河北省衛(wèi)星遙感海冰業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用現(xiàn)狀

● 文 |1. 河北省水文工程地質(zhì)勘查院2. 河北省遙感中心 徐雯佳 韓笑 許志輝

一、引言

衛(wèi)星遙感技術(shù)具有觀測(cè)面積大、觀測(cè)周期短、空間分辨率高、同步性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)直觀等優(yōu)點(diǎn)，是海洋環(huán)境立體觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分[1,2]。2010年，國家海洋局科技司大力推進(jìn)升級(jí)衛(wèi)星海洋應(yīng)用，將河北省列入衛(wèi)星海洋應(yīng)用示范區(qū)。河北省以海冰作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象之一，開展衛(wèi)星遙感在地方海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化應(yīng)用的“試驗(yàn)型”工作。

隨著近年來國產(chǎn)海洋、環(huán)境減災(zāi)、高分等系列衛(wèi)星的成功發(fā)射，為真正實(shí)現(xiàn)海冰業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)提供了有力的數(shù)據(jù)保障。為充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感技術(shù)在海冰防災(zāi)減災(zāi)管理中的作用，全面提高地方海冰遙感監(jiān)測(cè)水平和實(shí)現(xiàn)地方海冰遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化，河北省研究建設(shè)了衛(wèi)星遙感海冰業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建設(shè)，有效解決了衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取的問題，進(jìn)一步優(yōu)化了海冰信息提取方法和監(jiān)測(cè)流程，提高了海冰遙感監(jiān)測(cè)效率和精度，及時(shí)為海洋管理部門及其他涉海部門提供了精細(xì)化的產(chǎn)品服務(wù)，效果顯著。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

河北省衛(wèi)星遙感海冰業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路是綜合采用遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、信息采集傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，充分利用整合國家海洋衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)、地方海洋遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)單位的能力和優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)預(yù)處理、海冰信息提取、產(chǎn)品制作輸出、產(chǎn)品提交發(fā)送、數(shù)據(jù)管理至成果驗(yàn)證的海冰遙感監(jiān)測(cè)全業(yè)務(wù)閉環(huán)流程，為海洋管理部門及其他涉海部門海冰防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)保障。根據(jù)海冰遙感監(jiān)測(cè)工作流程，設(shè)計(jì)編寫系統(tǒng)功能模塊。圖1為系統(tǒng)的總體框架圖。

三、系統(tǒng)主要功能

1．?dāng)?shù)據(jù)傳輸

以河北省遙感中心為中心，與國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心、秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站分別搭建專線，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、海冰監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)傳輸。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸：將國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心獲取的海洋衛(wèi)星、高分系列衛(wèi)星、MODIS數(shù)據(jù)等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站獲取的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸匯總至河北省遙感中心。

監(jiān)測(cè)產(chǎn)品實(shí)時(shí)傳輸：將河北省遙感中心海冰遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)產(chǎn)品實(shí)時(shí)傳輸?shù)絿倚l(wèi)星海洋應(yīng)用中心、秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站。

2．?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理

通過調(diào)用相關(guān)IDL函數(shù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的自動(dòng)輻射校正、系統(tǒng)幾何校正、陸地掩膜、云檢測(cè)等，并具備波段組合、圖像增強(qiáng)、幾何精校正等功能，為海冰識(shí)別提取做好準(zhǔn)備。

3．海冰信息提取

（1）海冰識(shí)別

云檢測(cè)后，對(duì)沒有云覆蓋的區(qū)域進(jìn)行冰水識(shí)別。根據(jù)海冰和海水在可見光、紅外通道的光譜特征，實(shí)現(xiàn)海冰的識(shí)別和提取。通常將海冰和海水分布曲線的交點(diǎn)作為冰水識(shí)別的閾值[3]。當(dāng)某一像元相應(yīng)反照率高于此閾值，判別為海冰。冰水識(shí)別后獲取監(jiān)測(cè)區(qū)海冰分布狀況。

圖1 海冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

（2）海冰面積

像元面積與像元總數(shù)的乘積為海冰面積。像元面積由遙感數(shù)據(jù)的分辨率決定。系統(tǒng)具備對(duì)不同類型遙感數(shù)據(jù)的分辨率進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)設(shè)定的功能。

（3） 海冰外緣線

在冰水識(shí)別的基礎(chǔ)上，對(duì)于衛(wèi)星圖像上為冰的一個(gè)像元，判別其領(lǐng)域8個(gè)像元的冰水變化。如果在經(jīng)向或緯向或?qū)蔷€方向的兩個(gè)像元有冰水變化，則認(rèn)為此像元為冰外緣線的點(diǎn)。若冰外緣線內(nèi)的冰區(qū)存在水區(qū)，這些水區(qū)的邊緣也會(huì)判別為冰外緣線。通過人工目視判別去除上述誤判[4]。

（4） 海冰類型

利用多邊形的面向?qū)ο蠓诸惙椒?，根?jù)海冰類型和其他地物特征，選擇合適的尺度大小和顏色參數(shù)對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行多尺度分割，然后采用最近鄰分類算法對(duì)海冰進(jìn)行分類。首先根據(jù)海冰運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將沿岸冰歸為一類。其余根據(jù)海冰發(fā)展?fàn)顟B(tài)，分為初生冰、灰冰和灰白冰[5]。

