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1 中国科学院海洋研究所基于人工智能的北极海冰分类和冰间水道识别研究取得新进展 2024-05-21

近日,中国科学院海洋研究所李晓峰研究团队,基于合成孔径雷达(SAR)卫星遥感影像,构建深度学习模型融合SAR极化信息和图像纹理信息,实现了北极波弗特海域一年冰、多年冰和冰间水道的高精度识别,并建立了波弗特海2018-2022年80米分辨率海冰类型数据集。该成果在遥感领域国际顶级学术期刊《环境遥感》(Remote Sensing of Environment,IF=13.5)发表。 受全球气候变化影响,北极海冰在范围、年龄和体量上都有明显的减少趋势。近十年间,北极越来越多的多年冰(MYI)被一年冰(FYI)取代,这一现象在波弗特海尤为明显。在此背景下,精准高效的遥感海冰分类将有利于北极气候变化监测和北极航道开发利用。 李晓峰研究团队基于SAR卫星影像,构建了双分支U-Net的海冰分类模型DBU-Net,融合SAR影像的极化信息和由SAR图像衍生得到的GLCM纹理信息,实现了开放水域(OW)、FYI和MYI的分类,以及冰间水道(Lead)识别。由于GLCM的计算涉及频数统计等不连续运算过程,无法被神经网络的反向传播过程学习。因此,本研究基于Jeffries-Matusita距离筛选有利于海冰分类的GLCM特征,并将其显示地加入模型输入,可有效地提升不同类型海冰和冰间水道的识别精度。 研究采用16幅哨兵1号EW模式SAR影像构建训练集,采用另外8幅独立的影像构建测试集。实验结果显示,DBU-Net对8幅完整图像的海冰分类准确率(Acc)、平均重叠度(mIoU)和Kappa系数分布达到了91.83%、0.841和0.849,比传统机器学习模型如SVM、RF和CNN模型提升明显。相对于原始的U-Net模型,加入GLCM纹理特征对海冰分类精度提升显著。 进一步将模型应用于冰间水道的识别。采用冰间水道样本集重训练DBU-Net,模型在测试集展示出较高的水道识别能力,其Acc、mIoU和Kappa系数分别达到了99.49%、0.801和0.745。 基于该模型,研究收集了2018-2022年间冬季时序的波弗特海哨兵一号SAR影像,共454幅,应用该模型生成了80米分辨率的波弗特海海冰类型数据集,包括OW、FYI、MYI和冰间水道四种类型。分析了波弗特海海冰类别的变化情况:2018-2019年冬季波弗特海MYI呈输出态,2019-2021冬季MYI呈输入态,2021-2022冬季MYI呈稳定态,其变化与波弗特高压的强度和位置相关。2018-2019年波弗特海80米分辨率海冰类型数据示例如图所示。 论文第一作者是中国科学院海洋研究所2023届硕士黄岩,通讯作者为任沂斌副研究员,合作者为李晓峰研究员。该研究得到了国家自然科学青年基金等项目资助。 相关论文信息: [1]Huang,Y.,Ren,Y.*,&Li,X.(2024).Deep learning techniques for enhanced sea-ice types classification in the Beaufort Sea via SAR imagery.Remote Sensing of Environment,308,114204.https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114204 [2]Y.Ren,X.Li,X.Yang and H.Xu,Development of aDual-Attention U-Net Model for Sea Ice and Open Water Classification on SAR Images,in IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,vol.19,pp.1-5,2022,Art no.4010205,doi:10.1109/LGRS.2021.3058049 查看详细>>

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2 海洋地震研究新进展:基于三维模拟技术提升定位精度 2024-05-21

近日,中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(OMG)徐敏研究员团队,联合美国伍兹霍尔海洋研究所助理研究员吴文波和中国科学院精密测量科学与技术创新研究院倪四道院士,发展了基于三维远震格林函数,有效提高海洋中强地震定位精度的新方法。相关成果发表于国际地学期刊《地球物理研究杂志-固体地球》(JGR-Solid Earth),博士后臧翀为论文第一作者。 海洋地震的震源参数对于研究海洋地质构造和理解断层破裂行为至关重要。尽管基于近场海底地震仪(OBS)观测能够实现震源参数准确反演,但目前全球海洋区域的OBS覆盖程度较低;基于陆地台网的远震数据虽能定位中强尺度海洋地震,但反演通常使用一维简化地球模型,复杂的地球三维结构导致远震定位精度较低。海洋地震的震源区三维结构容易激发较强的远震P波尾波,通过拟合尾波波形能够显著提高定位精度,但受限于高昂的三维模拟计算成本,难以进行实际应用。 为解决上述问题,科研人员创新发展了一种将震源区准确三维谱元法(SEM)模拟和震源区外高效一维直接解法(DSM)模拟耦合的算法SEM-DSM,能够高效计算包含复杂P波尾波特征的三维远震格林函数。并进一步开发了基于三维格林函数的震源参数反演算法teleCAP3D,并将此技术应用于东北太平洋Blanco转换断层的研究中。 结果显示,相较于传统的基于一维地球模型的反演,采用三维远震格林函数可靠拟合远震P波尾波波形,极大地提高了地震定位的准确性,特别在对浅源地震的深度约束上表现优异。      这项研究成果适用于洋中脊、转换断层和俯冲带等各种海洋地质环境,能够为构造动力学和震源物理研究提供可靠的震源参数,对于在全球范围内推动海洋地震研究具有重要意义。 本项研究获得国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金资助。 相关论文信息:Zang,C.,Wu,W.,Ni,S.,&Xu,M.(2024).A reciprocity‐based efficient method for improved source parameter estimation of submarine earthquakes with hybrid 3‐D teleseismic Green's functions.Journal of Geophysical Research:Solid Earth,129,e2023JB028174. 论文链接:https://doi.org/10.1029/2023JB028174 查看详细>>

