基于MODIS數據的渤海海冰遙感探測系統的設計

王 寧，紀永剛，張 晰，梁 建，宋平艦，魯統臻

（1.國家海洋局北海預報中心，山東青島266033；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266071）

基于MODIS數據的渤海海冰遙感探測系統的設計

王 寧1，2，紀永剛2，張 晰2，梁 建2，宋平艦2，魯統臻2

（1.國家海洋局北海預報中心，山東青島266033；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266071）

為了滿足渤海海冰預報業(yè)務化的需求，針對渤海海冰和MODIS數據的特點，結合MODIS-TERRA數據，編程實現了基于MODIS數據的渤海海冰遙感探測系統。系統以IDL和Visual C++作為開發(fā)語言，為海冰信息提取提供了一個統一的平臺，實現了海冰面積、海冰外緣線、海冰厚度和海冰密集度信息提取，并以專題圖和數值的形式輸出結果。通過對該系統的試應用可以發(fā)現，系統得到的產品與實際預期是一致的?；贛ODIS數據的渤海海冰遙感探測系統的設計，為海冰預報業(yè)務部門及時、快速地獲得海冰產品，提高海冰預報效率，開展衛(wèi)星遙感監(jiān)測海冰業(yè)務化運行提供了保障。

MODIS；海冰；探測系統；IDL；Visual C++

1 引言

國家海洋局北海預報中心作為海洋局業(yè)務部門，負責發(fā)布渤海、黃海、東海北部海區(qū)海洋環(huán)境預報，海冰預報是其中一項重要的預報。要做到準確的海冰冰情預測，首先需要實現海冰參數及時、準確地獲取。

傳統的海冰監(jiān)測方法包括海洋站觀測、沿岸或冰區(qū)冰情調查、雷達測冰等，這些方法受到空間和時間的限制，特別是在大范圍空間信息獲取、時間動態(tài)監(jiān)測以及數據更新等方面無法滿足現實工作的要求。隨著遙感技術的發(fā)展，我國充分利用衛(wèi)星遙感技術對海冰進行遙感監(jiān)測。我中心現有的DVBS衛(wèi)星數據接收處理系統，可以接收處理準實時的MODIS-TERRA/AQUA衛(wèi)星數據，為海冰業(yè)務化監(jiān)測提供了條件。

MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜輻射計）是搭載于美國EOS系列衛(wèi)星上的一個重要傳感器，具有36個可見光-紅外光譜波段，空間分辨率分別為250 m，500 m和1000 m。MODIS是新一代的衛(wèi)星遙感信息源，與NOAA/AVHRR相比，MODIS在通道和分辨率上都有了很大的改進。加上數據以每天上、下午的頻率采集和免費接收的數據獲取政策，使得MODIS數據成為海洋環(huán)境監(jiān)測中不可多得的數據資源。對于中國的海冰監(jiān)測來說，MODIS是海冰遙感監(jiān)測的主要數據源之一，對于海冰信息提取具有極高的價值[1]。

本單位已利用MODIS數據開展了海冰參數信息的提取工作，但這些信息是靠人工獲取的，如，海冰外緣線是利用現有的DVBS衛(wèi)星數據接收處理系統接收處理的數據經過人工判讀來獲??；海冰密集度、海冰冰量是海洋站觀測人員目測的結果，通過目測的海冰冰型推測出海冰厚度的大體范圍。這樣得到的結果誤差較大，而且速度慢，不能實時地反映海冰的變化情況，無法滿足海冰預報及時、準確的要求；已有的基于MODIS數據的渤海海冰參數提取方法主要是用于極地或高緯度結冰區(qū)域。

綜上所述，本單位需要根據渤海海域海冰的特點，開展基于MODIS數據的渤海海冰重要參數提取技術研究，開發(fā)基于MODIS數據的渤海海冰探測系統，利用DVBS衛(wèi)星數據接收處理系統處理得到的LD2格式數據，提供海冰外緣線、海冰面積、海冰冰厚、海冰密集度等參數，為海冰監(jiān)測和海冰災害評估提供參考數據，從而為海冰預報提供服務，使其能夠更加準確地預報海冰災害來臨，實時監(jiān)控災情發(fā)展，為災害的防控提供強有力的支持。

