[發明專利]一種合成孔徑雷達海冰漂移探測方法、系統、設備及應用

在審

• 申請號: 202011244803.3
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112446303A
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發明（設計）人: 張晰;李曉娜;孟俊敏;朱藝洵
• 申請（專利權）人: 自然資源部第一海洋研究所
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/62;G06T7/11;G06T7/136;G06T7/215;G06T7/238;G06T7/246;G01S13/90
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 盛君梅

本發明屬于海冰動力學特性數據處理技術領域，公開了一種合成孔徑雷達海冰漂移探測方法、系統、設備及應用，對SAR數據進行降分辨率處理，提取低分辨率圖像中的冰裂縫區域；冰裂縫區域常為長條特征，具有高旋轉不變形以及較強的抗噪能力，使用PM方法在規則網格上對低分辨率SAR圖像進行第一次漂移估計，提取冰區的整體漂移方向和速度；將提取的主方向約束FT方法對原始分辨率SAR圖像中的搜索和匹配區域，得到海冰漂移結果。從海量SAR數據中實現高分辨率的海冰漂移自動探測，是當前掌握極區海冰動力學性質，更好的了解全球氣候變化的重要需求。本發明利用了北極3對雙極化Sentinel?1SAR影像開展實驗驗證。

技術領域

本發明屬于海冰動力學特性數據處理技術領域，尤其涉及一種合成孔徑雷 達海冰漂移探測方法、系統、設備及應用。

背景技術

目前：海冰漂移強烈影響極區海冰厚度分布，進一步控制海洋—大氣—海 冰三者的能量通量交互。另外，極地海冰由高緯度向低緯度漂移并最終融化的 過程，是地表淡水的重要來源，在世界海洋動力學中起著重要作用。因此，在 大范圍的空間和時間尺度上估計海冰漂移能夠有助于理解和描述海冰動力學特 性，同時也有助于更好地了解全球氣候變化過程。在全球氣候變化、海冰范圍 不斷縮小的大背景下，極區的海上航運和海上作業活動呈激增趨勢，這要求高 精度、高分辨率、近實時的監測海冰漂移過程，以降低極地冰區的作業事故風 險。例如，2012年夏季，楚科奇海的一次海上石油鉆探突然停止，就是因為不可預測的碎冰入侵，從而威脅到人員和船舶的安全。隨著極區海上活動的增加， 以及海冰力學強度變弱和流動性變強，這些事件將變得更加普遍。

遙感技術是開展海冰漂移監測的有效手段。在過去幾十年中，基于微波輻 射計和微波散射計已能夠提供分辨率為6-50km的海冰漂移產品。但這些數據的 分辨率太粗，無法提供精細的海冰漂移產品，也無法觀測到海冰運動時產生的 形變特征，這類產品對海上作業、極區海上航行安全等活動的幫助有限。與微 波輻射計和微波散射計相比，合成孔徑雷達(SAR)不僅不受云霧和光照影響， 而且具有高分辨率的優勢(通常為幾米或幾十米)，能夠提供高分辨率的海冰 漂移產品，逐漸成為極地海冰漂移監測的主要傳感器。

當前主流的SAR海冰漂移探測方法可分為模式匹配方法(Pattern Matching, PM)和特征跟蹤方法(Feature Tracking,FT)兩大類。模式匹配方法是一種基 于移動模板的圖像匹配方法，歸一化互相關(Normalized cross-correlation，NCC) 和最大互相關(Maximum cross-correlation，MCC)是最早應用于SAR海冰漂移 探測的兩種PM方法。Thomas(2008)利用改進的歸一化互相關算法，實現了 高分辨SAR海冰漂移探測。Lavergne等(2010)使用MCC算法提取了QuickSCAT 散射計和SSM/I輻射計的海冰漂移場，得到了與浮標數據較為一致的海冰漂移 結果。Fanny等(2012)在融合QuickSCAT、ASCAT、SSM/I多源遙感數據的 基礎上，使用MCC算法對極地海冰漂移進行了監測。然而，NCC和MCC方法 易受SAR圖像噪聲影響，且對旋轉漂移的海冰失效。為了克服模式匹配方法不 能探測旋轉海冰的缺陷，相位相關(Phase correlation，PC)提出用于探測海冰 漂移。Thomas等(2011)構建的高分辨率海冰漂移跟蹤系統就是采用的串聯結 構式的相位相關方法。Alexander等(2012)將PC方法應用于RADARSAT-2 雙極化SAR數據的海冰漂移探測監測。PC方法相較于MCC或NCC方法，雖 然能夠提高算法的抗噪能力，但總的來說模式匹配這類方法，依賴于兩個時序 圖像有明顯相似的特征。對于當前大幅寬的SAR圖像來說，其入射角范圍跨度 大，相似區域在不同的入射角情況下，相似性明顯降低，在一定情況下會降低 匹配率。另外，模式匹配方法在操作時需要對兩個時序圖像分別進行滑窗運算， 對于當前大幅寬SAR圖像而言(例如分辨率為40m的Sentinel-1)，計算耗時 長、效率低，且生成的海冰漂移產品分辨率與采用的滑窗大小相同(通常為原 分辨率的10倍以上)，低于SAR圖像的原始分辨率。