Верификация метода автоматизированного определения возраста ледяного покрова по данным спутниковых радиолокаторов

Информация о возрасте, сплоченности и пространственном распределении льдов необходима для обеспечения безопасности навигации, рыболовства, работ по разведке и эксплуатации месторождений углеводородного сырья в полярных районах Арктики. Исследования с целью обнаружения основных стадий развития морского льда (старый/однолетний) проводились с использованием данных радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) спутников Sentinel-1A и B в режиме сверхширокой полосы обзора (EW), получаемых одновременно в двух поляризациях (ГГ и ГВ).
РСА системы формируют изображение, измеряя мощность принимаемого сигнала, по величине которого в дальнейшем определяется удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) подстилающей поверхности. При визуальном анализе РСА-изображения морского льда основным прямым дешифровочным признаком является яркость, которая может значительно изменяться в зависимости от вида льда, его форм и шероховатости поверхности. Преобразование безразмерных данных, получаемых с датчиков, в нормализованные значения отраженной или переизлучаемой энергии (коэффициенты обратного рассеяния или значения УЭПР морских льдов) происходит в процессе радиометрической или абсолютной калибровки.
Процесс предварительной обработки РСА-данных является важной стадией технологии использования спутниковых данных для определения характеристик ледяного покрова. Исходные данные EW подвергаются коррекции зависимости значений обратного рассеяния от угла падения для ГГ-поляризации. Для ГВ-поляризации снижают эффекты шума, вызванного техническими особенностями аппаратуры в данном режиме съемки. После преобразования в значения УЭПР возможна корректная тематическая обработка РСА-изображений. Пространство признаков для классификации объектов РСА-изображений расширяется использованием текстурных характеристик, которые обеспечивают более достоверное определение возраста ледяного покрова. Классификация РСА снимков для автоматического определения основных типов морского льда и картирования границы старого льда проводилась на основе метода нейронных сетей (НС) с обратным распространением ошибки.
В процессе классификации методом НС были обнаружены некоторые систематические ошибки. Для их устранения НС были обучены несколько раз с добавлением ранее неиспользовавшихся при обучении градаций льда, а также новых наборов данных для обучения в районах, где были сделаны ошибки.
Для верификации полученных результатов применяются генерализованные карты ААНИИ и визуальные оценки ледового эксперта. Сравнение границы старых льдов, полученной по данным микроволновых радиометров специалистами OSI SAF, с результатами НС классификации и ледовыми картами ААНИИ показало довольно значительное расхождение положения границ. Разница в положении границ старых льдов, обнаруженных методом НС и проведенных ледовыми экспертами, не превышала 10 км. Выполненное сравнение результатов классификации старых и однолетних льдов на серии из ~100 РСА и квазисинхронных ледовых карт ААНИИ позволило оценить общую точность классификации по методу НС, составившую ~ 85,4%. При валидации результатов классификации с помощью карт ААНИИ или данных OSI SAF, имеющих разрешение 12,5 км важно иметь в виду, что достаточно подробный продукт классификации очень трудно сравнить с генерализованной информацией. Поскольку карты ААНИИ содержат общие границы зон того или иного типа льда, внутри которых другие возрастные градации не выделяются, а дается указание на их наличие и балл их частной сплоченности.
В целом, автоматизированный алгоритм определения возраста льда методом НС показал хорошие результаты. Вместе с тем продемонстрировано, что технология валидации продуктов классификации РСА-изображений ледяного покрова, включая методологию валидации более детальных спутниковых данных, нуждается в дальнейшем совершенствовании.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №18-05-60124).