研發(fā)系統的主要目的是為業(yè)務化海冰預報提供準實時的、準確的海冰參數。因此，系統功能設計應以緊貼海冰業(yè)務化需求為目標，滿足以下需求：

（1）系統能夠實現提取海冰面積、海冰外緣線、海冰厚度和海冰密集度信息；

（2）系統提取結果的準確率必須滿足海冰預報業(yè)務化的需要；

圖1 系統數據流程圖

（3）能夠對歷史的提取結果進行查詢、統計分析；

（4）以專題圖和數據的形式輸出系統提取的結果；

（5）人性化、智能化設計要貫穿全過程，且界面要友好。

2 基于MODIS數據的渤海海冰探測系統的設計與實現

基于MODIS數據的渤海海冰探測系統具有跨平臺操作特性。系統采用C/S模式運行的應用系統，利用IDL和Visual C++6.0開發(fā)而成，可運行于不同的軟硬件環(huán)境，并且可以進行移植[2]。流程圖見圖1。

基于MODIS數據的渤海海冰探測系統的主要功能有：數據導入、信息提取、專題圖制作等功能。其中信息提取包括：海冰檢測、海冰外緣線提取、海冰厚度提取、海冰密集度提??；專題圖制作包括：疊加經緯網格、海冰面積、海冰外緣線、海冰厚度專題圖；數據信息輸出包括海冰位置、海冰厚度等信息。

2.1 數據導入

從LD2數據提取相關的可見光通道數據，從與其同名的頭文件中提取定標定位數據，根據定標模型和相關參數對其進行定標計算，然后進行可見光通道合成，形成海冰真彩色圖像，本系統中真彩色合成通道為1，4，3通道。

2.2 信息提取模塊

2.2.1 海冰檢測

根據海冰預報業(yè)務的需求和渤海海域海冰的特點，本功能既可進行整個渤海海域的冰水識別，也可將渤海海域分成3個區(qū)域（遼東灣、渤海灣和萊州灣）分別進行冰水識別。

如果選擇全渤海，為了減少懸浮泥沙對海冰識別的影響[3]，系統自動將其分為3個區(qū)域，可分別設置海冰檢測閾值，提取海冰，然后合并三區(qū)域，輸出顯示全渤海海冰數據；如果選擇3個區(qū)域中的一塊，按照各子區(qū)域的經緯度范圍裁切子區(qū)塊，并顯示裁切區(qū)域的三通道合成結果。讀取子區(qū)域閾值進行海冰檢測，輸出顯示海冰數據。本系統將海冰檢測結果以二值圖的形式輸出為ENVI標準格式文件（.img）。

根據海冰的反射率特征[4]，海冰和海水通過目視解譯就可從MODIS彩色圖像上區(qū)分出來，所以，將冰水識別結果與MODIS彩色圖像進行比較即可得到冰水識別結果是否準確。

對2009年1月13日MODIS數據，利用海冰檢測的方法，得到（見圖2）海冰檢測結果。2.2.2 海冰外緣線提取

在冰水識別的基礎上，根據用戶的需要選擇是否對當前結果進行圖像變換和圖像分割[5]。如果用戶需要進行圖像變換和圖像分割，則調用圖像分割程序，設置圖像分割閾值，分割圖像，然后進行邊緣檢測[6]，提取海冰外緣線，并顯示結果；如果用戶不需要進行圖像分割，直接進行邊緣檢測，提取海冰外緣線，并顯示結果。

在日常的海冰調查中，海冰外緣線是利用飛機或船舶進行現場調查。由于條件限制，飛機或船舶不能獲得與衛(wèi)星同步的海冰外緣線資料，而且飛機或船舶獲得的外緣線資料只是針對部分海域，不能在MODIS圖像上很好地反映出來。最好的驗證外緣線的方法是利用MODIS數據的反射率特征，通過目測的方式得到海冰外緣線。選用2009年1月26日11點04分MODIS數據，結果見圖3。

2.2.3 海冰厚度提取

本系統采用謝峰[7]等的研究方法，利用海冰厚度反照率公式提取海冰厚度信息。公式如下：

式中，α()h是海冰對太陽短波輻射波段的反照率，它是一個隨冰厚變化的數值[8]，為海水反照率，取為0.1；μα是關于反照率的衰減系數，應用謝峰等的研究方法，利用葫蘆島港和鲅魚圈港的實測氣象數據和海冰厚度數據，根據凍結（融）冰度日法計算μα。經計算，取μα的平均值為1.209。

