщина льда.λ, t E - thermal conductivity and thickness of ice.
Из выражений (1) и (2) можно получить уравнение (3) для расчета истинной толщины льда tE:From expressions (1) and (2), we can obtain equation (3) for calculating the true ice thickness t E :
Поверхностная температура "толстого" (tE>1,2 м) заснеженного льда акваторий T2 практически не зависит от толщины. Поверхностную температуру вырожденного льда (tE=0) можно считать равной температуре замерзания воды Θ. Тогда выражение безразмерного параметра ψr, представленного соотношением (4),The surface temperature of the “thick” (t E > 1.2 m) snow-covered ice of the T 2 water areas is practically independent of thickness. The surface temperature of degenerate ice (t E = 0) can be considered equal to the freezing temperature of water Θ. Then the expression of the dimensionless parameter ψ r represented by relation (4),
исходя из выражения (1), с погрешностью, не превышающей 10%, можно выразить уравнением (5)based on the expression (1), with an error not exceeding 10%, can be expressed by equation (5)
При одинаковых гидрометеорологических условиях ψr=ψ.Under the same hydrometeorological conditions, ψ r = ψ.
Расчет безразмерного параметра ψ по выражению (5), где значения гидрометеорологических элементов вычислялись по эмпирическим формулам, показал, что этот параметр является фактором, практически не зависящим от температуры воздуха, эффективного излучения и пропускания излучения атмосферой. Это видно из таблицы, в которой облачность N0 фигурирует только как метеорологический элемент, влияющий на эффективное излучение.The calculation of the dimensionless parameter ψ by expression (5), where the values of hydrometeorological elements were calculated using empirical formulas, showed that this parameter is a factor that is practically independent of air temperature, effective radiation, and transmission of radiation to the atmosphere. This can be seen from the table in which cloudiness N 0 appears only as a meteorological element affecting the effective radiation.
Значения фактора ψ при различных значениях преобразованной толщины льда tp, температуре воздуха Тa, скорости ветра V и облачности N0.Table
The values of the factor ψ for various values of the converted ice thickness t p , air temperature T a , wind speed V and cloud cover N 0 .
Для доказательства независимости фактора ψ от функции пропускания атмосферы при отсутствии облачности достаточно проанализировать выражение (4). Из него видно, что все параметры, входящие в это выражение, соответствующие различным значениям температуры, расположенным на пологой части кривой Планка, формируют излучение, одинаково взаимодействующее с атмосферой. Следовательно, фактор ψ не зависит от функции пропускания атмосферы.To prove the independence of the factor ψ from the atmospheric transmission function in the absence of cloudiness, it suffices to analyze expression (4). It can be seen from it that all the parameters included in this expression, corresponding to various temperature values located on the gentle part of the Planck curve, form radiation that equally interacts with the atmosphere. Therefore, the factor ψ does not depend on the transmission function of the atmosphere.
В условиях различных (отрицательных по °С) значений температуры воздуха и эффективного излучения фактор ψ является нелинейным коэффициентом подобия между рельефом поля истинной толщины льда tE и рельефом температурного поля на его поверхности. Приведение преобразованной толщины льда tp к истинной толщине льда tE осуществляется с использованием выражения (3).Under conditions of different (negative in ° C) values of air temperature and effective radiation, the factor ψ is a nonlinear similarity coefficient between the topography of the field of true ice thickness t E and the topography of the temperature field on its surface. The conversion of the converted ice thickness t p to the true ice thickness t E is carried out using expression (3).
Подобно приведенным в таблице вычисленным значениям фактора ψ в зависимости от преобразованной толщины льда tp можно вычислить множество эталонов ψ=f(tp), априорно определяемых для дальнейших расчетов истинной толщины льда. Также можно воспользоваться уравнениями регрессии и определить их коэффициенты.Like the calculated values of the factor ψ given in the table, depending on the transformed ice thickness t p, one can calculate many standards ψ = f (t p ), a priori determined for further calculations of the true ice thickness. You can also use the regression equations and determine their coefficients.
