Ship-based television complex – the program for automatic sea ice thickness monitoring

Keywords: Arctic Basin, ice thickness, ice concentration, ice age, ship observations, ice condition forecast, ice monitoring network, ice charts validation

Основным источником оперативной информации о ледовой обстановке в Арктическом бассейне и замерзающих морях умеренных широт являются данные искусственных спутников Земли (ИСЗ),получаемые в различных спектральных диапазонах – видимом (ТВ), инфракрасном (ИК) и радиолокационном (РЛ), а также данные пассивного микроволнового зондирования. Дешифрирование спутниковых снимков является процессом обнаружения, распознавания и интерпретации изображенных объектов ледяного покрова, суши и др. 

Результатом дешифрирования снимков ИСЗ являются обзорные и детализированные карты распределения льда. Обзорные ледовые карты отображают состояние ледяного покрова моря или нескольких морей за период 2-3 дня. Детализированные ледовые карты –это карты крупномасштабного формата, которые составляются для конкретной акватории (моря, залива, бухты, полигона и т.п.)за определенное время. Такие карты используются для оперативного обеспечения судоходства,исследовательских работ, а также используются при составлении ледовых прогнозов.

В настоящее время существует большое количество алгоритмов автоматизированного дешифрирования спутниковой информации, каждый из которых адаптирован под определенные типы или группы типов спутниковых данных, все они имеют свои положительные и отрицательные стороны, что в конечном итоге приводит к необходимости ручной корректировки результатов дешифрирования [1,2]. Построение обзорных и детализированных ледовых карт требует участия высококвалифицированных специалистов и длительного времени, затрачиваемого на анализ имеющейся информации.

Важнейшим критерием прогноза ледовой обстановки является валидация (аттестация качества и достоверности) ледовых карт, когда результаты дешифрирования и картирования сравниваются с данными натурных измерений параметров ледяного покрова. Такие данные можно получить, только проводя специальные ледовые наблюдения непосредственно в районах, для которых осуществляется прогноз и картирование ледовой обстановки [3, 4]. Также результаты натурных измерений используются при уточнении алгоритмов дешифрирования спутниковой информации.

К сожалению, в настоящее время производство специальных ледовых наблюдений осуществляется эпизодически и точечно, что обусловлено высокой стоимостью экспедиционных работ. Такой подход не обеспечивает достаточного пространственного и временного охвата для формирования оперативной базы данных натурных наблюдений. 

Для своевременной и качественной валидации результатов дистанционного мониторинга ледовой обстановки и повышения степени детализации ледовых карт необходимо иметь гибкую и пространственно-распределенную систему сбора данных натурных наблюдений. В современных реалиях такая система обязана состоять из большого количества недорогих регистрирующих модулей, способных производить измерения в автоматическом режиме и оперативно передавать результаты в центр сбора и обработки информации. 

Одним из ключевых параметров, характеризующих состояние ледяного покровав исследуемом районе, наряду с общей сплоченностью, торосистостью и разрушенностью льда является его толщина и возрастной состав льдов.

1.   Методы   измерения толщины морского льда

Морской лед, в отличие ото льда континентального, образуется в результате замерзания морской (соленой) воды и в процессе своего существования претерпевает многочисленные структурные изменения, чем обусловлена его сложная внутренняя структура. Так, ровный морской лед имеет некоторую вертикальную слоистость (в первом приближении) и такие физические параметры как температура, соленость, плотность и структура в значительной мере закономерно изменяются по вертикали в пределах отдельной льдины или  однородного (ровного) участка ледяного покрова. Деформированный морской лед (наслоения,торосы) имеет более сложную внутреннюю структуру. Такая особенность приводит к значительным затруднениям при измерении толщины морского льда традиционными средствами.

1. Бурение – наиболее точный метод измерения толщины морского льда. К сожалению, для производства широкомасштабных натурных наблюдений данный метод совершенно не подходит ввиду длительности и финансовой затратности. Данный метод эффективендля производства локальных контрольных измерений.

