本文關(guān)鍵詞： 渤海 海冰 海冰動力學(xué) 改進(jìn)離散單元法 海冰圖像 衛(wèi)星遙感　出處：《大連理工大學(xué)》2014年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：近年來,隨著對海洋資源來發(fā)利用的逐步深入,以及全球變暖趨勢的逐步明顯,海冰作為一種常見的自然現(xiàn)象被廣泛關(guān)注。存在海冰的極區(qū)、副極區(qū)和高緯度寒區(qū)海域人民的生命以及財產(chǎn)安全每年都會受到海冰災(zāi)害的威脅,海洋工程設(shè)備被摧毀、航道堵塞、船只停運(yùn)、海域污染以及漁區(qū)休漁等都是海冰災(zāi)害的主要表現(xiàn)。為了保證海洋作業(yè)的安全進(jìn)行,從20世紀(jì)50年代開始研究人員便應(yīng)用海冰監(jiān)測、數(shù)值模擬、海冰試驗等手段對海冰的物理力學(xué)性質(zhì)、海冰與結(jié)構(gòu)物的相互作用、海冰生消以及海冰的熱力動力過程等方面進(jìn)行了一系列的研究工作。 海冰監(jiān)測的方式組要有海岸站臺監(jiān)測、飛機(jī)航測、破冰船走航監(jiān)測、雷達(dá)監(jiān)測、平臺圖像監(jiān)測以及衛(wèi)星遙感監(jiān)測等。衛(wèi)星遙感監(jiān)測以其監(jiān)測范圍廣、時效性好等特點(diǎn)而成為監(jiān)測全場海冰的有效途徑。在海冰動力學(xué)數(shù)值模擬方面,人們分別在不同尺度下建立了有限差分、質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格、光滑質(zhì)點(diǎn)流體動力學(xué)以及分布質(zhì)量離散塊體模型等基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)思想的方法,以上方法一般采用粘性、黏塑性以及彈塑性本構(gòu)模型。將海冰視為離散單元,人們在上個世紀(jì)80年代發(fā)展了海冰動力學(xué)離散單元方法與黏彈-塑性本構(gòu)模型,該方法依據(jù)海冰的分布狀態(tài)將其離散成多個具有厚度、尺寸和速度的計算單元。當(dāng)考慮冰塊凍結(jié)時,該方法還能夠合理地模擬海冰動力學(xué)過程中的斷裂、重疊和堆積現(xiàn)象,具有物理意義明確、計算精度高的優(yōu)點(diǎn)。但是由于離散單元模型在計算上采用顯式計算,并且單元數(shù)量龐大,其計算效率明顯低于其他計算模型。 為了更好的改進(jìn)和完善海冰動力學(xué)離散單元模型,本文針對海冰生消運(yùn)移過程中的非連續(xù)分布和形變特性,建立了適用于海冰動力過程的改進(jìn)離散單元模型(MDEM)。不同于傳統(tǒng)離散單元方法,該模型將海冰離散為具有一定厚度、尺寸、密集度的圓盤單元。每個海冰單元設(shè)為諸多浮冰塊的集合體,其在運(yùn)移和相互接觸碰撞過程中在質(zhì)量守恒的條件下會發(fā)生單元尺寸、密集度和厚度的相應(yīng)變化�；诤１x散性和流變性的特點(diǎn),該模型采用粘彈性接觸模型計算單元間的作用力,并依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則建立海冰法向作用下的塑性變形及切向摩擦力。在搜索方式上使用格柵搜索法,并在此基礎(chǔ)上引用快速排序思想,節(jié)省了計算內(nèi)存,提高了計算效率。 準(zhǔn)確的海冰初始場是海冰動力學(xué)計算結(jié)果有效性的前提,本文以精準(zhǔn)提取海冰初始場為目的,研究并開發(fā)了海冰衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過投票算法、去噪算法、圖像二值化算法等數(shù)字圖像處理技術(shù)及海岸線嵌入及像素點(diǎn)顏色替換等處理方法,可以對絕大多數(shù)的海冰衛(wèi)星圖片進(jìn)行處理并對海冰的位置、密集度、尺寸信息進(jìn)行高精度提取,并為海冰動力學(xué)計算提供可靠的初始場。 為驗證以上方法和系統(tǒng)的實(shí)用性與準(zhǔn)確性,本文對海冰在規(guī)則水域內(nèi)的運(yùn)移、堆積和輻散過程進(jìn)行了離散元分析,計算結(jié)果與解析解具有較高一致性；此外,對旋轉(zhuǎn)風(fēng)場下的海冰漂移規(guī)律的模擬也具有良好的精確性和計算效率；應(yīng)用衛(wèi)星圖像處理系統(tǒng)對2001年1月15日、2010年1月22日、2013年2月15這三天渤海海冰初始場信息進(jìn)行了提取,并應(yīng)用改進(jìn)離散單元方法對2010年1月22日的海冰進(jìn)行了48小時的數(shù)值模擬,計算結(jié)果與衛(wèi)星遙感資料和油氣作業(yè)區(qū)的海冰現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合良好。
[Abstract]:In recent years , with the gradual deepening of the use of marine resources and the gradual change of global warming trend , sea ice has been widely regarded as a common natural phenomenon . In order to ensure the safety of sea ice disaster , marine engineering equipment has been destroyed , channel blockage , ship shutdown , sea pollution and fishing area recreation , etc . are the main manifestations of sea ice disaster . In order to ensure the safety of marine operation , researchers have carried out a series of research on the physical and mechanical properties of sea ice , the interaction between sea ice and structure , sea ice production and the thermal power process of sea ice . On the basis of the numerical simulation of sea ice dynamics , the method of discrete element method and viscoelastic - plastic constitutive model of sea ice has been developed in the 1980s . In order to improve and perfect the discrete unit model of sea ice dynamics , this paper establishes an improved discrete unit model ( MGM ) suitable for sea ice dynamic process . It is different from the traditional discrete unit method . The accurate sea ice initial field is the precondition for the validity of the calculation result of sea ice dynamics . This paper studies and develops the sea ice satellite remote sensing monitoring image processing system by means of voting algorithm , denoising algorithm , image binarization algorithm , etc . The system can process most of the sea ice satellite images and extract the position , density and size information of sea ice with high precision , and provide reliable initial field for the calculation of sea ice dynamics . In order to verify the practicability and accuracy of the above methods and systems , this paper makes a discrete element analysis on the migration , accumulation and divergence of sea ice in the regular waters . The results show that the simulation of the sea ice drift law in the rotating wind field has good accuracy and computational efficiency . The application of the improved discrete unit method is a numerical simulation of the sea ice on Jan . 22 , 2010 . The results are in good agreement with the satellite remote sensing data and the sea ice field monitoring data in the oil and gas operation area .

【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P731.15

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1454699