Для еще большего упрощения решения поставленной задачи и отказа от вычислений поверхностной температуры ледяного покрова вводится фактор βr, эквивалентный фактору ψr, в котором температурные характеристики заменены яркостями пикселей ИК изображения ледяного покрова в соответствии с выражением (6).To further simplify the solution of the problem and refuse to calculate the surface temperature of the ice sheet, we introduce the factor β r , equivalent to the factor ψ r , in which the temperature characteristics are replaced by the brightness of the pixels of the IR image of the ice sheet in accordance with expression (6).
где α0 - яркость пикселя, соответствующего диагностируемому льду;where α 0 is the brightness of the pixel corresponding to the diagnosed ice;
αw - яркость пикселя, соответствующего воде при температуре замерзания;α w is the brightness of the pixel corresponding to water at freezing temperature;
α2 - яркость пикселя, соответствующего толстому заснеженному льду.α 2 is the brightness of the pixel corresponding to thick snowy ice.
Понятие "толстый заснеженный лед" вводится только из соображений различимости поверхностной температуры льдов разной толщины с помощью инфракрасной радиометрии. В данном контексте этим верхним пределом является толщина льда порядка 120-150 см. Коррекция абсолютной погрешности, возникающей при замене фактора ψr фактором βr, вводится путем подстановки рассчитанных коэффициентов в программный продукт модели. В результате, ошибка вычислений при данной замене факторов снижается до 1-2% во всем диапазоне определяемой толщины льда. Следовательно, расчеты и выводы, сделанные по отношению к фактору ψr, справедливы для безразмерного откорректированного параметра βr. Поэтому βr также является фактором. При этом фактор βr также не зависит от температуры воздуха, эффективного излучения и от функции пропускания слоя однородной безоблачной атмосферы.The concept of "thick snowy ice" is introduced only for reasons of distinguishability of the surface temperature of ice of different thicknesses using infrared radiometry. In this context, this upper limit is the thickness of the ice of the order of 120-150 cm. The correction of the absolute error that occurs when the factor ψ r is replaced by the factor β r is introduced by substituting the calculated coefficients in the model software product. As a result, the calculation error with this replacement of factors decreases to 1-2% in the entire range of the determined ice thickness. Therefore, the calculations and conclusions made with respect to the factor ψ r are valid for the dimensionless corrected parameter β r . Therefore, β r is also a factor. Moreover, the factor β r is also independent of air temperature, effective radiation, and the transmission function of a layer of a uniform cloudless atmosphere.
Подобно предложенному определению фактора ψr, фактор βr можно назвать нелинейным коэффициентом подобия двух рельефов: рельефа поля истинной толщины льда акваторий и рельефа поля их яркостей на ИК изображении ИСЗ и практически использовать его для определения толщины льда по данным оригинальных ИК изображений ледяного покрова. Используя подобие двух полей, алгоритм решения задачи может быть построен двумя способами. Можно по ИК изображению ледяного покрова рассчитать факторы βr и по известным значениям βr рассчитывать толщину льда с учетом реальных метеорологических условий. Однако удобнее это делать в обратном порядке, т.е. для заданных интервалов толщины льда выбрать граничные значения βr, используя множество априорных эталонов ψ=f(tp), а затем определить величины яркостей пикселей на оригинальном изображении, соответствующие заданным интервалам. Тогда выражение для расчета яркости пикселей, соответствующих границам интервалов определяемой толщины льда, может быть получено из уравнения (6) в виде:Similar to the proposed definition of the factor ψ r , the factor β r can be called the nonlinear similarity coefficient of two reliefs: the relief of the field of true ice thickness of water areas and the relief of the field of their brightness in the IR image of the satellite and practically use it to determine the ice thickness according to the data of the original IR images of the ice cover. Using the similarity of the two fields, the algorithm for solving the problem can be constructed in two ways. It is possible to calculate factors β r from the IR image of the ice sheet and calculate the ice thickness from known values of β r taking into account real meteorological conditions. However, it is more convenient to do this in the reverse order, i.e. for given intervals of ice thickness, select the boundary values β r using the set of a priori standards ψ = f (t p ), and then determine the brightness values of pixels in the original image corresponding to the given intervals. Then the expression for calculating the brightness of pixels corresponding to the boundaries of the intervals of the determined ice thickness can be obtained from equation (6) in the form:
Классификация распределения толщины льда замерзающих акваторий по данным ИК изображений ИСЗ в соответствии с предлагаемым способом позволяет выбирать произвольную дискретизацию интервалов толщины льда в пределах чувствительности метода, которая понижается при усилении ветра и увеличении глубины снежного покрова на льду и увеличивается при понижении температуры воздуха. Чувствительность метода понижается и при увеличении толщины льда. Так была получена экстремально-возможная дискретизация интервалов толщины льда через 10 см в области тонких и средней толщины однолетних льдов. Подобный результат является уникальным по сравнению с указанными выше методами определения толщины льда путем дешифрирования данных дистанционного зондирования льда акваторий.Classification of the ice thickness distribution of freezing water areas according to the satellite imagery IR data in accordance with the proposed method allows one to choose an arbitrary discretization of the ice thickness intervals within the sensitivity of the method, which decreases with increasing wind and increasing depth of snow cover on ice and increases with decreasing air temperature. The sensitivity of the method decreases with increasing ice thickness. Thus, an extremely possible discretization of the intervals of ice thickness through 10 cm was obtained in the region of thin and medium thickness annual ice. A similar result is unique in comparison with the methods described above for determining the ice thickness by deciphering the data of remote sensing of ice in the water areas.
