利用COSMO-SkyMed高分辨率SAR影像的西北航道区域海冰分类和可通行性分析

论文摘要

西北航道作为连接大西洋和太平洋最短的航道,具有显著的经济效益和战略意义。广泛分布的海冰是该地区的明显特征,严重影响了船舶航行的安全。为确保冰区航行的安全性,需要分析其可通行性,因此有必要掌握一定程度的海冰信息,如海冰类型、海冰密集度等,一般来说当海冰密集度六成以下,就可以航行。目前针对海冰监测需利用多种工具和仪器,例如浮标、破冰船、飞机等,但这类仪器都难以进行实时的、大范围的海冰监测,所以针对大范围如西北航道这类区域利用的是卫星遥感技术,而其中合成孔径雷达（SAR）以其不受天气影响,可以全天时、全天候、高分辨率地获取数据的优势被广泛应用。海冰监测的手段也多通过人工解译的方式,且由于所用数据分辨率普遍较低,分类效率也不高,难以描述海冰细节,可能会造成误分类的情况。针对这个情况,本文使用COSMOSkyMed的高分辨率SAR数据,进行目标区域的海冰、海水分类;利用分类结果计算目标区域的海冰密集度;结合航道宽度实现对航道区域的可通行性分析。同时使用被广泛用于极地研究的Sentinel-1数据进行对比。主要工作如下:1.筛选出西北航道的巴罗海峡区域作为实验区域,利用COSMO-SkyMed的Level 1C产品（GEC）HH极化的聚束模式（Spotlight）数据以及经过预处理的Sentinel-1数据的1级地距影像（GRD）产品HH极化的超宽幅模式数据;2.利用超像素分割以提高分类效率;3.提取灰度共生矩阵（GLCM）中的对比度、能量、同质性、相关性特征加灰度特征的组合特征方式,作为海冰影像的特征,构建样本集;4.利用支持向量机（SVM）模型对训练样本进行分类,得到分类器模型,到此实现海冰的监督分类;5.利用海冰分类的结果,对实验海域进行海冰密集度计算以分析实验区域的可通行性,具体做法是根据分类结果,按照船舶体量要求的航线宽度划定滑动窗口,统计各窗口的海冰密集度,基于蚁群算法将高于60%判定为障碍,从而实现航道区域的可通行性分析。实验证明,本文提出的组合特征的方式相比于单一使用GLCM或者灰度特征在分类精度上有所提高,组合特征中灰度特征权重为5时,利用组合特征构建样本的方式满足海冰分类的要求;分类的结果可以被用来对冰区进行海冰密集度计算;在特定区域的可通行性问题中,COSMO-SkyMed数据表现出了更好的适用性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 选题背景与研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 海冰监测研究现状
•     1.2.2 SAR影像的海冰分类研究现状
•     1.2.3 海冰密集度研究现状
•   1.3 研究内容
•     1.3.1 研究内容与方法
•     1.3.2 技术路线与文章结构
•   1.4 本章小结
• 2 实验区概况与实验数据介绍
•   2.1 西北航道关键区域
•   2.2 实验区域选择
•   2.3 COSMO-SkyMed数据与Sentinel-1 数据介绍
•     2.3.1 COSMO-SkyMed数据
•     2.3.2 Sentinel-1 数据
•   2.4 COSMO-SkyMed数据在海冰和海水的具体表现
•   2.5 本章小结
• 3 多特征融合的海冰图像分类
•   3.1 数据预处理
•     3.1.1 辐射定标
•     3.1.2 斑点去噪
•     3.1.3 几何校正
•   3.2 超像素处理
•   3.3 训练样本的构建
•     3.3.1 灰度共生矩阵
•     3.3.2 灰度特征
•     3.3.3 组合特征
•   3.4 利用支持向量机模型进行海冰分类
•     3.4.1 二分类
•     3.4.2 多分类
•     3.4.3 核函数
•   3.5 本章小结
• 4 航道区域可通行性分析
•   4.1 航道设计标准
•   4.2 主要北极航行船舶介绍
•   4.3 海冰密集度的计算
•   4.4 利用海冰密集度信息进行航道可通行性分析
•     4.4.1 密集度判断
•     4.4.2 蚁群算法介绍
•     4.4.3 基于蚁群算法的可通行性分析
•   4.5 本章小结
• 5 实验分析
•   5.1 灰度共生矩阵（GLCM）特征参数调节
•   5.2 不同特征提取方式的分类结果
•   5.3 分类精度的验证
•   5.4 不同数据的分类结果比较
•     5.4.1 COSMO-SkyMed数据海冰分类
•     5.4.2 Sentinel-1 数据海冰分类
•     5.4.3 不同数据的分类比较分析
•   5.5 不同数据的可通行性比较分析
•     5.5.1 不同数据的可通行性分析
•     5.5.2 COSMO-SkyMed航线规划适应性实验
•     5.5.3 Sentinel-1 航线规划适应性实验
•   5.6 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 研究内容总结
•   6.2 主要创新点与贡献
•   6.3 后续工作与展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 潘荔君

导师: 康志忠

关键词: 西北航道,海冰分类,海冰密集度,可通行性分析

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P731.15

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000520

总页数: 87

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