基于数字图像处理的海冰参数识别与统计分析

摘要

海冰是一种常见自然情况，在全球气候及海洋生态系统中均扮演着十分重要的角色。在海冰存在区域，极易出现浮冰，浮冰在风和海流作用下，具有较高速度，对极区、副极区和高纬度寒区海域的海上钻井平台、渔业养殖、船舶航行和人类活动带来严重的影响。然而，随着科技发展及极区蕴含丰富的自然资源，人类对于寒区利用和开发的活动呈现出上升的趋势，例如商用或科研考察航行和寒区海岸基础建设等，尤其是近海油田的开发，更是趋于常态。为了保障寒区作业的安全，从20世纪50年代开始针对海冰的物理力学性质、海冰漂移轨迹、海冰生消等方面进行了一系列研究。
　　现行海冰监测主要包括:沿岸基础力学实验、油气作业区现场定点监测、无人机航测和破冰船监测。其中，基于海洋平台的现场定点监测具有误差小、范围广、连续性好、准确性高等优点，为冰期油气平台正常运转提供了及时可靠的现场海冰数据。我国自1990年开始对渤海油气田开发以来，在JZ20-2海洋平台上逐渐发展了健全了海冰现场监测系统，主要包括:海冰数字图像监测系统、海冰雷达监测系统、卫星遥感监测系统，对该海域的海冰速度、密集度、冰厚进行了系统、长期的现场监测，同时通过振动探头、应力盒、气象仪等设备完成对油气平台结构的冰激振动、冰荷载及该海域的气象、水文要素进行同步监测。
　　为了更好的分析海冰在JZ20-2海域的漂移轨迹，本文在2012-2013年冬季，对JZ20-2海域的海冰漂移轨迹采用了全冰期雷达定点监测。通过海冰雷达图像处理系统进行处理，得到了该海域每隔10 min的海冰冰速与冰流向，共采集有效数据样本6883组。在此监测数据基础上，可对该海域冰速的概率分布进行统计分析，并确定不同天气条件下的海冰漂移轨迹，为合理的通过现场监测数据预测该海域海冰漂移行为提供了依据。
　　本文通过对海冰卫星遥感图像研究，从中可以准确的提取出卫星遥感图像中的海冰浮冰位置、尺寸、密集度等信息，该系统采用去噪、腐蚀、图像二值化等算法，可以为渤海海冰的数值计算提供相应的海冰信息，通过数据库完成对海冰边界的提取工作。
　　为了更好提取海冰参数，同时与雷达提取海冰数据对应，本文针对JZ20-2海域海冰现场图像监测的10年数据，得到该海域近十年的总冰期、有效冰期、各年的海冰情况，对JZ20-2平台附近海冰参数概率密度统计，得到该海域历年的海冰工况。同时，专门统计了2009-2010年海冰参数与平台振动之间关系，为该海域冬季采油平台安全作业提供相应的参考。
　　除此之外，本文针对第32次南极科考的机会，在“雪龙”号安装了图像采集装置，对沿途的海冰信息进行记录。通过海冰图像密集度提取软件对沿途的海冰密集度信息进行提取，得到了沿途海冰密集度信息，为南极科考积累的大量信息。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 我国冰情概况

1．3 海冰监测方法

1．3．1 海冰数字图像监测系统

1．3．2 海冰雷达图像监测系统

1．3．3 海冰卫星遥感图像处理系统

1．4 本文主要工作内容

1．4．1 海冰雷达图像监测系统

1．4．2 海冰卫星遥感图像监测系统

1．4．3 基于JZ20-2海冰参数的统计分析

1．4．4 南极海冰密集度统计

2 基于辽东湾海洋平台雷达监测的海冰速度分布特性分析

2．1 引言

2．2 基于海洋油气平台的海冰雷达监测及数字图像处理系统

2．2．1 辽东湾JZ20-2油气平台上的海冰雷达监测系统

2．2．2 海冰雷达监测的数字图像处理系统

2．3 辽东湾JZ20-2油气作业区的海冰漂移轨迹分析

2．3．1 全冰期海冰雷达连续测量

2．3．2 海冰漂移速度及流向的概率分布

2．3．3 海冰漂移速度和冰向的联合概率分布

2．3．4 不同天气条件下海冰的漂移轨迹

2．4 小结

3 基于渤海海冰卫星图像尺寸分析边界提取

3．1 引言

3．2 海冰卫星遥感图像的数字图像处理方法

3．2．1 卫星遥感图像预处理

3．2．2 兴趣区域的选择

3．2．3 海冰卫星遥感图像的二值图

3．3 卫星遥感图像海冰冰块尺寸识别

3．3．1 算法介绍

3．3．2 冰块尺寸信息提取结果

3．4 小结

4 基于现场监测数据的海冰参数统计分析

4．1 引言

4．2 JZ20-2定点监测技术

4．2．1 JZ20-2海域海冰冰厚监测方法

4．2．2 JZ20-2海域海冰冰速监测方法

4．2．3 JZ20-2海域油气平台振动监测

4．3 海冰参数统计分析

4．3．1 JZ20-2冰期分布统计

4．3．2 JZ20-2海域冰速分布特点

4．3．3 JZ20-2海域冰向分布特点

4．4 海冰参量与平台冰激振动的影晌

4．4．1 JZ20-2海域冰厚对平台结构振动影响

4．4．2 JZ20-2海域冰速对平台结构振动影响

4．4．3 JZ20-2海域海冰强度对平台结构振动影响

4．4．4 JZ20-2海域海冰参数与平台结构振动之间的关系

4．5 小结

5 雪龙号南极海冰密集度

5．1 引言

5．2 雪龙号第32次南极科考

5．3 海冰图像处理软件

5．4 “雪龙号”航线海域海冰密集度

5．4 小结

6 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