Практическая реализуемость предлагаемого способа подтверждается тестовыми испытаниями по дешифрированию спутниковых изображений в тепловом канале ИК диапазона для различных акваторий и сравнением получаемых результатов с фактическими измерениями толщины ледяного покрова в обследуемых районах в период регистрации снимков с ИСЗ [7].The practical feasibility of the proposed method is confirmed by test tests on the interpretation of satellite images in the thermal channel of the IR range for various water areas and by comparing the results with actual measurements of the thickness of the ice cover in the surveyed areas during the registration of satellite images [7].
Источники информацииInformation sources
1. Морской лед. Сбор и анализ данных наблюдений, физические свойства и прогнозирование ледовых условий (справочное пособие). - СПб: Гидрометеоиздат, 1997. - 402 с.1. Sea ice. Collection and analysis of observational data, physical properties and forecasting of ice conditions (reference manual). - St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 1997 .-- 402 p.
2. Даровских А.П., Мартынова Е.А., Спицын В.А. Вероятностные распределения радиояркостной температуры снежно-ледяных покровов различного возраста. В сб. Электрофизические и физико-механические свойства льда. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - С.72-77.2. Darovsky A.P., Martynova E.A., Spitsyn V.A. Probability distributions of radio brightness temperature of snow-ice cover of various ages. On Sat Electrophysical and physico-mechanical properties of ice. - L .: Gidrometeoizdat, 1989. - P.72-77.
3. Бушуев А.В., Быченков Ю.Д., Лощилов B.C., Масанов А.Д. Исследование ледяного покрова с помощью радиолокационных станций бокового обзора (РЛС БО) // Методическое пособие. -Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 120 с.3. Bushuev A.V., Bychenkov Yu.D., Loshchilov B.C., Masanov A.D. The study of ice cover using side-scan radars (RLS BO) // Methodical manual. -L .: Gidrometeoizdat, 1983 .-- 120 p.
4. Богородский В.В., Мартынова Е.А. Собственное тепловое излучение снежно-ледяного покрова арктических морей. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 39 с.4. Bogorodsky VV, Martynova EA Own thermal radiation from the snow-ice cover of the Arctic seas. - L .: Gidrometeoizdat, 1978.- 39 p.
5. Y.Yu and D.A.Rothrock. Thin ice thickness from satellite thermal imagery. // J.Geophs. Res., 1996, 101 (C10), 25, 753-25, 766.5. Y. Yu and D.A. Rothrock. Thin ice thickness from satellite thermal imagery. // J. Geophs. Res., 1996, 101 (C10), 25, 753-25, 766.
6. Лебедев Г.А., Парамонов А.И. Определение физических характеристик морского льда по данным инфракрасного зондирования с ИСЗ. // Метеорология и гидрология, 2001. - №2. - С.72-80.6. Lebedev G.A., Paramonov A.I. Determination of the physical characteristics of sea ice according to infrared sounding with satellite. // Meteorology and hydrology, 2001. - No. 2. - S. 72-80.
