NASA MOD IS海冰產品評價分析
——以遼東灣海冰監測為例

馬龍

(大連海事大學航海學院,大連 116026)

NASA MOD IS海冰產品評價分析
——以遼東灣海冰監測為例

馬龍

(大連海事大學航海學院,大連 116026)

NASA開發的MOD IS海冰產品可提供全球范圍的海冰分布和冰表溫度信息,但將其直接用于局地和區域海冰監測時,其精度還有待進一步驗證。以遼東灣冬季海冰監測為例,對MOD IS海冰產品進行了分析,發現該產品將區域內絕大部分海冰標識為云。根據NASA的海冰算法,利用反射率和冰表溫度 (Ice Surface Temperature,IST)數據對海冰范圍進行提取,結果表明,利用 IST可以有效提取海冰分布信息。

MOD IS;冰表溫度 (IST);海冰

0 引言

海冰作為冰雪圈的一部分,不僅對局地和區域氣候產生影響,還對半球乃至全球的大氣環流和氣候產生影響。遙感技術在海冰動態、海冰災害和海冰資源監測方面具有重要作用。自 1969年特大冰封以來,我國海冰監測、預報和研究工作全面開展起來,在海冰常規觀測基礎上,已開展了衛星和航空遙感技術的應用研究[1]。MOD IS是當前新一代“圖譜合一”的光學遙感探測器,目前,在軌的 Terra和Aqua衛星搭載的 MOD IS傳感器,可以滿足白天 2次的重復觀測頻率,已成為海冰監測的重要工具[2]。美國國家航天局 (NASA)利用 MOD IS數據開發了海冰產品 (包括 IST數據),該產品算法基于一組判別條件,具有計算量小,無需人工干預的特點,適合于全球海冰的監測。但在局地和區域海冰監測時,直接應用 NASA開發的MOD IS海冰產品的效果還有待進一步驗證。

本文根據NASA的海冰算法,利用反射率和 IST數據對冬季遼東灣海冰范圍進行提取,同時,獲取相應區域 NASA的 MOD IS海冰產品,對 MOD IS監測海冰的方法進行了分析,指出應用 IST可以有效獲取海冰范圍信息。

1 NASA MOD IS海冰產品

目前,有 MOD IS/Terra和 MOD IS/Aqua兩個版本的海冰產品。需要說明的是,MOD IS/Aqua第 6波段的探測器僅有 30%在工作,因此,該探測器需采用第 7波段數據提取海冰信息。對于冰表溫度信息的提取,2個傳感器采用的算法一致。

MOD IS海冰產品,準確地說應該是產品系列,共有 4個 (表 1)。除了 MOD 29產品外,表 1中依次排列的產品均由上一級產品獲得,每個產品都包括海冰分布和冰表溫度數據。MOD 29產品由MOD ISL1B數據根據MOD IS海冰算法得到。MOD 29PG和MOD 29P1分成白天 (D)和夜晚 (N)數據。對 MOD 29進行 EASE-Grid投影,得到 MOD 29PG產品。作為中間產品,MOD 29PG沒有存檔,投影后的MOD 29PG會有重疊問題。MOD 29P1產品由MOD 29PG產品生成,其根據一定的打分算法,選擇分值最高的重疊像元作為最終像元。

表 1 MOD IS海冰系列產品[3]Tab.1 MODIS sea ice data products[3]

2 MOD IS海冰產品算法

MOD IS海冰產品算法[4]即指生成MOD 29產品的算法,其依據是海冰同無冰海水在可見光和近紅外波段的反射率差異。算法的輸入數據如表 2所示。

表 2 MODIS海冰算法的輸入數據Tab.2 MODIS data product inputs to the MODIS sea ice algorithm

海冰算法要求輸入的像元為海洋信息,且無云遮擋。這些信息可由MOD 03和MOD 35_L 2產品提供。算法由如下一組判別條件組成:

如果某像元同時滿足上述 3個條件,那么該像元就確定為海冰。對于較薄的海冰 (厚度 <10 cm,沒有雪覆蓋),其反射率較低,利用雪被指數 (NDSI)不容易分辨。在這種情況下,可利用冰表面和海水表面的溫度差異進行識別。MOD IS計算冰表面溫度 (IST)的算法為

式中,T31、T32分別為MOD IS第 31、32波段的亮溫值;θ為從天底點算起的掃描角;a、b、c、d為由經驗確定的系數,選擇時,需要參考研究區的位置和T31的溫度取值 (表 3)。

表 3 計算冰表溫度 (IST)采用的系數[3]Tab.3 Coefficients used in the calculation of IST

3 遼東灣海冰監測

渤海是中國緯度最高的海域,也是中國冬季低溫的主要分布區之一。周圍分布著黃河、海河及遼河等河流,大量淡水源源不斷地流人渤海,降低了渤海的海水鹽度,為結冰提供了有利條件。受冬季西風環流的影響,渤海每年都有不同程度的結冰現象[5,6]。為了避免其他干擾因素,研究選擇晴天數據進行分析。以 2009年 12月 23日的遼東灣海冰為例,獲取了當日的MOD ISL1B以及MOD 29數據(圖 1,數據為 MOD IS/Terra采集 )。

