2024 年 10 月 11 日

 

• 作為 FAST-CAST 2 研究計畫的一部分，德國太空中心開發了一種新的基於衛星的流程，可以計算極地冰雪覆蓋水域中船舶的最佳航線。
• 自動航線計算首次在研究破冰船 Polarstern 上進行了測試。
• 來自 TerraSAR-X 和 Sentinel-1 雷達衛星的高解析度影像以及預測模型構成了新路線計算的基礎。
• 重點領域：太空旅行、地球觀測、交通、海事安全

 

由於海冰會不斷變化，因此在冰雪覆蓋的水域中航行對人類和技術來說都是一項重大挑戰。幾個小時內，風和洋流就會將大量冰推在一起，並封閉開闊的水域。如果壓力太大，浮冰就會相互堆積。以這種方式形成的浮冰可能會厚達數米，而且破冰船也無法通過。在其他地方，相反的力量可以破壞海冰並形成開放的通道。現在，一種新演算法首次能夠計算穿過浮冰和變化冰原的船舶路線。其基礎是高解析度雷達衛星影像和冰漂移預測模型。

 

衛星看到什麼

地球觀測衛星從太空提供地球表面的當前圖像，從而描繪海洋和海冰。歐洲 Sentinel-1 或德國 TerraSAR-X 等雷達衛星憑藉其主動雷達天線，可以在任何天氣、穿過雲層和黑暗中以高分辨率顯示海冰中的各種結構。它們從數百公里高度的軌道發出雷達訊號，根據地底土的類型，地球表面反射的雷達訊號不同。然後衛星測量反射的“迴聲”，即所謂的反向散射。不同的雷達反向散射特性可以對人類觀察者無法直接看到的冰特性（例如冰河時期）得出更深入的結論。年齡是在海冰中航行的一個重要參數，因為新形成的冰更薄，因此比古老的多年冰更容易航行。此外，對連續雷達影像的分析顯示了冰由於漂移而發生的高解析度變化。這也使得定位冰崩塌的特定危險區域成為可能。

 

巨大的飛躍：從海冰測繪到路線計算

幾十年來，雷達衛星一直被用來繪製當前海冰狀況。 FAST-CAST 2 研究計畫不僅僅只是創建一份情況報告。

作為該計畫的一部分，在先前的幾個研究計畫（MAP-BORealis、EisKlass31、EisKlass2）的基礎上，德國太空中心遙感方法研究所的研究人員開發了一種演算法，該演算法最初可以根據冰的年齡繪製冰圖，同時考慮後向散射雷達訊號的偏振特性。此處理步驟在接收新的衛星影像後，直接在德國遙感資料中心（DFD）運作的衛星資料接收站全自動執行。

此外，該演算法使用高解析度冰漂預測模型來估計未來的冰運動，並將該時空資料集自動傳輸給不來梅大學的專案合作夥伴。他們用它來計算最佳運輸路線。使用的空間解析度為 160 米，時間範圍涵蓋未來 72 小時。然後，使用由 Drift+Noise Polar Services GmbH 開發的 IcySea 應用程序，Polarstern 艦橋上的導航員可以在很短的時間內獲得計算出的路線。

2024年春季，在西格陵蘭島附近海域進行了一次預備測試。皇家北極線補給船計算的路線仍然基於靜態冰圖。沒有考慮動態冰運動。

2024年9月22日至10月2日，整個流程鏈首次接受測試，包括Polarstern船上的動態冰運動。在亥姆霍茲極地和海洋研究中心（AWI）阿爾弗雷德韋格納研究所的研究破冰船上，研究人員定期進行現場海冰厚度測量。作為 ArcWatch 2 研究探險的一部分，該船前往北極中部的各個站點。在那裡，科學家收集了測量結果，記錄了北極海冰、海洋和大氣的大規模變化。現在已經計算了車站之間旅程的具體路線建議。

雖然北極中部大部分地區的冰層非常薄，而且海冰正在日益消失，但特別是在測試期間，觀測站的海冰主要是異常密集的冰層。對雷達衛星影像的分析顯示，在破冰船周圍約100公里的半徑內，主要是多年冰，一些區域有一年或更年輕的冰，以及仍然隱藏在船舶視線之外的孤立的明渠。較短，只有幾公里- 以及像未來的冰運動一樣隱藏。為路線計算而開發的演算法可以找到穿過漂浮海冰「迷宮」的最快路線，優先選擇開放的通道和較年輕的冰區域，並避開淺灘等危險區域。後者是由專案合作夥伴 EOMAP GmbH & Co. KG 根據當前光學衛星資料得出的，因為北極海底地形的記錄仍然不足。

從Polarstern 艦橋計算出的路線被以極大的興趣記錄下來，並與其他資訊一起用於在冰層中導航。進行的測試證實了這些路線的實用性，並表明特別是穿越冰面的較長路線可以受益於新開發的技術。

「經過多年的開發工作，這次測試是收集寶貴回饋的絕佳機會。 「我們離讓極地航運更安全、更有效率的目標又近了一步，」博士解釋道。來自不萊梅大學的 Christine Eis，FAST-CAST 2 計畫的科學負責人。

Polarstern號上的實驗是初步試運行，主要目的是將艦橋上水手的意見納入開發中。需要進一步測試以確定航線計算在不同環境條件下的表現以及需要哪些改進，以便此類航線建議也許可以永久納入未來冰區船舶的決策中。

 

[照片]

(A) 阿爾弗雷德‧韋格納研究所的極星號

阿爾弗雷德韋格納研究所 (AWI) 的研究破冰船 Polarstern 在北極中部進行 ArcWatch 2 研究考察。

(B) TerraSAR-X 雷達衛星拍攝的照片中的研究破冰船 Polarstern

這是 TerraSAR-X 雷達衛星在北極中部上空拍攝的影像的一部分。開放水域呈黑色，海冰呈灰色。由於不同的雷達反向散射特性，海冰中的不同結構變得可見。左下：研究破冰船 Polarstern 有清晰可見的車道（白色）。

(C) 極星橋

TerraSAR-X 是 DLR 雷達衛星的主要工程和極星橋的自動控制裝置。

(D) 動畫：顯示預測的海冰運動以及據此計算的路線

使用 DLR 開發的演算法幾乎即時地全自動繪製雷達衛星影像中的海冰，並使用預測模型估計未來的冰運動。在此基礎上，並考慮到EOMAP提供的海底地形，不來梅大學的團隊計算了一條最佳路線。