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3 大洋中脊洋壳增生的动力学过程研究取得新进展 2024-05-21

近日,中国科学院南海海洋研究所林间院士团队,联合自然资源部第二海洋研究所研究员张涛和上海交通大学助理研究员田晋雨,在全球大洋中脊洋壳增生过程影响因素的定量化研究方面取得新进展。相关成果发表于自然指数期刊《Journal of Geophysical Research:Solid Earth》。南海海洋所助理研究员查财财为论文第一作者,研究员张帆为通讯作者。 地幔上涌与熔融是大洋中脊的基本过程,控制着洋壳的增生厚度。在洋中脊下方,地幔在板块分离时被动上涌,由于减压熔融,形成了新的大洋地壳。在这一过程中,大洋岩石圈随着年龄增长向脊轴两侧增厚,会促进地幔上涌。同时,洋中脊下方地幔温度抬升和熔融所造成的浮力也加速了地幔上涌。二者都趋向于增厚洋壳。然而,对于浮力和岩石圈增厚对洋壳增厚的相对贡献尚缺乏定量研究。 研究团队采用地球动力学模拟方法,构建了三类模型来解析这一现象:考虑岩石圈增厚和浮力的参考模型(BT)、只考虑岩石圈增厚的被动上涌模型(PT)以区分浮力效应,以及忽略岩石圈影响的空白模型(PF)以剥离岩石圈增厚效应。他们将模型预测洋壳厚度与地震探测的洋壳厚度变化进行对比,定量评估了两种因素的相对贡献。 结果显示,浮力和岩石圈增厚效应在扩张速度减慢时变得更为显著。在大部分情况下,岩石圈增厚的相对贡献超过了浮力,除了在地幔粘度较低、潜温较高的超慢速扩张脊,浮力的影响更为突出。在快速扩张脊,浮力的影响相对较弱,地幔潜温的变化主导了洋壳厚度变化。然而,在超慢速扩张脊,浮力导致的三维地幔上涌与地幔潜温变化相结合,使洋壳厚度产生较强的沿轴(空间)和离轴(时间)变化。本研究所揭示的浮力效应对洋壳增生的相对贡献随扩张速率的变化规律,为“扩张速率越慢,洋壳厚度变化越大”这一现象,提供了一种可能的动力学解释。 本研究获得国家自然科学基金项目、中国科学院项目等资助。 文章信息:Zha,C.,Zhang,F.*,Lin,J.,Zhang,T.,&Tian,J.(2024).On the relative importance of buoyancy and thickening of aging lithosphere in mantle upwelling and crustal production beneath global mid-ocean ridge system.Journal of Geophysical Research:Solid Earth,129,e2023JB028432. 原文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JB028432 查看详细>>

来源:中科院南海海洋研究所 点击量:0

4 研究揭示南海洋盆岩浆增生的时空分布新规律 2024-05-21

近日,中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室(OMG)海洋与构造模拟课题组在南海洋壳结构与岩浆增生历史方面取得重要研究进展,相关成果发表在Earth and Planetary Science Letters期刊上。论文第一作者为中国科学院南海海洋研究所博士研究生曾程辉,通讯作者为南海海洋所研究员孙珍和广州海洋地质调查局高级工程师姚永坚,南海海洋所副研究员张翠梅和广州海洋地质调查局高级工程师徐行为文章共同作者。 南海是慢速-中速扩张边缘海的典型代表,对其扩张时的岩浆时空分布规律缺乏整体认知和定量化表达,限制了对南海扩张动力变化的认知与其在全球洋盆中的定位。研究人员通过覆盖南海洋盆的37条地震剖面计算出南海扩张过程中岩浆增生长度占总扩张长度的比重(称为南海洋盆M值),以深入理解其板块活动的特征。 与主要集中在大洋的研究不同,研究发现南海在中速(M值平均约为0.88)和慢速(M值平均约为0.78)扩张阶段,显示出较同扩张速率大洋更多的岩浆供应量。在早期形成的西北和东部次海盆,M值主要集中在0.8-1之间,而在晚期的东部次海盆和西南次海盆,M值在0.5-0.8和0.8-1两个区间内交替变化。 通过对比磁异常条带,研究团队分析了南海扩张过程中的岩浆增生时空分布规律,并将其与全球其他大洋进行对比。结果显示,南海的岩浆供应周期可能比大西洋更短,仅约0.25至0.33百万年。 地震剖面显示,随着M值从0.92降低至0.66,断层的水平位移距离从0.5公里增加到5公里。值得注意的是,所有剖面中几乎未见超过5公里的断层水平位移距,这进一步证实了更加频繁的岩浆供给周期。 这项研究强调了南海扩张过程的岩浆供给量不仅受板块扩张影响,还受到周边大洋俯冲的影响。该结论为理解边缘海演化过程提供了新的视角,也深化对南海扩张动力的理解,为全球洋盆动力学模型提供了重要参考,对研究边缘海与全球大洋的差异性研究具有重要价值。 研究得到国家自然科学基金项目、广东省人才项目等支持。 查看详细>>

来源:中科院南海海洋研究所 点击量:0

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