Автоматическое выделение вихрейпо спутниковым ИК - изображениям

А.И. Алексанин, М.Г АлексанинаИнститут Автоматики и процессов управления ДВО РАН

690041, Владивосток, Радио 5, (4232)310468 aleks@iacp.vl.ru

На спутниковых ИК (инфракрасных) изображенияхобъекты океанской циркуляции - вихри, струи ифронты ярко проявляются в поле поверхностныхтемператур.Автоматическое выделение этих объектов иоценка их пространственных и динамическихпараметров является одной из наиболее важныхпроблем мониторинга океана и атмосферы.Условия спутниковых наблюденийповерхности океана в дальневосточномрегионе характеризуются сложной облачнойобстановкой холодными и теплыми туманами(особенно в Охотском море), повышенной влажностиьюатмосферы, аэрозолями.Задача состоит в адаптации разрабатываемыхметодов выделения, прослеживания и оценкипараметров природных объектов на море ксложным облачным условиям региона.

Направление яркостного контраста ij -

направление, ортогональное образу вектораяркостного градиента

uij =Ge-i.Оценка доминантной ориентациитермического контраста (ДОТК)

*mn:

ij min,

ij =W(ij)min{ ij -*

mn , ij -*

mn - },

где W(ij) - весовой коэффициент.Для оценки статистической значимости ДОТК

используется неравенство Маркова

( –допустимая мера разброса).

P*: P{ij<}>1-(M

ij)/Из требования удовлетворения

точности с вероятностью P*P{

ij < } > P*получаем условие выделения ДОТК

Mij < (1-P*) ,

где Mij =(

ij)/W(ij) .Параметры работы метода.

=/4, a=7км, b=15км

Поле яркости

{ I ij} , ijaa

Поле градиентов яркости

{Gijei

ij }, ij

-,+

a/2

Gx={ [Ii+a/2,j+d-I i-a/2,j+d]}/a d = -a/2

a/2

Gy={[Ii+d,j-a/2-I i+d,j+a/2]}/a d = -a/2

Поле ориентаций контрастов

{Kijeiij },

ij = ij -/2 :

ij0,+

Поле доминантных ориентацийконтрастов

= (ij) :(i,j) [ bxb]

a

b

ММееттоодд ввыыддееллеенниияя ттееррммииччеессккиихх ссттррууккттуурр ппооввееррххннооссттии ооккееааннааннаа ооссннооввее ооррииееннттиирроовваанннныыхх ттееккссттуурр..

Основные свойства (ДОТК)

Сравнения с полем скоростей поверхностных течений показали, чтоДОТК хорошо коррелируют с направлениями скоростей поверхностных течений. Тем выше скорости, тем выше коэффициенты корреляций.

0.9<<1.0 ||V||> 30sm/s0.7<<0.9 ||V||>20sm/s0.5<<0.7 ||V||> 5sm/s

Тангенциальная составляющая скорости

Осредненные доминантные ориентации

Скорости течений иэллиптическая модель вихря

Вихрь в Охотском море-ИК изображение

Основные свойства (ДОТК)Для антициклона в Охотском море

методом морских маркеров былипостроены скорости течений, наоснове которых определеныгеометрические характеристикивихря.

Cравнивались радиальнаяструктура скорости течения идоминантных ориентаций контрастоввихря. Для этого рассчитывалисьрасстояния вдоль радиуса отсоответствующего вектора скоростидо центра вихря и компонентыскорости – (перпендикулярнорадиусу) Vt и нормальная (вдольрадиуса) Vn.

1) У ДОТК есть наклон к зонемаксимальных скоростей (как иожидалось).

2) Сдвиг скорости слева большечем справа и поэтому доминантныеориентации слева менее отклоняютсяот вертикали.

3) К периферии вихрястатистическая значимость ДОТКуменьшается.

