RU2593411C1 - Способ определения дрейфа морских льдов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области морской гидрометеорологии и может быть использовано для определения дрейфа морских льдов. Сущность: следят за перемещением морских льдов, отображая на мониторе пути их перемещения. При этом изменение координат ледовых полей определяют посредством спутниковой и/или гидроакустической навигационной системы. При отображении на мониторе пути перемещения льдов выявляют потенциально опасные ледовые поля, а также дистанцию сближения этих полей и запас времени для принятия решения по их локализации. На выявленные потенциально опасные ледовые поля посредством дрона, снабженного магнитометром, рассеивают ферромагнитный материал с различным коэрцитивным спектром намагниченности. При периодических пролетах дрона над потенциально опасными ледовыми полями измеряют магнитометром формируемое ферромагнитным материалом магнитное поле. Данные, полученные с помощью установленного на дроне магнитометра, используют при определении скорости и направления движения потенциально опасных ледовых полей. Технический результат: снижение трудозатрат, расширение функциональных возможностей.

Description

Изобретение относится к автоматизированным техническим средствам обеспечения противодействия ледовым явлениям и может быть также использовано для борьбы с ледовым воздействием на морские объекты хозяйственной деятельности, расположенные на акваториях морей Северного Ледовитого океана.

Известен способ определения дрейфа морских льдов путем сопоставления характерных одинаковых деталей ледяного покрова на двух последовательных спутниковых изображениях [1].

Недостатком способа является высокая трудоемкость, обусловленная обработкой фотографических изображений по визуальному выявлению характерных одинаковых деталей ледяного покрова.

В известном способе [2] находят узловые точки на изображении низкого разрешения и используют их в качестве центров, около которых находятся узловые точки при более высоком разрешении, следуя по иерархии уровней. Способ применяется при анализе сплоченных льдов в центральных районах Арктики, однако в битых льдах и в случаях значительных углов поворота ледяных полей работает хуже.

Известен также способ [3] определения дрейфа льдов, основанный на слежении за характерными деталями ледяного покрова. При этом на первом этапе выполняют сегментацию РСА-изображения и векторизацию границ сегментов. После этого сопоставляют сегменты на последовательных изображениях.

В известном способе [4] сопоставляют границы полей и разрывов, представленных в виде отрезков прямых линий.

В известном способе [5] выполняют выбор некоторого сегмента на одном изображении и поиск наилучшего совпадения на повторном изображении путем перемещения по всем сегментам с похожими характеристиками и нахождения их одномерной кросскорреляции.

В известном способе [6] используется стохастический подход для нахождения соответствия ледяных полей.

Известная оперативная система определения дрейфа льдов по РСА-изображениям [7] включает комбинацию объектно-ориентированных и зонных методов для слежения за ледяными полями, которые могут перемещаться поступательно и поворачиваться в период между съемками. В центральной Арктике, где движение морских льдов является преимущественно поступательным, достаточно хорошие результаты получаются при использовании пространственной корреляции для нахождения одних и тех же участков изображения.

Однако с увеличением угла поворота льдин пик корреляции расширяется и в конечном итоге становится статистически незначимым. Поэтому для анализа изображений кромки льда в алгоритме предусмотрено слежение за характерными особенностями ледяного покрова и определение их идентичности путем одномерной кросскорреляции сегментов. Недостатком применения объектно-ориентированных подходов к РСА-изображениям является неточность выделения признаков изображения (границы каналов и полей, отдельные поля и т.д.) из-за спекл-шума и низкого контраста изображения. В случае значительных углов поворота ледяных полей используется система полярных координат, в которой параметр поворота становится поступательным, что позволяет применить кросскорреляционный метод к преобразованному спектру мощности для определения угла поворота [8]. После исключения относительного поворота пик кросскорреляции возрастает, что позволяет получить векторы перемещения первого порядка, определяющие движение льда как твердого тела (перемещение и поворот) [9].

При «нежестком» движении используют способ «оптического потока», в котором в отличие от объектно-ориентированных способов слежения проблема деформации решается посредством использования локальных частных производных значений яркости [8]. Основой этого алгоритма является использование пространственных и временных изменений яркости соседних точек для получения векторов перемещения. Способ применяется для получения данных о деформации льда при образовании ледяных торосов или разводий. Недостатком является то, что при его применении нельзя восстановить поле дрейфа при нарушениях непрерывности движения.

