基于資源3號衛(wèi)星的海冰監(jiān)測研究

侯海倩，李家國，米曉飛，殷亞秋，張紅娟

(1.中國科學院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；2.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083；3 中國地質(zhì)大學 長城學院，河北 保定 071000)

1 引 言

海冰是高緯度海域最突出的海洋災害。我國渤海每年冬季受西伯利亞冷空氣的影響，海面有結(jié)冰現(xiàn)象出現(xiàn)。海冰的出現(xiàn)對海面氣熱交換影響十分顯著，直接影響地球、大氣的能量收支平衡，對海洋生物和海洋生態(tài)產(chǎn)生深刻的影響；同時在一定程度上影響到人類在海岸和海上活動實施以及設備安全運行[1]。而另一方面，海冰也提供了潛在的淡水資源[2]。因此，實時對海冰進行科學、準確地監(jiān)測和預報，對海冰災害預防和海冰資源開發(fā)具有重要的應用價值和理論意義。自1969年特大冰封以來，我國海冰監(jiān)測、預報和研究工作全面地開展起來。隨著遙感技術的發(fā)展，20世紀80年代開始大量應用遙感技術監(jiān)測海冰。

吳奎橋等在國家衛(wèi)星海洋應用中心從2000年開始接收處理MODIS數(shù)據(jù)，并于2005年利用海冰實驗的實測數(shù)據(jù)和海冰光譜分析，獲得了海冰厚度、密集度和外緣線等海冰數(shù)值產(chǎn)品[3]；劉建強等在1999年利用具有高分辨率的星載SAR資料對我國渤海海冰進行了監(jiān)測研究[4]；史培軍等在2002年提出了基于GIS技術和光譜特征的海冰信息分層提取法，利用AVHRR和MODIS數(shù)據(jù)對渤海海冰資源儲量進行了估算[5]；羅亞威等人在2005年利用HY A數(shù)據(jù)建立了從衛(wèi)星1B級數(shù)據(jù)開始的海冰反演系統(tǒng)，用于我國渤海海冰監(jiān)測和預報[6]；鄧鐘等人在2011年利用HJ-1A/1B探討適合HJ星數(shù)據(jù)的海冰提取方法[7]。

普通的遙感數(shù)據(jù)如MODIS數(shù)據(jù)空間分辨率不高，很難精確地識別較小的海冰范圍，而RADA-RSAT、ERS-1和JERS-1的星載SAR資料雖具有較高的分辨率，但SAR的特點決定了應用這些資料實現(xiàn)實時海冰監(jiān)測和業(yè)務預報是不可能的。本文正是基于前人的工作所展開的。

ZY-3搭載了四臺光學相機，包括一臺地面分辨率2.1m的正視全色TDI CCD相機、兩臺地面分辨率3.6m的前視和后視全色TDI CCD相機、一臺地面分辨率5.8m的正視多光譜相機。ZY-3重訪周期為5天，具備立體測繪和資源調(diào)查兩種觀測模式；控制定位精度優(yōu)于1個像素，定位精度高，是我國第一顆高分辨率光學傳輸型立體測繪衛(wèi)星。ZY-3的特點彌補了AVHRR和MODIS及HJA/B衛(wèi)星的不足，能更好地適用于大范圍中尺度區(qū)域遙感監(jiān)測。因此，研究國產(chǎn)ZY-3數(shù)據(jù)監(jiān)測海冰的方法具有重要的理論價值和實際應用意義。

2 數(shù)據(jù)分析

渤海區(qū)葫蘆島海域?qū)儆谖覈呔暥群^(qū)，也是我國冬季低溫的主要分布區(qū)之一。在通常情況下，渤海灣初冰期最早在12月初，最晚在12月下旬前期。封凍期約為一個月左右，一般從1月上旬開始至2月中旬，終冰期最早在2月底至3月初，最晚在3月中旬末至下旬。由于幾年來全球氣候變暖，初冰期有所推后，終冰期有所提前。

