基于高分辨率C波段双极化合成孔径雷达的海冰漂移信息提取

Pressure ridges with curvilinear shapes can be observed from high resolution synthetic aperture radar (SAR) imagery, which facilitates the identification of ridges, mainly due to the increased volume scattering inside. Interpretation of sea ice drifting by tracking the displacement of ridge from high resolution SAR is significant for both sea route navigation and improving sea-ice-air coupling model. Regarding the blur structure of sea ice ridge on C band SAR at HH polarization, a structure tensor to constrain its shape is investigated to describe the ridge features in SAR imagery with intense speckle noise. To investigate sea ice surface deformation of SAR, morphology and statistical distribution feature ensemble, degree of ridged ice is estimated using random forests model. A combination of feature tracking and pattern matching method is carried to capture the oriented and rotated key points of the image pair. The spatial and temporal based drifting vector using maximum cross-correlation (MCC) method. Results provide the key technique for investigating linear kinematic features and Arctic sea route navigation, and sea-ice-atmosphere coupling model application.

利用合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)影像上冰脊的体散射特性和线状几何结构特征，研究高分辨率SAR海冰漂移信息提取，不仅可以更好地研究与改进海-冰-气耦合模型，而且有助于北极航道设计与优化，其研究具有重要的科学意义和应用价值。本项目以SAR影像上高亮的线状冰脊为典型目标，针对C波段HH极化方式关键特征模糊等问题，构建引入几何结构相关的结构张量滤波，验证冰脊多尺度特征解译精度；结合纹理、统计分布和形态学等构建高维特征集合，发展随机森林模型脊冰分类方法。在此基础上，考虑海冰漂移过程中的位置变化和旋转变化，研究高精度的漂移信息提取算法。研究成果不仅可以提高冰脊等线状动力学特征的解译精度，也可为利用SAR影像上形变特征追踪海冰漂移等应用提供核心技术支持，提高双极化SAR数据在极地海冰观测的应用水平。

海冰漂移形成的冰脊、冰间水道等，不仅影响了海冰的空间分布，还对大气-海冰-海洋耦合模型的建立和改进具有重要的意义。本项目利用高分辨率C波段SAR数据，针对冰脊识别和海冰漂移信息提取问题, 在统计分布等特征学习基础上, 利用机载SAR数据，在形态学滤波基础上，提出改进结构张量算法，开展了海冰冰脊目标识别研究；建立全连接随机场模型。以弗拉姆海峡为例，开展海冰冰脊识别、海冰分类研究和海冰漂移追踪研究。为了增强海冰特征追踪的鲁棒性，在此基础上研制了高分辨率海冰密集度产品，目前该产品已经服务于南北极科学考察(第11次北极科考和第38次南极科考)。将海冰密集度产品、冰脊特征以及海冰分类产品作为海冰漂移模型的重要特征输入，可以提高海冰漂移的精度。此外，为了进一步探究海冰漂移以及大气-海冰-海洋耦合机制，以南极Amery冰架为例，开展了接地线提取和前端提取研究，解释了接地线稳态以及冰架崩解对海冰重分布的影响，为后续开展海冰漂移等研究提供数据支撑。本项目研究的海冰冰脊目标识别和漂移信息提取对全球气候变化分析和航道设计具有重要的研究意义和应用价值。