Двадцать третья международная конференция "СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА"
XXIII.A.133
Применение алгоритмов автоматического обнаружения ледяного покрова внутренних водоемов по данным двухчастотного дождевого радиолокатора на примере р. Волга
Караев В.Ю. (1), Сорокин Е.С. (1), Титченко Ю.А. (1), Панфилова М. А. (1), Мешков Е. М. (1), Ковалдов Ковалдов Д.А. (1)
(1) Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
В связи малым числом гидрологических постов на реках и озерах России, анализ процессов формирования и разрушения ледяного покрова является сложным, и ситуация продолжает ухудшаться в связи уменьшения их количества. Дистанционное зондирование становится важным источником информации о земной поверхности и его значение постоянно возрастает. На спутниках установлена разнообразная измерительная аппаратура, которая может использоваться для получения информации о ледяном покрове внутренних водоемов. Однако, в связи с небольшими размерами внутренних водоемов, для их мониторинга могут использоваться данные радиолокаторов с достаточно хорошим пространственным разрешением.
В ходе предыдущих исследований [1-3] было показано, что двухчастотный дождевой радиолокатор (Dual-frequency Precipitation Radar - DPR), установленный на спутнике GPM (Global Precipitation Mission), является эффективным инструментом для исследования внутренних водоемов.
Несмотря на то, что размеры большинства внутренних водоемов сравнимы или меньше элемента разрешения дождевого радиолокатора (5 км x 5 км), они «видны» на радиолокационном изображении. Было показано, что во всем диапазоне углов падения дождевого радиолокатора (+/- 18 градусов) радиолокационный контраст «вода / суша» остается высоким [4, 5].
После формирования ледяного покрова река становится «незаметной» на радиолокационном изображении: сечение обратного рассеяния становятся близкими по значению. Это позволяет определить дату формирования ледяного покрова. «Появление» реки на радиолокационном изображении весной говорит о разрушении ледяного покрова.
Были разработаны два алгоритма для автоматического определения наличия ледяного покрова на внутренних водоемах. В первом алгоритме анализируются разрезы радиолокационного изображения по углу падения вдоль траектории полета и вычисляется радиолокационный контраст (вода/суша) для водной поверхности. В входе проведенного анализа были определены «пороговые» значения для каждого угла падения. Превышение порогового значения говорит об отражении от водной поверхности, и обработка данных подтвердила работоспособность алгоритма.
Во втором алгоритме также рассматриваются разрезы радиолокационного изображения вдоль траектории движения для фиксированных углов падения. Однако для «настройки» алгоритма используются данные с ледяным покровом. Контраст между льдом и сушей, покрытой снежным покровом, является минимальным, поэтому критерием наличия ледяного покрова является не превышение порогов, вычисляемых для каждого угла падения. Обработка данных показала, что второй алгоритм оказался более «устойчивым» к флуктуациям мощности отраженного сигнала.
На основе двух алгоритмов разработан программный комплекс для обработки радиолокационных изображений двухчастотного дождевого радиолокатора и определения дат формирования и разрушения ледяного покрова с пространственным разрешением 5 км х 5 км.
Планируется выполнить обработку данных за период с 2015 г. по 2024 г. для р.Волга и р. Урал.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-77-10064, https://rscf.ru/project/23-77-10064/.
Ключевые слова: двухчастотный дождевой радиолокатор, сечение обратного рассеяния, малые углы падения, внутренние водоемы, пресноводный лед
Литература:
- Караев В., Панфилова М., Титченко Ю., Е.Мешков, Г.Баландина, З.Андреева (2017), Первые результаты мониторинга формирования и разрушения ледяного покрова в зимний период 2014-2015 на оз. Ильмень по данным двухчастотного дождевого радиолокатора, Исследование земли из космоса, 2017, N 3, стр. 30-39
- Karaev V., Panfilova M., Titchenko Yu., Meshkov E., Balandina G., Andreeva Z. (2018), The problem of the Internal Waters Monitoring by the Dual-frequency Precipitation Radar: the First View, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote sensing (J-STARS), 2018, v. 11, N 11, DOI: 10.1109/JSTARS.2018.2874697
- Караев В.Ю., Сорокин Е.С., Титченко Ю.А., Панфилова М.А., Мешков Е.М. (2024), К вопросу об использовании данных двухчастотного дождевого радиолокатора для мониторинга ледяного покрова внутренних водоемов, XXII Международная конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", ИКИ РАН, Москва, 2024, Тезисы докладов, DOI 10.21046/22DZZconf-2024a
- Караев В., Сорокин Е., Титченко Ю., Панфилова М., Мешков Е., Ковалдов Д. (2025), Обнаружение формирования и разрушения ледяного покрова на внутренних водоемах по данным двухчастотного дождевого радиолокатора, Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн / Материалы Всероссийской открытой научной конференции. – Муром: МИ ВлГУ, 3.06-5.06.2025. –314 с. (стр. 172-179, DOI: 10.24412/2304-0297-2025-1-172-179)
- Karaev V., Sorokin E., Panfilova M., Titchenko Yu., Meshkov M., Kovaldov D. (2025), On the Problem of Radar Monitoring of Ice Cover Formation and Destruction on Inland Waters: First Assessments, Russian Journal of Earth Sciences, 25, ES3009, https://doi.org/10.2205/2025ES001020
Методы и алгоритмы обработки спутниковых данных