4．產(chǎn)品制作輸出

海冰監(jiān)測(cè)產(chǎn)品包括海冰監(jiān)測(cè)專題圖和監(jiān)測(cè)通報(bào)。監(jiān)測(cè)專題圖主要為海冰衛(wèi)星遙感影像圖、海冰監(jiān)測(cè)分布圖、海冰監(jiān)測(cè)分類圖（圖2）。

系統(tǒng)提供海冰監(jiān)測(cè)專題圖制圖模板的管理，能夠支持基于調(diào)用制圖模板的專題圖自動(dòng)化制作輸出，同時(shí)具備前臺(tái)手動(dòng)產(chǎn)品制作功能。

實(shí)現(xiàn)海冰監(jiān)測(cè)通報(bào)半自動(dòng)制作輸出，對(duì)秦皇島近海、唐山近海、滄州近海、整個(gè)河北近海、重點(diǎn)港口等的海冰分布面積進(jìn)行分區(qū)域統(tǒng)計(jì)，并自動(dòng)調(diào)用通報(bào)模板填入信息。然后，人工對(duì)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行總結(jié)分析，輸出最終的監(jiān)測(cè)通報(bào)。

5.產(chǎn)品提交發(fā)送

圖2 海冰監(jiān)測(cè)專題圖產(chǎn)品示例

產(chǎn)品主要通過專網(wǎng)、FTP、電郵等形式進(jìn)行提交發(fā)送。發(fā)送對(duì)象主要為海洋管理部門、各市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站、海洋預(yù)報(bào)臺(tái)、港口等。對(duì)于海洋管理部門，主要利用電郵提交；對(duì)于其他涉海用戶，主要利用專網(wǎng)和FTP發(fā)送。

6．?dāng)?shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要包括數(shù)據(jù)整理入庫、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)三類功能。

數(shù)據(jù)整理入庫：實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、預(yù)處理數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)自動(dòng)快速整理入庫。

數(shù)據(jù)檢索：可以根據(jù)時(shí)間、空間范圍、數(shù)據(jù)類型等檢索條件，快速查詢所需數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：對(duì)服務(wù)器各類型數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

四、系統(tǒng)應(yīng)用

2017、2018年河北省海冰遙感監(jiān)測(cè)工作主要基于衛(wèi)星遙感海冰業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開展。在衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收后，實(shí)現(xiàn)1小時(shí)之內(nèi)完成產(chǎn)品的制作與發(fā)送。共制作發(fā)送監(jiān)測(cè)產(chǎn)品37期。

2018年度河北近海海域海冰冰情總體屬偏輕冰年。冰期為2018年1月1日至2月21日，共52天。最大海冰面積8597 km2，最大浮冰范圍25.4海里。圖3為海冰冰情變化趨勢(shì)圖。圖4為海冰不同發(fā)展時(shí)期監(jiān)測(cè)圖。

初冰期：2018年1月1日，唐山灣三島和曹妃甸附近海域出現(xiàn)海冰分布，最大浮冰范圍0.5海里。此后氣溫持續(xù)降低，海冰范圍逐漸擴(kuò)大。此次初冰期持續(xù)時(shí)間為2018年1月1日至2018年1月26日，累計(jì)26天，海冰類型主要以初生冰為主。

盛冰期：2018年1月27日至2月12日，河北海域海冰進(jìn)入盛冰期，持續(xù)17天，海冰類型以尼羅冰、灰冰為主。海冰面積主要在4000—6000 km2之間，于2月11日達(dá)到最大值，為8597km2。海冰最大外緣線則主要分布在13—22海里，于2月11日達(dá)到最大值，為25.4海里。

融冰期：2018年2月13日進(jìn)入融冰期，持續(xù)至2月21日，共9天，海冰類型以尼羅冰和沿岸薄冰為主。

圖3 2018年度河北省近海海域海冰冰情變化趨勢(shì)圖

圖4 2018年度河北省近海海域不同發(fā)展時(shí)期的海冰監(jiān)測(cè)圖

對(duì)2017—2018年度的河北省近海海域海冰分布范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖5。2017、2018年，河北近海海域海冰分布最大疊加次數(shù)為33次，出現(xiàn)在唐山灣三島附近海域。秦皇島和滄州附近海域海冰最大疊加次數(shù)分別為23次和24次。綜合而言，唐山海域的冰情相對(duì)略重，滄州海域冰情居中，秦皇島海域冰情相對(duì)較輕。

圖5 海冰空間分布范圍統(tǒng)計(jì)分析圖

五、結(jié)論

河北省衛(wèi)星遙感海冰業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立了由國家單位提供衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、地方單位承擔(dān)業(yè)務(wù)運(yùn)行、監(jiān)測(cè)單位負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的地方海冰遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)的合作運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)地獲取河北近海海域海冰分布、海冰面積、海冰外緣線、海冰類型等海冰信息，并能及時(shí)將冰情傳輸發(fā)送給海洋管理部門和其他相關(guān)部門。該系統(tǒng)在2017、2018年河北省海冰遙感監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮了重要作用，促使海冰遙感監(jiān)測(cè)工作向著系統(tǒng)化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化發(fā)展。但目前該系統(tǒng)主要支持基于光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)海冰信息自動(dòng)化或半自動(dòng)化提取，為實(shí)現(xiàn)海冰遙感全天候監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)需增加基于合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星海冰監(jiān)測(cè)模式，整體功能還需進(jìn)一步擴(kuò)展與完善。