ВВРРЕЕММЕЕННННААЯЯ УУССТТООЙЙЧЧИИВВООССТТЬЬ ДДООТТКК. PRB(t)На термических структурахсиноптического масштаба (20-60км) исследоваласьизменчивость меры надежности,или статистической значимости,оценки ДОТК. Экспериментпроводился на трехсуточнойсерии изображений Японскогоморя (с 6 по 9 мая 1995г.). Длякаждой доминанты исходногоизображения за 6.05.95 по серииизображений рассчитывалась ееновая, средняя по времени,статистическая значимость идисперсия. По дисперсииоценивалась стабильностьдоминанты. Результаты этихэкспериментов показали, чтоболее половины (64%) доминантбыли пригодны для оценкинаправлений контрастов втечение трех суток. Из тех,которые оказались непригодными, от 1/3 дополовины отсеялись уже запервые 12 часов. Таким образом,большинство ДОТК проявиливременную стабильностьстатистической значимости втечение нескольких дней.

Длина отрезков пропорциональна статистической значимостиДОТК. На рисунке показаны ДОТК с начальной стат. значимостьюболее 0.4: I – красные- (40%) - стат. значимость P>0.1 все время; II –лиловые- (24%) в течение 3-х дней встречалась стат. значимость P>0.1;III -–зеленые (24%) стат. значимость P<0.1 спустя 3 дня; IV – синие(12%) - стат. значимость P<0.1 спустя 12 часов.

На диаграмме изменчивостиd(fi) видно, что чем вышенадежность PRB, тем меньшеизменчивость d(fi). Т.о. еслинеобходима точность угловменее /6, т.е. менее 0.5радиан, то в течение 15 днейможно доверять ДОТК со стат.значимость >0.8.Для 5-идневного интервала

годятся ДОТК состат.значимостью >0.6.

На рисунке показаны изменения угла ДОТК. Как базоваябралась «квази» -мгновенная композиция за 9-10.10.95,цвет связан с изменением d(fi) - \8,\6,\4,\3,\2.

Квази-мгновенные (за сутки) композиции структур (ДОТК) (9-10 октября 1995)сравнивались с предшествующими за 2 недели квази-мгновеннымикомпозициями (20-26 сентября 1995).

ВВРРЕЕММЕЕННННААЯЯ УУССТТООЙЙЧЧИИВВООССТТЬЬ ДДООТТКК. d(fi)(prb)

Композиция ДОТК за 21-30.09.2003(позволяет восстановить циркуляцию

на всей поверхности акватории за 10 дней)

Для сравнения приведены отдельные изображения с21 по 30 сентября 2003 г.,использованные для построения композиции

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕНТРОВ ВИХРЕЙ И ИХ ГРАНИЦ

1. Определение центров вихрей1. Определение центров вихрейa).Для Xi=(xi,yi) для каждого из K секторов вычисляетсяmin k=||Dj-DMj||, J: ||Xi-Xj||<R0 , D0,D'Dj - ДОТК в точке Xj, DMj - оценка линейной модели Dj

DMj= D0+D'j , j - arctg(xj,yj).b). Критерий отбора:b). Критерий отбора:

k < D'k > 0 for k

2. Оценка параметров формы вихрейРадиусРадиус::r={[(x-x0)cos +(y-y0)sin]+ [-(x-x0)sin +(y-y0) cos]}0.5 , 0 r R

Параметры вихря GПараметры вихря G**={x={x00,y,y00,R, ,R, ,,}:}:

(x0,y0) – центр вихря;R – масштаб; - эксцентриситет; - угол отностительно большей оси.Процедура оценки параметровПроцедура оценки параметров:G*=min ||Di

n||, где Din – нормальная составляющая ДОТК.

G i

Результаты работы алгоритма

Скорости поверхностных течений за 10.10.95, полученные метод морских маркеров.

Белые квадратики -потенциальные центры вихрейВнешние эллипсы- границы вихрей: белые - оценка в первом приближении; черные - оценка с оптимизацией.

ВЫВОДЫ:

1. Cтатистически значимые доминантные ориентации термических контрастов (ДОТК) связаны с основными мезомасштабными объектами на поверхности океана– вихрями, течениями и струями.

2. Пространственно-временное осреднение – композиция -позволяет выделить наиболее устойчивые во времени ДОТК. (Около 20% ДОТК с высокой статистической значимостью теряют устойчивость в течении суток.)

3. Композиционные ДОТК, рассматриваемые как аналоги векторов скоростей течений, позволяет в автоматическом режиме оценивать параметры вихревых структур поверхности океана.