基于高分辨率卫星影像的北极夏季海冰形态变化研究

发布时间：2020-10-22 18:50

　　 北极海冰减退引起了北极放大机理与全球气候效应。北极海冰的快速变化一方面使得全球灾害性事件频发,另一方面也使北极资源的开采和北极航道的开通成为可能,使国际经济发展战略布局发生深刻改变。因此,对北极海冰的快速变化进行参数化和模型预测成为国内外的重点研究领域。本文分别以侧向融化过程中的单体海冰和区域海冰作为研究对象,利用图像处理技术对高分辨率海冰卫星遥感图像进行海冰几何参数提取,分析其演变规律。北极海冰在每年的循环演化过程中发生着重要变化。海冰在生成过程中会形成巨大的冰盖并覆有大量的积雪,减少了开放水域面积的比例;在消融过程中,冰盖表面积雪消失,大块浮冰在波浪作用与自身物理性质的影响下发生破碎,形成更小的浮冰,开放水域面积增加,加速了浮冰的侧向融化。这种演变强烈影响着冰水系统中太阳辐射的分布与作用,从而影响海冰的热量收支。当破碎海冰密集度发生改变时,其行为特征会发生相应的改变。当密集度降低时,破碎海冰之间作用力的传递性减弱,应力的量级降低;当海冰密集度增大时,应力的量级显著增大,海冰之间的相互作用增强,个体特征明显减弱。以上,所有的海冰模式几乎都离不开对海冰的大小和形态等几何参数的分析。本文首先进行遥感图像处理。对校正后的遥感图像依次进行非线性空域滤波、空域内图像增强、图像二值化以及形态学处理。在前三个步骤中,对每个噪声不同的图像源都采用了不同的方法进行处理,在效果比对后择优,保证了图像的精确性。然后对处理后的图像进行几何参数的提取,包括:(1)海冰单体侧向融化过程中的面积、周长、长短轴、平均钳测直径、形状因子、延伸率以及圆度;(2)不同力学主导作用下的区域海冰的面积密集度、周长密集度、长短轴极值、延伸率均值、形状因子均值以及圆度均值。得出了海冰在漂流过程中几何参数的演变规律和相关关系,同时对各几何参数的演变与海冰表面正积温建立了函数模式。最后对区域海冰的尺寸分布特征进行了分析,内容包括:(1)根据改进的幂函数推导计算幂率指数(即分形维数),得出不同力学主导作用下的分形维数值在2.02~2.09之间,基本保持不变,说明了海冰破碎有很好的分形相似性;(2)利用Weibull分布函数对区域海冰进行拟合,得出参数γ取值范围与参数的值,说明L_0与平均钳测直径均值在区域海冰演化过程中保持近似相等。对以上两方面的内容与国内外相关研究结论进行了对比与论证。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P731.15
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外关于侧向融化的研究进展
        1.2.1 数值模拟
        1.2.2 现场实测
        1.2.3 实验室观测
    1.3 本文主要内容
2 海冰遥感图像处理方法
    2.1 实验数据介绍
    2.2 非线性空域滤波
        2.2.1 自适应滤波
        2.2.2 中值滤波
        2.2.3 滤波效果比对
    2.3 空域内的图像增强
        2.3.1 灰度变换增强
        2.3.2 直方图均衡化
    2.4 图像二值化
        2.4.1 K-means算法
        2.4.2 Otsu阈值分割法
        2.4.3 迭代阈值分割法
        2.4.4 二值化效果比对
    2.5 图像形态学处理
        2.5.1 腐蚀与膨胀
        2.5.2 边界提取与融池剔除
        2.5.3 跨边界海冰的
    2.6 本章小结
3 海冰几何参数演变规律分析
    3.1 特征提取
    3.2 单体海冰几何参数演变分析
        3.2.1 面积与周长演变分析
        3.2.2 长、短轴与延伸率演变分析
        3.2.3 平均钳测直径、圆度与形状因子演变分析
        3.2.4 冰表气温变化与几何参数演变之间的关系
    3.3 漂流区域海冰几何参数演变分析
        3.3.1 面积密集度与周长密集度演变分析
        3.3.2 长轴与短轴的演变分析
        3.3.3 延伸率、圆度及形状因子演变分析
        3.3.4 冰表温度与几何参数演变之间的关系
    3.4 本章小结
4 海冰尺寸分布函数中参数演变分析
    4.1 基于幂函数的尺寸分布分析
        4.1.1 函数拟合的分形维数计算
        4.1.2 幂函数分布研究结果的对比分析
    4.2 基于Weibull分布的函数参数分析
        4.2.1 Weibull分布参数的计算
        4.2.2 Weibull分布研究结果的对比分析
    4.3 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

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本文编号：2851979