7. Парамонов А.И., Лебедев Г.А. Алгоритм нелинейного подобия рельефов радиационного поля и поля истинной толщины морского льда для исследования возрастных градаций морского ледяного покрова по данным спутниковых наблюдений в тепловом канале ИК диапазона // Сборник докладов Второй Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами», 16-18 июня 2004 г., Санкт-Петербург. - Т.2. - С.71-75.7. Paramonov A.I., Lebedev G.A. An algorithm for nonlinear similarity of the reliefs of the radiation field and the field of true thickness of sea ice for studying age-related gradations of sea ice cover according to satellite observations in the thermal channel of the infrared range // Collection of reports of the Second All-Russian Scientific Conference “Remote Sensing of the Earth's Coverings and Atmosphere by Aerospace Means,” 16-18 June 2004, St. Petersburg. - T.2. - S. 71-75.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006117741/09A RU2319205C1 (en) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | Method for determining thickness of ice in freezing water areas |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006117741/09A RU2319205C1 (en) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | Method for determining thickness of ice in freezing water areas |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2319205C1 true RU2319205C1 (en) | 2008-03-10 |
Family
ID=39281068
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006117741/09A RU2319205C1 (en) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | Method for determining thickness of ice in freezing water areas |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2319205C1 (en) |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460968C1 (en) * | 2011-03-22 | 2012-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт" (ФГБУ "ААНИИ") | Method of determining depth of snow cover on ice over water bodies |
RU2467347C1 (en) * | 2011-04-08 | 2012-11-20 | Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of detection and high-accuracy determination of marine ice floes and radiolocating system that implements it |
RU2500031C1 (en) * | 2012-05-14 | 2013-11-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт" (ФГБУ "ААНИИ") | Method of determining ice ridges on ice cover on water areas |
RU2526222C1 (en) * | 2013-02-12 | 2014-08-20 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро "Аметист" | Method for radar-location determination of ice thickness |
RU2552859C2 (en) * | 2013-08-13 | 2015-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт географии Российской академии наук | Method of determination of space-time discontinuity of snow cover under conditions of its natural occurrence |
CN109556551A (en) * | 2019-01-10 | 2019-04-02 | 哈尔滨工业大学 | A kind of ice covering thickness monitoring method based on interface temperature |
RU2706243C1 (en) * | 2019-06-05 | 2019-11-15 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Федеральный Научный Центр Физической Культуры И Спорта" Фгбу Фнц Вниифк | Method of selecting sports equipment with due allowance for rheological characteristics of snow road |
CN114295079A (en) * | 2021-12-16 | 2022-04-08 | 大连理工大学 | Method for detecting icing thickness of supercharged water supply pipeline based on pipe wall heat flow condition |
CN114353708A (en) * | 2021-12-24 | 2022-04-15 | 大连理工大学 | Low-flow water supply working condition pipeline icing thickness detection method applicable to low-air-temperature environment pressurized water supply system |
CN116109147A (en) * | 2023-04-14 | 2023-05-12 | 黑龙江省水文水资源中心 | Cold district ice condition automatic monitoring system based on artificial intelligence |
CN117313537A (en) * | 2023-09-28 | 2023-12-29 | 国网吉林省电力有限公司松原供电公司 | Data-driven icing prediction method and system |
-
2006
- 2006-05-23 RU RU2006117741/09A patent/RU2319205C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"J. Geophs. Res.", 1996, 101(c10), p.25, 753-766. * |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460968C1 (en) * | 2011-03-22 | 2012-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт" (ФГБУ "ААНИИ") | Method of determining depth of snow cover on ice over water bodies |
RU2467347C1 (en) * | 2011-04-08 | 2012-11-20 | Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of detection and high-accuracy determination of marine ice floes and radiolocating system that implements it |
RU2500031C1 (en) * | 2012-05-14 | 2013-11-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт" (ФГБУ "ААНИИ") | Method of determining ice ridges on ice cover on water areas |
RU2526222C1 (en) * | 2013-02-12 | 2014-08-20 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро "Аметист" | Method for radar-location determination of ice thickness |
