基于圖像分析的海冰幾何參數(shù)和拖曳系數(shù)參數(shù)化研究.pdf

1、本文以中國第二次北極科學考察和第十九次、第二十一次南極科學考察中獲取的海冰現(xiàn)場調查圖像資料為基礎，結合實驗室物理模擬試驗，利用圖像分析技術，對與海冰動力學模型相關的圖像采集與處理、幾何特征參數(shù)分析及參數(shù)化方法等進行深入探討。 文中首先闡述了海冰對全球氣候變化和極區(qū)、亞極區(qū)海域海洋工程問題的重要性，并指出作為海冰研究重要手段之一的海冰數(shù)值模擬發(fā)展到目前，其準確性更加受到海冰參數(shù)而非模式本身的限制，因此以目前快速發(fā)展的數(shù)字圖像技術為

2、工具對海冰動力學過程中的重要參數(shù)進行研究，以提供數(shù)值模式所需要的高精度和準確性的數(shù)據(jù)，是非常有必要的。同時，文中還對各重要參數(shù)及參數(shù)化的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了總結。 第二章即重點討論了本文中所用到的數(shù)字圖像采集技術和圖像分析技術。分別介紹了海冰現(xiàn)場觀測和實驗室物理模擬實驗中常用的數(shù)字圖像采集技術，并應本文后續(xù)研究內容的需要對海冰航拍圖像的處理進行了重點研究，比較了不同的圖像分割算法的優(yōu)缺點和各自的適用范圍，并提出了一種基于圖像

3、形態(tài)學的具有較高自動化程度和準確性的海冰分割算法，提高了在圖像中識別單個海冰的效率。 隨后的章節(jié)則分別對海冰動力學的各重要幾何參數(shù)進行討論。第三章重點對海冰厚度和密集度參數(shù)進行討論，主要以中國第二次北極科學考察中利用船側CCD獲取的走航海冰圖像和海冰航拍圖像為基礎，研究從中提取海冰厚度和密集度的方法，通過數(shù)據(jù)分析得到了北冰洋夏季海冰厚度、雪厚度及密集度均隨緯度增大而逐漸增大的結論。同時，將不同尺度上(包括衛(wèi)星遙感、海冰航拍和船舶

4、走航觀測)獲取的海冰密集度數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星遙感的海冰密集度數(shù)據(jù)在中等密集度時明顯偏高。最后針對利用雙CCD設備在船側同時進行海冰厚度和密集度觀測的方法，給出了修正傾斜拍攝時圖像變形的算法，從而可以得到更準確的海冰密集度。 論文第四章主要以海冰尺寸分布特征為研究對象。通過對中國第二次北極科學考察期間獲取的北冰洋夏季不同緯度的海冰航拍圖像的分析，發(fā)現(xiàn)了海冰形態(tài)隨緯度的顯著變化；利用冪函數(shù)對海冰尺寸分布進行擬合發(fā)現(xiàn)分布維數(shù)基本保

5、持在1.05～1.27之間，并且隨著緯度增加有變大的趨勢。另外，通過對中國第二十一次南極科學考察期間獲取的Prydz灣夏季海冰邊緣區(qū)航拍圖像的分析也發(fā)現(xiàn)海冰的尺寸和形狀隨著與開闊水距離增大也發(fā)生有規(guī)律的變化，而這種變化的原因就是邊緣區(qū)內海冰與波浪的相互作用。在進行海冰尺寸分布分析時發(fā)現(xiàn)由于熱力學作用和采樣區(qū)域限制的影響，累積頻率分布曲線與理想的冪函數(shù)分布有明顯的偏離，而改用一種改進的冪函數(shù)分布以及Weibull分布來對累積頻率進行擬合時

6、則都能獲得很好的擬合效果，擬合結果中各參數(shù)的變化情況很好的反映了海冰邊緣區(qū)內破碎海冰的分布變化。同時，通過對中國第十九次南極科學考察在南大洋航行期間利用船舶雷達獲取的冰山尺寸和運動數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，不同尺寸的冰山由于其所經(jīng)歷的不同熱、動力學過程原因而具有不同的尺寸分布特征，Weibull 分布只適合于較小尺寸的冰山，而較大尺寸的冰山分布更接近與冪函數(shù)分布。通過對冰山漂流速度和當?shù)氐娘L、流速度的回歸分析發(fā)現(xiàn)，風對冰山運動的貢獻是海流貢獻的

7、1/2左右。 論文第五章主要對冰-水拖曳系數(shù)的參數(shù)化進行了研究。在回顧已有拖曳系數(shù)獲取方法(渦動法、剖面法和動量法)的基礎上，說明了其局限性和需要改進之處，并提出利用參數(shù)化方法建立冰．水拖曳系數(shù)同海冰幾何形態(tài)參數(shù)的關系才是提高拖曳系數(shù)適應性和準確性的最佳途徑。然后以實驗室物理模擬試驗為基礎并利用一種參數(shù)優(yōu)化辨識算法，建立了孤立冰塊形拖曳系數(shù)、摩拖曳系數(shù)和冰塊幾何參數(shù)之間的關系。通過將原型條件下的冰-水總拖曳力考慮成表面摩拖曳力、