圖 1 MOD ISL1B真彩色增強圖 (左)和 MOD 29彩色分割圖 (右)Fig.1 Enhanced natural color of MODISL 1B(left)and density slice of M OD 29

由圖 1(左)可以看出,遼東灣頂部的海域有大量海冰覆蓋,這與同期實際情況和相關報道一致。對比圖 1(右)發現,MOD IS海冰產品 (MOD 29)卻將此區域標識為云,海冰僅在沿岸分布。對于 IST數據,同樣將該區域標識為云,未作 IST的計算。

考慮到研究區數據獲取時為晴天,因此無需云掩模數據便可直接利用反射率數據和 IST數據提取海冰分布信息。

(1)根據反射率數據提取海冰分布信息。利用上述判別條件組的 3個條件進行海冰識別,并將提取的海冰信息 (紅色區域)疊加到真彩色圖像上 (圖 2);

圖 2 基于反射率特征提取海冰信息Fig.2 Seaice information extraction based on reflectance

(2)根據 IST數據提取海冰分布信息。利用式(1)獲取 IST,并以 271.4 K為閾值[4]提取海冰信息(<271.4 K)(圖3)。

圖 3 基于 IST提取海冰分布Fig.3 Sea ice extraction based on IST

由圖 2可見,基于判別條件組的方法沒能正確獲取海冰分布信息,而根據 IST提取的海冰信息較好地反映了實際情況 (圖 3)。真彩色圖像上的海冰分布較 IST提取的范圍小,這可能由于初生冰較薄、色調較暗,不宜同海水區分的緣故。

以上結果表明,將MOD IS海冰算法應用于局地和區域海冰監測時有其局限性。同時,海冰反射率與冰的種類、表面狀況及成像時間等多種因素有關,這些因素的變化會造成冰水分界點反射率值的較大變化,從而影響算法的精度。亮溫反映了海水結冰時的凝結點溫度,這一溫度在一定海域內的變化較小,具有穩定性。因此,用 IST資料統計出的冰水分界點誤判概率最小,可作為區分海冰和海水的閾值。

4 結論

(1)在范圍較小的研究區使用MOD IS海冰產品時應慎重,其獲取的海冰范圍可能同實際情況不符。

(2)利用 IST提取海冰范圍可以取得較好的效果,在算法設計和速度上也具有優勢。當然,如果對計算量沒有要求,采用監督分類、神經網絡分類等也可以獲得滿意的效果。

(3)MOD IS海冰算法主要提供全球海冰分布和冰表溫度信息,而關于海冰的其他信息,比如,海冰類型、密集度等,還沒有全球普適的算法,這些信息的提取還局限于局地或區域性的范圍。

[1] 國巧真,陳云浩,李 京,等.遙感技術在我國海冰研究方面的進展[J].海洋預報,2006,23(4):95-103.

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

[3] Riggs G A,Hall D K,Salomonson V V.MOD IS Sea Ice Products User Guide to Collection 5[R/OL].University of Colorado:National Snow and Ice Data Center,2007[2010-3-24].http://modis-snow-ice.gsfc.nasa.gov/siug_c5.pdf.

[4] Hall DK,Riggs GA,Salomons on V V.Algorithm Theoretical Basis Document(ATBD)for the MOD ISS now and Sea Ice-Mapping Algorithm s[R/OL].Washington:NASA,2001[2010-3-24].http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod10.pdf.

[5] 潘淑杰.EOS/MOD IS衛星資料在渤海海冰監測中的應用研究[D].銀川:蘭州大學,2008.

[6] 紀永剛.基于微波圖像的遼東灣海冰典型要素信息提取[D].青島:中國科學院海洋所,2006.

[7] Riggs GA,HallD K,Ackerman SA.Sea Ice Extent and Classification Mapping with the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Airborne Simulator[J].Remote Sensing of Environment,1999,68:152-163.

(責任編輯:刁淑娟)

The Evaluation of NASAM OD IS Sea Ice Products:a Case Study of Sea Ice in Liaodong Bay

MA Long
(Navigation College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)

NASA MOD IS sea ice products provide global information of sea ice extent and ice surface temperature(IST).However,when it is used for local and regional sea ice mapping,its accuracy needs further validation.Taking sea ice in Liaodong Bay as an example,the author analyzed MOD IS sea ice products,and the result shows that almost all the sea ices in this area are identified as clouds.Based on NASA sea ice algorithm,the author extracted sea ice extent by using sea ice reflectance and ice surface temperature respectively.The results show that ice surface temperature can extract the distribution of sea ice effectively.

MOD IS;IST;Sea ice

馬 龍 (1977-),男,講師,博士,主要從事遙感應用研究。

TP 79

A

1001-070X(2011)01-0115-03

2010-03-23;

2010-05-15

教育部新教師基金項目“海上溢油極化 SAR監測方法研究”(編號:20092125120007)。