Development of sea ice monitoring and forecasting system to support safe operations and navigation in Arctic Seas

Sentinel-1A og 1B satellittene fra Copernicus programmet er nå den viktigste leverandøren av SAR data både globalt og for de nordlige havområdene, som er hovedområdet for prosjektet. SAR dataene er fritt tilgjengelig og lastes ned fra ESA og det nasjonale Sentinel datasenteret som drives av Meteorologisk Institutt. På Nansensenteret prosesseres data gjennom GeoSPaas, et system for nedlasting, preprosessering, kjøring av algoritmer og framstilling av produkter fra SAR data. Systemet er utviklet med støttet blant annet fra SONARC prosjektet og er blitt demonstrert båre internt på Nansensenteret og på nasjonalt nivå for Meteorologisk institutt. SAR data som er brukt i prosjektet har dekker isområder hovedsakelig i Framstredet, nord for Svalbard og i Chuckhihavet i forbindelse med demonstrasjon for isnavigasjon. Hovedaktivitetene i prosjektet har vært å utvikle algoritmer for prosessering og klassifisering av istyper i SAR data. Det viktigste resultat har vært en metode som forbedrer støyreduksjon i de bredstripete SAR bildene, utviklet av postdoc stipendiaten. Metoden er tatt i bruk av samarbeidspartnere nasjonalt og internasjonalt fordi den forbedrer den videre analysen av SAR data, spesielt gir den bedre kvalitet i klassifiseringen av istyper. Videre har det vært utviklet algoritmer for isdrift og isfjelldeteksjon basert på SAR data. Disse har også vært støttet av andre prosjekter i Forskingsrådet (Ice Motion og CIRFA). Klassifiseringsalgoritmen brukes til automatisk diskriminering mellom is og vann i flerpolariserte SAR bilder og til diskriminering mellom ulike istyper som ny is, førsteårsis og flerårsis. Dette nedfører at åpne råker som er viktig for isnavigering kan detekteres. Arbeidet med algoritmene har foregår i tett samarbeid med russiske kollegaer og studenter ved Nansensenteret i St. Petersburg. Navigasjonsmodellen som Scott Stephenson fra University of Connecticut har laget er implementert på NERSC og kan brukes til å beregne optimal sailingsrute gjennom is for ulike fartøytyper. Modellen har blitt tilpasset for bruk sammen med SAR isklassifiseringskart som er laget ved hjelp av klassifiseringsalgoritmen. Modellen er testet med isklassifiseringsdata fra Sentinel-1 i Karahavet. Et dataset med AIS data (Automatisk Identifikasjons System) er mottatt fra Kystverket og er analysert for skipstrafikk i de nordlige havområdene. Disse AIS dataene er brukt til å relatere farten til skip som går i is til isinformasjonen fra SAR dataene. Å kombinere AIS data med SAR data som begge er tilgjengelig i nær sanntid, er metode som vil være nyttig for skip som planlegger å seile i islagte farvann. Bruk av SAR data med isklassifisering ble demonstrert under et felt eksperiment med den koreanske isbryteren Araon under et tokt i Chuckihavet i august 2018. Resultater fra prosjektet er publisert i flere artikler og presentert på en rekke konferanser, workshoper og kurser, inkludert undervisning på UNIS. Prosjektet er gjennomført i nært samarbeid med partnerne i Russland og USA. Videre er resultatene brukt i andre prosjekter, spesielt H2020 prosjektet SPICES og demonstrert mot brukere som den norske istjenesten ved Meteorlogisk Institutt. Prosjektet har en webside på http://sonarc.nersc.no.

The most significant outcome of the project is the noise reduction method for wideswath Sentinal-1 SAR images. The method has been adopted by several institutions in Europe working with SAR sea ice data, such as the operational ice charting services at Norwegian Meteorological Institute, Finish Meteorological Institute and Arctic and Antarctic Research Institute in Russia. The European Space Agency is also interested to use this method to improve the SAR products from Sentinel-1. The ice classification algorithm is also expected to be used by the operational ice charting services in Norway, Finland, Russia in order to improve the production of ice charts. The results have also been used to establish new projects at the Nansen Center in St. Petersburg, providing sea ice services to the Russian Oil and Gas industry. The ice navigation model, used in combination with SAR ice classification maps and AIS data, is expected to be a useful method to plan sailing routes in sea ice areas.

The main objective of SONARC is to develop a sea ice monitoring and forecasting system to support safe operations and navigation in Arctic Seas. SONARC will exploit Synthetic Aperture Radar (SAR) data from satellites as a major component of this system. From 2015 Sentinel-1 will the main provider of SAR data, which will be delivered every day in near realtime for monitoring of sea ice and other environmental parameters. The proposal will develop algorithms for (1) sea ice classification of different ice types and open water; (2) ice drift with sufficient resolution to map mesoscale ice motion and deformation fields; and (3) iceberg detection by combined use of SAR and high-resolution optical images. Furthermore, SONARC will integrate SAR data with AIS data (Automatic Identification System) from vessels operating in sea ice areas. With AIS positions combined with SAR images it will be possible for ship captains to find sailing routes through open leads or thin ice and avoid areas ice with ridges and other difficult ice situations. For planning optimal sailing routes in the Arctic, a navigation model will be used in combination with AIS and satellite-based ice data. Finally, the sea ice data and navigation data combined with ice forecasts will be demonstrated to an ice-going vessel during a field trial. The demonstration will also include use of an ice forecasting model developed at NERSC The results of the field trial will be assessed by users and recommendation for future implementation of a monitoring and forecasting system will be made. Key user groups for the system will be shipping companies, oil and gas companies, operational met-ocean services, coastal and ship traffic authorities, risk management, and environmental organizations working in the Arctic.