渤海是北半球緯度最低的結(jié)冰海域。渤海海冰生消與發(fā)展的全部過程都一個年度的冬季中進行，屬于一年生海冰。其冰厚變化及類型分布均比較復雜，冰厚與海冰處于何種狀態(tài)(流動、固定)有關，冰型與成冰期有關。在盛冰期，該區(qū)域出現(xiàn)的海冰類型一般是初生冰、皮冰、灰冰、灰白冰、堆積冰，冰厚一般在10cm～30cm，也有小于5cm的，如表1所示。

表1 渤海海冰分級

研究所選用的ZY-3影像獲取時間為2012年2月19日，屬于海冰融冰期。實驗數(shù)據(jù)經(jīng)輻射校正和采用地面幾何檢校的內(nèi)外方位元素進行系統(tǒng)幾何校正處理。在實驗前已將原始影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為表觀反射率數(shù)據(jù)。研究區(qū)的實際區(qū)域如圖1所示。

圖1 研究區(qū)海冰圖像

圖2 雪、海冰、海水反射光譜特征對比引自文獻(丁德文，2000)

渤海一年生海冰的反射光譜曲線形狀與海水和雪相似，其反射峰水平高于海水，但比雪低很多，且具有多個特征點。從圖2的整體形狀可以看出：從可見光到近紅外波段，雪的反射率值最高達80%，冰次之(在30%～60%之間)，水的反射率值最低(10%左右)，至波長等于或大于1200 nm的紅外波段，冰和水的反射率接近全吸收體而難以區(qū)分[8]。因而ZY-3衛(wèi)星，4個波段中，藍：435nm～480nm，綠：455nm～492nm，紅：622nm～770nm，近紅外：780nm～3 000nm，適合海冰監(jiān)測研究。

3 海冰厚度提取

3.1 技術路線

本文主要的技術路線如圖3所示。

圖3 技術路線

3.2 數(shù)據(jù)預處理

由于數(shù)據(jù)是GEC級別，故先對其進行幾何校正，獲得地表反射率。然后就是海冰厚度提取的前期工作即陸地和海水的去除。本文采用NDVI閾值法對海陸進行分離，-1≤NDVI≤1，負值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對可見光高反射；0表示有巖石或裸土等，NIR和R近似相等；正值，表示有植被覆蓋，也就是陸地。在介紹冰水分離方法之前先介紹一個重要的參量——反照率。

海冰反照率是研究海冰表面特性、海冰厚度、海冰分布的重要光學參量之一，利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)推導海冰反照率是進行海冰研究的重要方法之一。國內(nèi)外學者對海冰已做了大量的觀測與研究，通常海冰的反照率不大于雪的反照率0.8，通常維持在0.1與0.7之間，當雪覆蓋于海冰之上時，反照率會發(fā)生躍升[9]。

目前還沒有基于ZY-3衛(wèi)星影像對地表反照率的反演。故通過對比分析ZY-3數(shù)據(jù)和HJ-1A的CCD數(shù)據(jù)各波段的參數(shù)，兩者傳感器4個波段分布位置十分接近，因此采用W Knap等人提出的基于冰川、冰水地面測量結(jié)果的二次多項式公式進行海冰反照率的計算[10]，公式如下：

(1)

其中，α2為第2波段的反射率，α4為第4波段的反射率。

由現(xiàn)有資料可知，水的反照率遠遠小于海冰的反照率，可用此特性將海水和海冰區(qū)分。如圖4所示。

圖4 反照率

根據(jù)Bayes分類準則，以冰水分布曲線的交點，即兩峰之間的“谷底”作為冰水的分界點時，誤判率最小[11-12]。本文使用雙峰法實現(xiàn)了冰水分界點的自動提取，和直接輸入經(jīng)驗參數(shù)相比，有效地降低了誤差，提高了圖像精度。如果是在有云天氣下拍攝的影像還應將云去除掉，因為該數(shù)據(jù)云覆蓋量為0，故在此不再贅述云去除方法。