При использовании кросскорреляционного способа строится пирамида с различными уровнями разрешения изображения и кинематика льдов вычисляется на каждом уровне, начиная с самого низкого разрешения, результаты одного уровня используются как начальные значения для следующего (более высокого) уровня. На каждом уровне используется двумерный бинарный поиск в окне размером d и определяется смещение до d/2 пикселя вверх/вниз/вправо/влево. При этом выбирается пара блоков с наибольшей корреляцией, а соответствующее перемещение позволяет оценить дрейф льда. Для удаления ложных векторов после окончания бинарного поиска выполняется медианная фильтрация полученных векторов и каждый из них замещается медианой девяти векторов. При помощи вспомогательной программы векторы дрейфа могут наноситься на изображение.

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

Это объясняется тем, что общая зависимость принятых сигналов радиолокационной станции бокового обзора и радиометра от параметров ледяного покрова является достаточно сложной, так как в пределах элемента разрешения каждого прибора находятся смешанные поля льдов разного возраста, а система уравнений для оценки эффективности площади рассеяния, определяемой по радиолокационной станции бокового обзора и эффективной радиояркостной температуры, определяемой по радиометру, содержит четыре неизвестных и соответственно четыре непостоянных параметра [5], что оказывается неразрешимой задачей для определения значений искомых параметров, а именно частной сплоченности, в пределах разрешения соответственно радиолокатора бокового обзора и радиометра. Устранение данного недостатка в известном способе [5] решается путем использования карт состояния ледового покрова за предшествующую декаду месяца, которые строятся в Гидрометеоцентре по обобщенным данным ледовой авиаразведки для арктического бассейна. При этом на текущие изображения, полученные по полям соответственно радиолокационным и радиометрическим способом, наносят вручную контуры однородных состояний ледяного покрова, соответствующие предыдущим картам-схемам. Далее выполняют идентифицирование областей с однородными состояниями ледяного покрова. После того как полностью идентифицированными оказались одна или две области на текущем изображении поверхности и предыдущих картах-схемах, определяют направление и среднюю величину смещения между этими областями. С учетом полученных значений среднего смещения и направления, границы предшествующего положения областей, занесенные на текущую информацию, смещают для более точного соответствия. Данную операцию необходимо выполнять ввиду того, что на изображениях с текущей информацией, некоторые области перестают различаться, в то время как на предыдущей карте-схеме они могут различаться.

Причинами этого являются ситуации, заключающиеся в нарастании присутствующего в пределах области молодого льда (от нилоса к серому льду), отражательные характеристики которого становятся близкими к характеристикам многолетнего льда, изменение частичной сплоченности многолетнего льда резко уменьшилась из-за появления ветровых трещин и разводий или выпадением на поверхность нескольких областей многолетнего льда выпал влажный снег. Для однозначно опознанных областей выполняется расчет характеристик ледяного покрова, т.е. определение частной сплоченности льдов разного возраста.

При выполнении идентификации с использованием нескольких карт-схем при переносе изображений необходимо учитывать масштабы карт, т.е. выполнять генерализацию новых карт, в противном случае возможны существенные искажения изображений, а в некоторых случаях и потеря информации.

Способ имеет высокую трудоемкость как при обработке вновь полученной информации, так и информации предшествующих наблюдений.

Кроме того, необходимо учитывать проявление маскирующего эффекта в арктических районах, который определяется скоростью изменения метеорологических условий, а также изменение условий дрейфа льда, что требует повторения операций способа через несколько часов, особенно при резком изменении пространственного распределения гидрометеорологических параметров.

И если при проведении масштабных исследований в арктическом регионе данный способ имеет применимость при составлении прогноза развития ледовой обстановки в сочетании с использованием информации, полученной от других источников информации (гидрометеорологические станции, суда гидрографической службы и т.п.), то для обеспечения безопасной эксплуатации морских терминалов нефтегазовых месторождений в арктической зоне его эффективность не является достаточной.

Повышение достоверности определения достоверности дрейфа ледовых полей, преимущественно в зонах нефтегазовых месторождений, оборудованных добычными платформами и погрузочными морскими терминалами, достигается в способе определения дрейфа морских льдов, включающем слежение за их перемещением с отображением на мониторе пути перемещения морских льдов, в котором слежение за перемещением морских льдов осуществляют относительно морского опорного пункта с известными координатами, путем определения изменения координат ледовых полей, полученных посредством дрифтера, оснащенного приемопередатчиком, спутниковой навигационной системой и гидроакустической навигационной системой, при отображении на мониторе пути перемещения льдов выявляют потенциально опасные ледовые поля, определяют дистанцию сближения и запас времени для принятия решения по локализации потенциально опасного ледового поля (патент RU №2453865 C1, 20.06.2012 [10]).

Применение дрифтеров, оснащенных приемником спутниковой навигационной системы и аппаратурой гидроакустического канала связи, в качестве навигационных маяков, расположенных на морской ледовой поверхности, позволяет определить путь движения ледовых полей (дрейф) относительно добычной платформы с большей достоверностью, так как при этом обеспечивается возможность реализации высокоточной навигации по сравнению с известными способами определения дрейфа морских льдов.