2. Акустический метод (эхолокация) – наиболее точный метод из всех существующих решений для дистанционного зондирования ледяного покрова, успешно применяется на подводных лодках и необитаемых подводных аппаратах, в частном случае на погружаемых гидроакустических буях. К сожалению, в силу ряда объективных причин данные измерений толщины льда акустическим методом не доступны или ограниченно доступны и не подходят для решения задач оперативного мониторинга. В случае применения гидроакустических буев, получение данных возможно только в отложенном режиме, что наряду с дороговизной элементов и ограниченной применимостью по глубинам не подходит для решения поставленных задач.

3. Электромагнитный метод (георадар) – наиболее распространенный метод малого и среднего глубинного зондирования на суше. Ввиду значительной изменчивости солености морского льда, а также «слоистости», переменное электрическое сопротивление проницаемого материала приводит к подавляющему искажению и затенению отдельных зон. В настоящее время научными институтами и лабораториями различных стран (США, Канада, Германия) проводятся экспериментальные работы в рамках данного метода [5], но добиться устойчивости результатов измерения толщин морского льда относительно контрольного бурения на локальных полигонах в настоящее время не удалось. При переходе буквально от льдины к льдине, системы нуждаются в серьезной калибровке. Данный метод не подходит для решения задач оперативного мониторинга.

4. Радиолокационный метод (спутниковое зондирование) – данный метод имеет низкую разрешающую способность ±1м, что делает его бесполезным при измерении характерных толщин арктических морских льдов 0.5-2.0 м. Радиолокационный метод измерения толщины морского льда (авиационный) был реализован в разработках Рижского института инженеров гражданской авиации в середине 80-х годов XX века. Было выпущено несколько типов такого прибора: «Аквамарин», «Омар» и «Припай». Однако все эти приборы были предназначены для измерений толщины морского льда с борта воздушного судна (самолеты ИЛ-14, ИЛ-18, АН-30). Разработка модификации этих приборов для морских судов не проводилась. Масштабное использование РЛ комплекса авиационного базирования в значительной мере осложнено современными экономическими реалиями.

5. Визуальные/телевизионные судовые измерения – в настоящее время наиболее распространенный метод измерениятолщиныморского льда. Суть метода заключается в наблюдении за выворотами отдельных льдин при движении судна. При самостоятельном движении судна во льдах, непосредственно у борта, регулярно выворачиваются отдельные обломки льдин, которые, занимая положение близкое к вертикальному, и обеспечивают возможность оценить толщину бокового скола. Измерения толщины производятся визуально относительно масштабной рейки или, в случае применения телевизионного комплекса, относительно заранее измеренных контрольных величин путем геометрических расчетов оптических параметров регистрирующей камеры. Точность измерения толщины морского льда составляет ±10 см при визуальной регистрации и ±2 см при использовании телевизионного комплекса. Достоинства и недостатки данного метода подробно рассмотрены в разделе 2.

Как видно, выбор из существующих методик измерений толщины морского льда для осуществления недорогих масштабных натурных наблюдений не богат и сводится к судовым телевизионным наблюдениям. 

 2.   Судовой телевизионный комплекс (СТК)

Судовой телевизионный комплекс (СТК) представляет собой систему видеоконтроля, адаптированную специалистами ФГБУ «ААНИИ» для специфических условий судовых ледовых наблюдений [6]. Основная задача, решаемая с помощью СТК, – частичная автоматизация специальных ледовых наблюдений (измерение толщины морского льда), их унификация и исключение влияния субъективных факторов на объем и качество наблюдений.Измерения осуществляются в соответствии с «Рекомендациями № 52.17.3 «Толщина льда у борта судна. Методика выполнения измерений судовым телеметрическим комплексом». ААНИИ (2009 г.).

Комплекс конструктивно состоит из двух модулей. Модуль регистрации, включающий в себя телевизионную камеруи систему позиционирования GPS, осуществляет непрерывную (2 сек.) сьемку морского льда у борта судна и обеспечивает точную временную и координатную привязку получаемых изображений. Программно-аппаратный модуль архивирует получаемые данные и выделяет снимки, содержащие отдельные вывороты льдин, подлежащие измерению (рис. 1), а также производит запись основных параметров движения судна. Полученные снимки используются для измерения толщины морского льда и высоты снежного покрова. 

 ..        