在海冰信息提取過程中，由于白冰和積雪相似，故對此進行分析說明。經(jīng)查詢，2012年1月3日到2月19日渤海區(qū)葫蘆島地區(qū)并無雨雪降臨。但是考慮到實際中可變的因素較多，故又根據(jù)冰雪具有較大反照率差異這一特點進行了對比分析。圖5(a)為在所截取的實驗數(shù)據(jù)海冰反照率圖像中陸地上的一部分，圖5(b)為相應的假彩色合成的實際圖像，之前推斷有可能是雪域，而且陸地上還有許多其他類似的區(qū)域，此類區(qū)域分帶狀或塊狀存在，但是疑似雪域部分的反照率均在0.4以下，與積雪的反照率數(shù)值不符，而且此時城區(qū)內(nèi)房屋、公路等處并無積雪痕跡出現(xiàn)，繼而又通過人工識別假彩色圖像上的對應區(qū)域，最終斷定疑似雪域部分并非為積雪覆蓋，而是陸地上的水域在冬季結(jié)冰而致。因已對陸地做出劃分，所以陸地上少量出現(xiàn)的水域結(jié)冰部分并不影響整體對海冰的判別。

圖5 疑似雪域部分

3.3 海冰厚度反演公式

Weller認為，海冰厚度率與其反照率有很大的相關性；Grenfell從光學角度得出了海冰厚度與反照率的有關結(jié)果，并得到了兩者之間的遞增關系。Grenfell等人假設冰厚與海冰反照率呈指數(shù)遞增關系，當海冰厚度在2cm～9cm范圍內(nèi)遞增時，其反照率從0.11遞增到0.24。表達式如下：

α(h)=αmax[1-kExp(-μh)]k=1-αsea/αmax

(2)

其中，α(h)是厚度為h的海冰所對應的反照率，αmax是無限大冰厚對應的反照率，αsea為海水對應的反照率，參數(shù)μα為關于反照率的衰減系數(shù)。

3.4 冰厚反演參數(shù)修訂及噪聲去除

目前研究認為海冰反照率通常在0.1與0.7之間，利用上述式(2)對冰厚進行反演時，αsea取值為0.1，αmax取值為0.7。但經(jīng)反演得到的海冰反照率受到衛(wèi)星資料、圖像質(zhì)量以及輻射定標等因素的影響，表現(xiàn)出一定的不確定性。本文根據(jù)冰厚反演公式參數(shù)定義以及研究區(qū)海水及海冰反照率的實際統(tǒng)計結(jié)果對上述參數(shù)進行修訂，αsea修訂為研究區(qū)海水的平均值0.162，αmax修訂為海冰的最大值0.496。參數(shù)μα受到氣溫與地域的影響，并且衛(wèi)星資料的來源不同、輻射定標不同其反照率也是有差別的?？蓱弥x鋒等人[13]的研究方法，利用葫蘆島港和鲅魚圈港的實測氣象數(shù)據(jù)和海冰厚度數(shù)據(jù)，根據(jù)凍結(jié)(融)冰度日法[14]計算，取μα的平均值為1.209。

至此，利用上述方法，海冰信息已經(jīng)得到了很好地提取，由于誤差的不可避免性，圖像上會有一些噪聲，本文利用灰度形態(tài)學算法對圖像進行搜索去噪，將滿足結(jié)構(gòu)元素的象元進行去除或合并，得到最終的海冰厚度提取結(jié)果。如圖6所示。

圖6 海冰厚度提取效果圖

圖7(a)為原始數(shù)據(jù)的反照率圖像，圖7(b)為去掉陸地和水域的海冰厚度分布圖。據(jù)相關資料顯示，2011年冬季海冰冰情屬于輕冰年，而且2月19日已進入融冰期，從圖7(b)可以看出冰厚大都集中在15cm以下，即初生冰和灰冰為主，與調(diào)查資料想吻合。

