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“智汇极地”学术沙龙第34期


——基于图像的极地海冰研究

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发布时间:2021-03-25 08:58:22
浏览:44 次

核心提示:

在极地海冰调查中,利用数字摄影技术可以方便获取大量的海冰图像,这些图像具有极高的空间分辨率,包含了极地海冰分布与变化的重要信息,是卫星遥感和现场观测数据的重要补充和验证。本报告将结合中国极地科学考察,从设备、技术、分析等不同角度介绍基于图像的极地海冰分布与变化研究。

人物介绍:

卢鹏,大连理工大学教授,博士生导师,获得国家自然科学基金优秀青年基金资助(2019),主要从事海冰变化的关键物理过程与参数化研究,承担和参与国家自然科学基金委面上项目、科技部重点研发计划项目、工信部高技术船舶科研项目等十余项,在Journal of Geophysical ResearchThe CryosphereRemote Sensing of Environment等刊物发表SCI论文三十余篇,担任国际水利与环境工程学会(IAHR)冰科学委员会委员。

报告详情:

2020324日上午9点,由武汉大学中国南极测绘研究中心举办的第34期“智汇极地”学术沙龙在中心三楼会议室以及腾讯会议成功举办,中心庞小平教授主持本次讲座。本期讲座嘉宾为来自大连理工大学的卢鹏教授,报告主要介绍基于图像的极地海冰研究(图1),与会者都表示收获颇丰。

1 报告封面

卢鹏教授的报告聚焦基于图像的极地海冰研究,主要分为5个部分:研究意义、海冰航拍、海冰船侧摄像和冰面观测与讨论。

1.      研究意义

报告从NASA网站发布的北极海冰的变化图引入,海冰的变化对国际航线有着重要的影响。近十年以来,我国逐渐重视北极海冰变化的研究。海冰究竟是如何发生变化?未来变化的趋势又是什么?这些问题主要涉及海冰观测和海冰变化的机制等。

首先介绍海冰观测的空间尺度以及海冰的微观结构(如图2所示):

 

2 海冰的空间尺度和微观结构

机载、船载的海冰观测手段的空间分辨率优势,给卫星遥感观测提供了有力补充(如图3所示),同时具备有一些明显的优缺点,优点是空间分辨率高、数据易获取,缺点是数据量巨大,所以如何保证数据处理的质量是数据处理的关键。

3 海冰的观测技术

2.航拍

从最初的搭载在直升机上的观测仪器,到无人机观测,利用机载观测的影像数据得到了海冰密集度、浮冰尺寸。

  

4 机载观测手段

将这种手段方法应用于Prydz湾海冰边缘区(如图5),对海冰边缘区浮冰尺寸的累计频率分布进行统计,在AOI中,浮冰的最小尺寸基本一致,但最大尺寸随着与开阔水距离增大而增大;从开阔水到连续冰层,累计频率分布函数出现了规律性的偏转。对海冰边缘区内浮冰的尺度带状结构进行分布划分,边缘带内波能较大,海冰破碎强烈,尺寸较小;过渡带内波能已大大消耗,尺寸中等,冰间摩擦成为重要因素;内部带内大部分波能耗散殆尽,剩余长周期波,海冰尺寸较大。

 

  

5 Prydz湾海冰边缘区浮冰尺寸的累计频率分布

融池是比较关注的一个问题,处理方法仍是以人工处理和自动处理相结合的方法,从2008年北极夏季海冰表面形态可以看出,海冰表面融池形态变化较大,可得出冰、水、融池面积比随纬度变化规律、融池面积尺寸分布规律,再将结果与卫星遥感产品或前人的结果进行对比(图6)。

 

  

  

6 2008年北极夏季海冰表面形态

3.船基摄像

通过搭载在雪龙船的船基走航观测系统,得到冰厚度参数、海冰图像等。8月上旬和中旬沿航线平均冰厚均以-2cm/a的梯度逐年减少。间隔为的不同纬度区间沿航线海冰厚度也近似呈正态分布,但集中分布范围存在差异。8月上旬和下旬的沿航线平均冰厚分别以2cm/deg5cm/deg的梯度随纬度线性增加,北冰洋中央海域沿航线平均冰厚随纬度线性增加的趋势在各子区域中最为显著(图7)。

  

7 北极海冰厚度分布

4.冰基观测

北极变化的偶然事件对海冰变化的影响比较重要,如降雨、风暴等会加速北极海冰的消融,长期事件和偶然事件同时作用于北极海冰的变化。融池颜色研究是海冰研究的另一个尺度,通过解算RGB分量,能通过该方法深入理解海冰变化的机制。从融池颜色中可以反演出融池底部的海冰厚度,同时该反演算法对于<1m的薄冰更加适用(图8)。

  

  

8 熔池观测

5.总结与讨论

1)数字摄像相对于卫星遥感、人工观测具有一定的优势(更高的空间分辨率、更丰富的海冰表面形态细节、卫星遥感数据的地面验证)。

2)数字摄像易于获取大量的海冰图像数据,但是如何自动化的处理这些数据,需要更多的研究(人工处理、自动处理);

3)在未来极区航行船舶上可以安装影像采集设备,实现冰情的自动获取和识别(硬件、软件、大数据)。

 

报告介绍后,与会的各位老师、同学与卢鹏教授进行了热烈讨论,大家受益匪浅。倾听报告的各位老师和同学对这次讲座精彩纷呈表示感谢!最后,由武汉大学中国南极测绘研究中心的王泽民教授为卢鹏教授颁发纪念证书。

 

(编辑:蒋锫  审核:郝卫峰)

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