Однако применение дрифтеров отягощено их возможной утратой, например, при сжатии ледовых полей, а также при сносе ледовых полей под действием неблагоприятных гидрометеорологических условий в противоположных направлениях от морского объекта хозяйственной деятельности, что может привести к существенным трудозатратам при реализации известного способа [10].

Кроме того, для обеспечения безопасной эксплуатации морских терминалов по добыче углеводородов недостаточно только прогнозных данных о возможных путях перемещения ледовых образований. Для принятия решения и организации необходимых мероприятий и средств по защите морских терминалов по добыче углеводородов помимо скорости и направления перемещения ледового образования и его площади существенной характеристикой ледовых образований является толщина льда или объем ледового образования, которые известными способами не определяются. Данные характеристики являются определяющими при выборе необходимых средств по защите морских терминалов по добыче углеводородов от их возможного разрушения под действием ледовых полей.

Задачей предлагаемого технического решения является снижение трудозатрат с одновременным расширением функциональных возможностей способа определения дрейфа ледовых полей, преимущественно в зонах нефтегазовых месторождений, оборудованных добычными платформами и погрузочными морскими терминалами, и повышение надежности функционирования морских объектов хозяйственной деятельности на акваториях, подверженных ледовым образованиям, представляющих опасность для морских объектов хозяйственной деятельности.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения дрейфа морских льдов, включающем слежение за их перемещением, отображение на мониторе пути перемещения морских льдов, в котором слежение за перемещением морских льдов осуществляют относительно морского опорного пункта с известными координатами, путем определения изменения координат ледовых полей, полученных посредством спутниковой навигационной системы и/или гидроакустической навигационной системы, при отображении на мониторе пути перемещения льдов выявляют потенциально опасные ледовые поля, определяют дистанцию сближения и запас времени для принятия решения по локализации потенциально опасного ледового поля, в котором, в отличие от прототипа, на выявленных потенциально опасных ледовых полях посредством дрона размещают путем рассеивания ферромагнитный материал с различным коэрцитивным спектром намагниченности, сформированный в виде масс в 0,1 м³, размещенных на расстоянии 50-100 м друг от друга вдоль взаимно пересекающихся осей, расположенных в направлении сторон света, с образованием четырехугольника, при пролетах дрона над потенциально опасными ледовыми полями измеряют формируемое ферромагнитным материалом магнитное поле посредством магнитометра, а также измеряют скорость звука в ледовом поле, электропроводность и температуру.

Способ реализуется следующим образом.

Как и в прототипе [10], по снимкам, полученным с ИСЗ или в результате гидроакустической локации ледяных полей, воспроизводят изображения ледовых полей на мониторе, находящихся в регионе размещения добычной платформы. На основе полученной информации производят топологический анализ возможных опасных областей и формируют необходимое число информационных массивов координат точек границ областей чрезмерного сближения для каждого ледового поля, формируют формуляр ледовых полей (номер цели, размер ледового поля, скорость и направление движения относительно добычной платформы).

На основе анализа данных формуляра выявляют потенциально опасные ледовые поля, которые при сближении с добычной платформой могут нарушить безопасную эксплуатацию, как самой добычной платформы, так и инфраструктуры месторождения (погрузочные морские терминалы, подходные судовые пути).

На потенциально опасные ледовые поля посредством дронов размещают путем рассеивания ферромагнитный материал с различным коэрцитивным спектром намагниченности, сформированный в виде масс в 0,1-0,5 м³, размещенных на расстоянии 50-100 м друг от друга вдоль взаимно пересекающихся осей, расположенных в направлении сторон света с образованием четырехугольника.

При этом ферромагнитный материал с одинаковым коэрцитивным спектром намагниченности устанавливают по одной из осей, а ферромагнитный материал с другим коэрцитивным спектром намагниченности устанавливают по другой из осей.

При периодических пролетах дрона над потенциально опасными ледовыми полями измеряют формируемое ферромагнитным материалом магнитное поле посредством магнитометра, а также измеряют скорость звука в ледовом поле, электропроводность и температуру.

На добычной платформе полученная информация от спутниковой навигационной системы и/или гидроакустической навигационной системы и дронов преобразуется с помощью преобразователя в цифровую форму и вводится в процессор для расчета скорости и направления движения ледовых полей. Кроме того, на добычную платформу поступает информация о величинах толщины ледовых полей, которые определяют посредством гидроакустического измерителя скорости звука по изменению коэффициента отражения на границе атмосфера-лед и на границе лед-вода. По информации, полученной с датчиков электропроводности и температуры, а также с измерителя скорости звука выполняют расчет солености с использованием программы PSS-78.

