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(guó)第二次北極科學(xué)考察和第十九次、第二十一次南極科學(xué)考察中獲取的海冰現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查圖像資料為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室物理模擬試驗(yàn)，利用圖像分析技術(shù)，對(duì)與海冰動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)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(jìn)行深入探討。 文中首先闡述了海冰對(duì)全球氣候變化和極區(qū)、亞極區(qū)海域海洋工程問(wèn)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(zhǔn)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(shù)為

2、工具對(duì)海冰動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的重要參數(shù)進(jìn)行研究，以提供數(shù)值模式所需要的高精度和準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)，是非常有必要的。同時(shí)，文中還對(duì)各重要參數(shù)及參數(shù)化的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。 第二章即重點(diǎn)討論了本文中所用到的數(shù)字圖像采集技術(shù)和圖像分析技術(shù)。分別介紹了海冰現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)中常用的數(shù)字圖像采集技術(shù)，并應(yīng)本文后續(xù)研究?jī)?nèi)容的需要對(duì)海冰航拍圖像的處理進(jìn)行了重點(diǎn)研究，比較了不同的圖像分割算法的優(yōu)缺點(diǎn)和各自的適用范圍，并提出了一種基于圖像

3、形態(tài)學(xué)的具有較高自動(dòng)化程度和準(zhǔn)確性的海冰分割算法，提高了在圖像中識(shí)別單個(gè)海冰的效率。 隨后的章節(jié)則分別對(duì)海冰動(dòng)力學(xué)的各重要幾何參數(shù)進(jìn)行討論。第三章重點(diǎn)對(duì)海冰厚度和密集度參數(shù)進(jìn)行討論，主要以中國(guó)第二次北極科學(xué)考察中利用船側(cè)CCD獲取的走航海冰圖像和海冰航拍圖像為基礎(chǔ)，研究從中提取海冰厚度和密集度的方法，通過(guò)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(jié)論。同時(shí)，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(cè))獲取的海冰密集度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(shí)明顯偏高。最后針對(duì)利用雙CCD設(shè)備在船側(cè)同時(shí)進(jìn)行海冰厚度和密集度觀測(cè)的方法，給出了修正傾斜拍攝時(shí)圖像變形的算法，從而可以得到更準(zhǔn)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(duì)象。通過(guò)對(duì)中國(guó)第二次北極科學(xué)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(duì)海冰尺寸分布進(jìn)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(shì)。另外，通過(guò)對(duì)中國(guó)第二十一次南極科學(xué)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(kāi)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(nèi)海冰與波浪的相互作用。在進(jìn)行海冰尺寸分布分析時(shí)發(fā)現(xiàn)由于熱力學(xué)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(jìn)的冪函數(shù)分布以及Weibull分布來(lái)對(duì)累積頻率進(jìn)行擬合時(shí)

6、則都能獲得很好的擬合效果，擬合結(jié)果中各參數(shù)的變化情況很好的反映了海冰邊緣區(qū)內(nèi)破碎海冰的分布變化。同時(shí)，通過(guò)對(duì)中國(guó)第十九次南極科學(xué)考察在南大洋航行期間利用船舶雷達(dá)獲取的冰山尺寸和運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)過(guò)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(guò)對(duì)冰山漂流速度和當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)、流速度的回歸分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)對(duì)冰山運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)是海流貢獻(xiàn)的

7、1/2左右。 論文第五章主要對(duì)冰-水拖曳系數(shù)的參數(shù)化進(jìn)行了研究。在回顧已有拖曳系數(shù)獲取方法(渦動(dòng)法、剖面法和動(dòng)量法)的基礎(chǔ)上，說(shuō)明了其局限性和需要改進(jìn)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(guān)系才是提高拖曳系數(shù)適應(yīng)性和準(zhǔn)確性的最佳途徑。然后以實(shí)驗(yàn)室物理模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)并利用一種參數(shù)優(yōu)化辨識(shí)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(guān)系。通過(guò)將原型條件下的冰-水總拖曳力考慮成表面摩拖曳力、