RU2552859C2 (en) * | 2013-08-13 | 2015-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт географии Российской академии наук | Method of determination of space-time discontinuity of snow cover under conditions of its natural occurrence |
CN109556551B (en) * | 2019-01-10 | 2020-05-22 | 哈尔滨工业大学 | Icing thickness monitoring method based on interface temperature |
CN109556551A (en) * | 2019-01-10 | 2019-04-02 | 哈尔滨工业大学 | A kind of ice covering thickness monitoring method based on interface temperature |
RU2706243C1 (en) * | 2019-06-05 | 2019-11-15 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Федеральный Научный Центр Физической Культуры И Спорта" Фгбу Фнц Вниифк | Method of selecting sports equipment with due allowance for rheological characteristics of snow road |
CN114295079A (en) * | 2021-12-16 | 2022-04-08 | 大连理工大学 | Method for detecting icing thickness of supercharged water supply pipeline based on pipe wall heat flow condition |
CN114295079B (en) * | 2021-12-16 | 2023-11-17 | 大连理工大学 | Method for detecting icing thickness of pressurized water supply pipeline based on pipe wall heat flow condition |
CN114353708A (en) * | 2021-12-24 | 2022-04-15 | 大连理工大学 | Low-flow water supply working condition pipeline icing thickness detection method applicable to low-air-temperature environment pressurized water supply system |
CN116109147A (en) * | 2023-04-14 | 2023-05-12 | 黑龙江省水文水资源中心 | Cold district ice condition automatic monitoring system based on artificial intelligence |
CN117313537A (en) * | 2023-09-28 | 2023-12-29 | 国网吉林省电力有限公司松原供电公司 | Data-driven icing prediction method and system |
CN117313537B (en) * | 2023-09-28 | 2024-03-08 | 国网吉林省电力有限公司松原供电公司 | Data-driven icing prediction method and system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2319205C1 (en) | Method for determining thickness of ice in freezing water areas | |
Hewison et al. | Airborne retrievals of snow and ice surface emissivity at millimeter wavelengths | |
Wigneron et al. | Evaluating an improved parameterization of the soil emission in L-MEB | |
Weng et al. | A microwave land emissivity model | |
Jackson et al. | Remote sensing applications to hydrology: soil moisture | |
Zhu et al. | Forward and inverse radar modeling of terrestrial snow using SnowSAR data | |
Zhang et al. | Validating the modified perpendicular drought index in the North China region using in situ soil moisture measurement | |
RU2460968C1 (en) | Method of determining depth of snow cover on ice over water bodies | |
Paloscia et al. | Generation of soil moisture maps from ENVISAT/ASAR images in mountainous areas: a case study | |
Liu et al. | One-dimensional variational retrieval algorithm of temperature, water vapor, and cloud water profiles from advanced microwave sounding unit (AMSU) | |
Roy et al. | Microwave snow emission modeling uncertainties in boreal and subarctic environments | |
Zhang et al. | Nighttime cool skin effect observed from Infrared SST Autonomous Radiometer (ISAR) and depth temperatures | |
Niclòs et al. | Determination of sea surface temperature at large observation angles using an angular and emissivity-dependent split-window equation | |
Naderpour et al. | Snow density and ground permittivity retrieved from L-band radiometry: A retrieval sensitivity analysis | |
Mai et al. | Application of AMSR-E and AMSR2 low-frequency channel brightness temperature data for hurricane wind retrievals | |
Tonboe et al. | Simulated Ka-and Ku-band radar altimeter height and freeboard estimation on snow-covered Arctic sea ice | |
Casadio et al. | Total column water vapour from along track scanning radiometer series using thermal infrared dual view ocean cloud free measurements: The Advanced Infra-Red WAter Vapour Estimator (AIRWAVE) algorithm | |
Akash et al. | Review of estimation of soil moisture using active microwave remote sensing technique | |
Harlow | Sea ice emissivities and effective temperatures at MHS frequencies: An analysis of airborne microwave data measured during two Arctic campaigns | |
Lee et al. | A study of an inversion model for sea ice thickness retrieval in Ross Island, Antarctica | |
Li et al. | Comparison of summer Arctic sea ice surface temperatures from in situ and MODIS measurements | |
Marghany et al. | Modelling sea surface salinity from modis satellite data | |
Gong | Evaluation of maritime aerosol optical depth and precipitable water vapor content from the Microtops II Sun photometer | |
Ermakova et al. | Toward the GMF for Wind Speed and Surface Stress Retrieval in Hurricanes Based on the Collocated GPS-Dropsonde and Remote Sensing Data | |
Paul et al. | The impact of early-summer snow properties on Antarctic landfast sea-ice X-band backscatter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080524 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20110710 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140524 |