圖7 提取結(jié)果分析圖

3.5 結(jié)果分析

據(jù)現(xiàn)有資料來看，在主動遙感領域用來進行海冰研究的數(shù)據(jù)主要有MODIS、AVHRR、Landsat和HJ-1-A-B星數(shù)據(jù)。從理論上講，分辨率為1.1km的AVHRR數(shù)據(jù)只能分辨出巨冰盤和大冰盤，最大分辨率為250m的MODIS數(shù)據(jù)也只能分辨出巨冰盤(水平尺度大于2km)、大冰盤(0.5km～2km)和中冰盤(100m～500m)。再考慮冰盤之間縫隙大小的不同，必然要造成海冰信息提取時海冰信息和海水信息之間的信息融合問題和混合像元的問題。在同一時刻，在海冰密度較高的區(qū)域，由低分辨率遙感數(shù)據(jù)提取的海冰信息，要比用高分辨率遙感數(shù)據(jù)提取的海冰信息所造成的誤差大。在計算海冰面積時，高分辨率遙感數(shù)據(jù)的計算結(jié)果更接近實際情況，其計算結(jié)果也比用低分辨率遙感數(shù)據(jù)計算出的結(jié)果小[5]。HJ星分辨率較高為30m，可以用于海冰信息提取[7]。但是也是僅限于在海冰密度較小、冰盤較大時相對較適用。

ZY-3衛(wèi)星較高的分辨率是其最大的優(yōu)勢，5m的分辨率足以滿足各種類型、狀態(tài)和各個時段的海冰信息提取。 對輪船出海前的預警預報、冬季水產(chǎn)捕撈等提供了更為有效的資料。

因為所用的研究區(qū)數(shù)據(jù)是2013年2月19日的海冰數(shù)據(jù)，此時的海冰處于融冰期，大塊完整的海冰數(shù)量很少，大都是相對較小的海冰。但是采用該法能很清晰地將比較小塊的海冰提取出來。

4 結(jié)束語

本文利用ZY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以渤海臨近葫蘆島海域為例，對海冰冰厚的遙感估算方法進行了研究。根據(jù)上述方法，選取2012年2月19日渤海葫蘆島海域資料，確定結(jié)冰范圍及反演海冰冰厚分布，得到了當天海冰結(jié)冰范圍和海冰厚度分布圖，并討論了估算結(jié)果的合理性，得出了以下結(jié)論：

(1)利用ZY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的反照率數(shù)據(jù)可以進行冰水分離，從而提取出海冰范圍。

(2)利用反照率與海冰厚度的指數(shù)關系建立的海冰厚度反演公式，可以用于海冰厚度的估算。

(3)海冰反照率受到衛(wèi)星資料、圖像質(zhì)量以及輻射定標等因素的影響，表現(xiàn)出一定的不確定性。本文在對研究區(qū)海水及海冰反照率信息統(tǒng)計分析的基礎上，對海冰厚度反演公式中αsea、αmax等參數(shù)進行修正。從得到的初步驗證結(jié)果來看，基本上符合渤海葫蘆島海域海冰分布的實際情況，可以為海冰資源的監(jiān)測利用提供參考數(shù)據(jù)。

本文提出了基于ZY-3的海冰冰厚的遙感估算方法，包括海冰結(jié)冰范圍提取以及海冰厚度反演，這只是對海冰監(jiān)測的基礎性工作，還有許多工作需要深入：

(1)利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)推導海冰反照率是對海冰進行定量研究的前提。如何準確地對海冰反照率進行反演是急需進一步討論的問題。

(2)海冰冰厚遙感估算精度的驗證是今后需要進一步探討的問題。通過實地測量冰厚并與遙感估算冰厚值做對比分析是方法之一，但該方法需要在范圍較大的海冰區(qū)內(nèi)進行大量的實測工作；另一種方法是通過實驗室或采冰現(xiàn)場進行光譜測量，繪制光譜曲線，建立渤海海冰厚與反照率關系的經(jīng)驗曲線，利用其與本文提到的冰厚-反照率指數(shù)曲線得到的相關系數(shù)推論遙感估算冰厚的精度。

(3)準確識別海冰和積雪覆蓋是海冰信息提取的重要部分。

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