Анализ спутниковых радиолокационных снимков акватории северных морей для обнаружения кромки льда методами компьютерного зрения

Границы морского льда регулярно меняются под воздействием климатических условий,
создавая опасные ситуации в морской деятельности. Кромка льда как граница между ледяным покровом и открытой водой является важным фактором морской экосистемы, характеризующим изменение температуры и солёности морской воды. Автоматизация контроля изменчивости кромки льда позволит осуществлять регулярный мониторинг морской поверхности, что критически важно для задач навигации.
В работе исследовалась акватория Белого моря, включая Кандалакшский залив, расположенный в его северо-западной части. Лед в акватории Белого моря присутствует в период с ноября по май и образуется в направлении с севера на юг и с востока на запад. Летом морская поверхность полностью освобождается ото льда.
Для анализа используются радиолокационные снимки Sentinel-1, позволяющие осуществлять мониторинг ледового покрова, невзирая на облачность и короткий световой день зимой.
После скачивания спутниковых снимков выполняется их предобработка с помощью сопроводительного программного обеспечения SNAP (Sentinel Application Platform) с целью коррекции геометрических искажений, радиометрической коррекции и калибровки данных.
В программной реализации анализа спутниковых снимков использовался язык программирования Python с соответствующими поставленной задаче библиотеками: OpenCV – реализация алгоритмов компьютерного зрения, Matplotlib – визуализация данных, GDAL - чтение и запись растровых форматов геопространственных данных, Pyproj - картографические преобразования между разными системами координат. Полученные результаты автоматически визуализировались в университетской геоинформационной системе на платформе NextGIS.
Процесс обнаружения и уточнения кромки льда включал предварительную сегментацию изображения на области, соответствующей воде, льду и суше. В результате создавалась маска льда, определяющая области, соответствующие ледяному покрову. Для улучшения качества выделенных границ выполнялась нормализация градиента яркости изображения, бинаризация и морфологическая операция «закрытие». Для определения формы и положения ледяного покрова применялся алгоритм поиска контуров с последующей их фильтрацией по площади для устранения шума и получения гладкой, непрерывной линии кромки льда.
Разработанные программные модули позволяют построить инструмент для своевременного детектирования границ морского льда, основанный на обработке спутниковых снимков методами классического машинного зрения, реализующий меры навигационной поддержки в полярных регионах.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-17-20021, https://rscf.ru/project/24-17-20021/ и Минобрнауки Мурманской области согласно Соглашения от 03.05.2024 № 199.