Рисунок 1 - Слева пример выворота льдин при движении атомного ледокола «50 лет Победы», 2018 г. Справа снимок выворота льдины, выполненный комплексом СТК

При измерениях используется специальное программное обеспечение (ПО) с учетомзаранее известных контрольных величин оптической системы. 

Результатом работы СТК является массив данных о толщинеморского льда и снежного покрова на всем протяжении маршрута ледового плавания.

Опыт применения комплекса на протяжении 15 лет (с 2003 г.) показал его высокую эффективность при производстве натурных наблюдений, но в то же время выявил ряд определенных недостатков. К основным недостаткам относятся: относительность измерений толщин на основе геометрических построений, невысокая устойчивость ключевых контрольных величин оптической системыкомплекса при наличии кренов судна во время активного движения во льдах,что приводит к резкому увеличению «невязок» при последующей обработке. Так же необходимо отметить относительную дороговизну «защищенных» систем видеоконтроля, используемых в составе комплекса и приобретаемых у производителей в виде готового решения.

Отдельно следует остановиться на выявленных проблемах автоматизации процессов измерения. Так как основным результатом регистрации является массив растровых изображений, получаемых при динамически переменном освещении, контрастность и тоновая насыщенность искомых объектов (выворотов льдин) невелика относительно фонового изображения. Многочисленные версии специализированного ПО, применявшиеся в процессе эксплуатации СТК, выявили низкую стабильность автоматизированного поиска и оконтуривания боковых сколов льдин. В результате итогом автономной работы комплекса СТК является обширный массив данных, непригодных к оперативной передаче в условиях реальной пропускной способности телекоммуникационных сетей в полярных регионах. Длительность и трудоемкость ручной обработки данных оператором комплекса не позволяет обеспечивать оперативную передачу результатов натурных наблюдений в центр сбораинформации.

В итоге можно заключить, что комплекс СТК представляет собой эффективное решение для производства периодических натурных наблюдений, но в его текущем состоянии не пригоден для реализации системных мониторинговых работ. 

3.   СТК-К – реализация автоматизированной системы натурных наблюдений толщин морского льда

В настоящее время в лаборатории изучения ледового плавания ААНИИ реализуется проект по глубокой модернизации программно-аппаратного решения комплекса СТК. Целью проектаявляется создание автоматизированной системы натурных наблюдений толщин морского льда (СТК-К), на основе имеющихся опытно-эксплуатационных наработок.

Ключевыми задачами проекта модернизации являются: 

·   переход от относительных измерений к прямым (лазерное сканирование); 

·   повышение точности измерений (до ±0,5 мм);

·   обеспечение устойчивой работы, как в дневное, так и в ночноевремя;

·   внедрение цифровой оценки структуры морского льда с целью определения возрастных и эволюционных характеристик (по данным лазерной фотометрии);

·   сокращение объёма данных, производимых непосредственно на борту судна (автоматизация обработки в режиме реального времени);

·   обеспечение оперативности передачи данных натурных наблюдений на сервера ААНИИ для использования в процессе валидации спутниковых снимков и осуществления научно-оперативного обеспечения морской деятельности; 

·   общее аппаратное удешевление стоимости автономного регистратора входящего в систему СТК-К;

·   организация автоматизированного центра контроля/управления и приема данных наблюдений.

При глубоком инженерно-техническом анализе недостатков действующегокомплекса был выявлен ключевой момент, определяющийвсе существующие технические проблемы - относительность измерений. В процессе эксплуатации СТК не удалось создать эффективного ПО, способного автоматически выявлять и измерять боковые сколы льдин в поле слабоконтрастного растрового изображения. Решение такой задачи возможно с применением самообучающейся нейронной сети, что трудно реализуемо по техническим и финансовым причинам.В итоге в полной мере проявились проблемы больших массивов данных и длительной ручной обработки.

Современное развитие мощных, недорогих и общедоступных лазерных излучателей породило целую плеяду сканирующих устройств различного назначения. В то же время на рынке появилось большое количество фоторегистрирующих устройств с высоким разрешением и, что не менее важно, низкой себестоимостью. 