本文選用2008年1月30日10點27分的MODIS數據提取遼東灣海冰厚度，厚度分布結果見圖4。

根據國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心提供的2008年1月30日鲅魚圈海域雷達海冰監(jiān)測結果可知，該海域沿岸固定冰，平整單層冰厚度一般為20～25 cm；海上流冰冰型以尼羅冰、冰皮和灰冰為主，厚度一般為5～10 cm。根據圖4的海冰分布顯示，在鲅魚圈附近海域冰厚范圍是5～25 cm，這與雷達監(jiān)測結果是基本一致的，說明冰厚反演結果與實際冰情是基本相符合的。

2.2.4 海冰密集度提取

根據海冰預報業(yè)務的需求，海冰密集度定義為一定區(qū)域內流冰覆蓋面積占流冰分布海面的成數[9]。

各類海冰的可見光近紅外實測反射波譜表明，隨冰型、冰面粗糙度狀況的不同，海冰在0.4～0.7 μm處反射率遠高于海水。因此，在冰水識別的基礎上，選擇MODIS第1通道數據進行海冰密集度監(jiān)測。采用以下公式計算密集度：

式中，S冰為選取海域內海冰面積，S總為選取海域內海冰和海水的總面積，P為海冰密集度。

本文的海冰密集度是根據海冰預報業(yè)務的需求設計的，用鼠標選擇需要計算密集度的海域，在屏幕右側顯示選擇的海域范圍和密集度結果。具體實現見圖5。

2.3 專題圖制作模塊

根據海冰預報業(yè)務對海冰產品的需求，本功能主要輸出以下內容：疊加經緯網格的遙感數據圖、海冰面積專題圖、海冰外緣線專題圖、海冰厚度專題圖，并支持保存和打印圖片文件。

圖2 MODIS假彩色合成圖與海冰檢測結果

圖3 MODIS假彩色合成圖與海冰外緣線產品結果

圖4 MODIS假彩色合成圖與海冰厚度產品結果

圖5 海冰密集度計算

圖6 海冰厚度專題圖

圖7 兩點間距離計算

2.4 兩點間直線距離計算

該功能實現計算海冰外緣線距灣底的距離，用戶用鼠標畫出兩點間的直線或在對話框中輸入起始點和終點的經緯度，計算兩點間直線距離。系統實現見圖7。

本文計算直線距離的公式利用GIS中根據兩點經緯度計算距離公式計算，得到的是地球表面兩點間的實際距離。

3 結論與討論

針對海冰預報業(yè)務化的需求，并結合MODIS數據渤海海冰的特點，本文設計了基于MODIS數據的渤海海冰探測系統，實現了海冰信息提取和產品的輸出。

該系統基于C/S結構，具有界面友好、操作簡便、響應速度快，系統運行性能穩(wěn)定可靠，系統兼容性高。通過該系統的應用可以發(fā)現，所設計的系統能夠迅速、準確地獲得適合渤海海域海冰參數。

未來將不斷吸納新的海冰參數提取方法，使系統逐步完善，完善查詢統計分析模塊。

[1]吳奎橋,徐瑩,郝軼萌.MODIS數據在海冰遙感中的應用[J].海洋預報,2005,22(S):44-49.

[2] 王寧.基于MODIS數據的渤海海冰重要參數提取技術與探測系統[D].青島:中國海洋大學,2009.

[3] 王芳,李國勝.海洋懸浮泥沙二元特征參數MODIS遙感反演模型研究[J].地理研究,2007,26(6):1186-1197.

[4] 吳龍濤,吳輝碇,孫蘭濤等.MODIS渤海海冰遙感資料反演[J].中國海洋大學學報,2006,36(2):173-179.

[5]劉榮杰.基于凝聚層次聚類的高分辨率遙感影像分割算法研究[D].青島:青島大學,2008.

[6]靳鵬飛.一種改進的Sobel圖像邊緣檢測算法[J].應用光學,2008,29(4):625-628.

[7]謝鋒,顧衛(wèi),袁藝.遼東灣海冰資源量的遙感估算方法研究[J].資源科學,2003,3(25):17-23.

[8]馬葛乃.遙感信息模型[M].北京:北京大學出版社,1997.

[9]羅亞威,張?zhí)N斐,孫從容,等.“海洋1號”衛(wèi)星在海冰監(jiān)測和預報中的應用[J].海洋學報,2005,27(1):7-18.

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A

1003-0239（2011）01-0033-06

2010-04-14

國家“863”遙感海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術系統（2007AA092102）

王寧（1978-），女，工程師，從事海洋遙感應用研究。E-mail:wn780324@126.com