При этом измеренные данные записывают на компьютер одновременно с другими параметрами и учитывают их при определении плотности льда, а по полученным значениям величин солености и плотности льда определяют его пористость.

При этом выполняется топологический анализ потенциально опасных ледовых полей по отношению к инфраструктуре месторождения. Определяется запас времени для принятия решения по локализации потенциально опасного ледового поля.

По результатам ледового мониторинга строят двухмерные и трехмерные модели ледовых образований, а также определяют их прочностные характеристики.

В качестве датчика электропроводности применена индуктивная ячейка с диапазоном измерения 0-9,0 см/м, а в качестве датчика измерения температуры применен термистор с диапазоном измерения от -50°C.

Измеритель скорости звука, датчики измерения электропроводности и температуры могут быть размещены в спускаемом с дрона контейнере или непосредственно в нише на нижней плоскости дрона.

Выбор дрона по сравнению с другими летательными аппаратами обусловлен плавностью и скоростью перемещения, что позволяет получать более качественные материалы для трехмерных моделей местности.

Создание магнитного поля путем рассеивания ферромагнитного материала позволяет создать постоянное магнитное поле с напряженностью 10 НТл с использованием магнитометров с чувствительностью 0,001÷0,0001 гаммы, что позволяет осуществлять обнаружение ферромагнитных объектов при ширине полосы обследования до 5000 м и маломагнитных объектов с шириной полосы обследования 1000 м и более.

При магнитных измерениях определяют для каждой оси с размещенной на ней ферромагнитным материалом коэрцитивный спектр намагниченности, сравнивают его с исходным спектром намагниченности и по данным, полученным по заданной схеме, трассируют перемещение ледового поля относительно объекта хозяйственной деятельности.

Промышленная реализация средств измерения необходимых параметров имеет достаточную апробацию, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического предложения условию патентоспособности «промышленная применимость».

Источники информации

1. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука, 2007, с. 235-238.

2. Daida J., Samadani R. Object-oriented feature-tracking algorithms for SAR images of the marginal ice zone // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1990, №28(4), p. 573-589.

3. Cjllins M.J., Emery W.J. Computational method for estimating sea motion in sequential seasat synthetic aperture radar imagery by matched filtering // j. Geophys. Res. 1988. №93(C8), p. 9241-9251.

4. Vesecky J.F., Samadani R., Smith M.P., Daica J.M. et. al. // IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing. 1988. №26(1), p. 38-48.

5. McConnell R., Kwok R., Curlander J.C., Kober W. et. al. Psi-S correlation and dynamic time warp-ice: two methods for tracking ice floes in SAR images // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1991, №29(11), p. 1004-1012.

6. Banfield J. Automated tracking of ice floes: a stochastic approach // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1991, №29(6), p. 905-911.

7. Kwok R., Curlander J.C., McConnell R., Pang S.S. An ice-motion tracking system at the Alaska SAR facility // IEEE J. Oceanic Engineering. 1990. №15(1), p. 44-54.

8. Sun Y. Ice motion retrieval from SAR imagery in terms of intensive derivative // Proc. Of the Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp., May 1992, Houston, Texas, USA, vol. 1 IEEE, Piscataway, NJ, 1992, p. 585-587.

9. Sun Y. A new correlation technique for ice motion analysis // EARSeL Advances in Remote sensing, 1994, №3(2), p. 2489-2514.

10. Патент RU №2453865 C1, 20.06.2012/

Claims (1)

1. Способ определения дрейфа морских льдов, включающий слежение за перемещением морских льдов и отображение на мониторе пути их перемещения, в котором слежение за перемещением морских льдов осуществляют относительно морского опорного пункта с известными координатами путем определения изменения координат ледовых полей, полученных посредством спутниковой навигационной системы и/или гидроакустической навигационной системы, при отображении на мониторе пути перемещения льдов выявляют потенциально опасные ледовые поля, определяют дистанцию сближения и запас времени для принятия решения по локализации потенциально опасного ледового поля, отличающийся тем, что на выявленных потенциально опасных ледовых полях посредством дрона размещают путем рассеивания ферромагнитный материал с различным коэрцитивным спектром намагниченности, сформированный в виде масс в 0,1 м³, размещенных на расстоянии 50-100 м друг от друга вдоль взаимно пересекающихся осей, расположенных в направлении сторон света с образованием четырехугольника, при пролетах дрона над потенциально опасными ледовыми полями измеряют формируемое ферромагнитным материалом магнитное поле посредством магнитометра, а также измеряют скорость звука в ледовом поле, электропроводность и температуру.