В 2018 г. сотрудниками лабораторииизучения ледового плавания ААНИИ разработана модель цифрового лазерного сканирующего устройства, призванного дополнить, а в дальнейшем и заменить существующий СТК. На рисунке 2 показана принципиальная схема регистрирующего компонента лазерного сканирующего устройства. Рассчитанная на применение недорогих общедоступных компонентов такая модель в первую очередь снижает финансовую нагрузку при реализации системы. При этом эффективно решается проблема относительности измерений: система проводит точные измерения и имеет устойчивую обратную связь, реализующую непрерывную корректировку измерений, учитывая любые внешние динамические изменения на пути следования судна. 

Основным результатом работы такой системы является не объемный массив растровых данных, а цифровая таблица результатов измерений, имеющая весьма скромный размер и пригодная к оперативной передаче в рамках существующих телекоммуникационных каналов. Все расчётные и вычислительные операции проводятся компонентами системы непосредственно на борту судна автоматизированно в режиме реального времени. Что превращает любое судно, оснащённое регистрирующим компонентом СТК-К, в индивидуальную регистрирующую единицу в составе системы регистрации толщины морского льда. 

Рисунок 2 - Принцип создания цифровой развертки рельефа на CMOS  матрице при вертикально расположенной камере. Зеленым цветом показан полосовой лазер подсекающий рельеф, красным - сдвоенный корректирующий лазерный дальномер, желтым цветом показана цифровая модель рельефа поверхности, регистрируемая  CMOS матрицей

Проведенные в 2018 г. экспериментальные работы по оценке ключевых параметров модели не только подтвердили техническую состоятельность проекта, но и выявили перспективный ряд дополнительных возможностей. 

В отличие от функциональных возможностей существующего СТК, где измерению подлежат только вертикальные и близкие к вертикальным вывороты, лазерное сканирующее устройство способно измерять практически любые вывороты льдин, независимо от угла выворота относительно вертикали. Необходимым условием измерения является только полный выход бокового скола льдины над поверхностью воды. 

При проведении лазерной фотометрии боковых сколов льдин выявлена возможность автоматизированного определения их структуры (слоистости), на основе интенсивности рассеяния/отражения несущего луча. Используя информацию о структуре бокового скола льдины можно достоверно определять ее возрастные характеристики и, помимо профиля толщин льдов при движении судна, получать так же и профиль распределения возрастного состава льда, что в разы увеличивает применимость и полезность получаемых данных. 

В течение 2019-2020 гг. планируется ввести в эксплуатацию первую очередь автоматизированной системы натурных наблюдений толщины морского льда СТК-К. Система будет включать в себя несколько судовых автономных модулей регистрации и автоматизированный центр контроля/управления и приема данных.Дальнейшее развитие системы будет целиком зависеть от финансирования заинтересованными организациями. В настоящий момент программа является инициативной. 

4.   Заключение

В настоящее время транспортная артерия Северного морского пути переживает период бурного развития. Строятся и вводятся в эксплуатацию новые суда различного ледового класса и назначения. На отдельных участках Северного морского пути навигация носит круглогодичный характер. В летне-осенний период активно развивается транзитное плавание.

В то же время результаты многолетних наблюдений за арктическими льдами показывают постепенное увеличение количества морского льда. Начиная с 2012г., когда были зарегистрированы наименьшие навигационные затруднения на трассах Северного морского пути, появилась четкая тенденция к усложнению ледовых условий год от года [7, 8]. 

Существующая в настоящее время система оперативной оценки фактической и прогностической ледовой обстановки имеет недостаточную точность и детализацию для полноценного обеспечения безопасности ледового плавания. Реализация автоматизированной системы натурных наблюдений толщин морского льда СТК-К позволит существенно повысить качество и эффективность научно-оперативного обеспечения морской деятельности в ледовых условиях.

5.      Благодарности

Автором идеи создания СТК является ведущий программист ААНИИ Анатолий Эвадьевич Клейн (1954-2017 гг.). 

Под руководством А.Э. Клейна и с его личным участием комплекс был разработан и внедрен в практику судовых специальных ледовых наблюдений. 

А.Э. Клейн принимал самое активное участие на всех стадиях работы над СТК – идеи, создание опытного образца, модификации комплекса, разработки программного обеспечения, обеспечения функционирования комплекса в многочисленных арктических экспедициях, обработки полученных данных, их анализа и интерпретации.

Настоящая работа посвящается памяти А.Э. Клейна.