衛星遙感海冰監測系統在渤海海冰監測中的應用

朱海天，曾韜，梁超，梅涂術，孫從容

（1.國家衛星海洋應用中心，北京100081；2.中國科學院遙感應用研究所，北京 100101）

衛星遙感海冰監測系統在渤海海冰監測中的應用

朱海天1,2，曾韜1，梁超1，梅涂術1，孫從容1

（1.國家衛星海洋應用中心，北京100081；2.中國科學院遙感應用研究所，北京 100101）

海冰是渤海冬季常見的一種海洋災害，對渤海海冰的監測是海洋防災減災的重要一環。本文初步分析了衛星遙感監測渤海海冰的能力，介紹了一種結合多遙感衛星數據源的海冰監測系統的搭建方法，該系統實現了從數據輸入、預處理直至海冰信息提取、成果輸出全過程的處理功能。最后介紹了該系統建成后在2010—2011年冬季渤海海冰監測中的應用情況。

衛星遙感；海冰；監測系統

1 引言

我國的渤海和黃海北部近岸海域，每年冬季都有海冰出現。由于每年冬季的氣候條件不同，各年的冰情互有差異。一般年份，我國海冰出現的范圍較小，持續時間較短，厚度較薄，海冰對航運交通和其他海上活動沒有什么影響。然而，在異常寒冷的冬季，渤海和黃海北部沿岸港口和航道會被堅冰封鎖，廣大海面被厚冰覆蓋，導致船只阻滯冰中，航運被迫中斷，海上生產被迫停止，海洋工程設施遭冰損壞，從而造成海冰災害[1]。其中1969年，渤海的發生特大海冰災害，整個渤海海面幾乎全被海冰覆蓋，冰的厚度大、冰質堅硬。海冰推倒海上石油平臺，使塘沽、秦皇島、葫蘆島、營口和龍口等港口的海上交通運輸處于癱瘓狀態，經濟損失嚴重[2]。2009年冬季，渤、黃海出現了30年以來最嚴重的海冰災害，據山東省海洋與漁業廳不完全統計，僅山東省漁業直接經濟損失就超過22億元，受災漁民損失慘重。

就海冰的觀測手段而言，長期以來主要依賴于固定觀測站、沿岸海冰調查及破冰船走航調查，這些手段雖然可以獲得某一地區較詳細的海冰信息，但是卻難以獲得實時、大面積的觀測數據。而這些實時、大面積觀測數據正是海冰災害預警預報的重要依據。近年來，隨著遙感技術的發展，衛星遙感已經逐步成為一種高效的海冰觀測手段。

2 衛星遙感海冰監測系統簡介

2.2 衛星遙感監測海冰的能力

目前，利用衛星遙感監測海冰主要分為兩大類，一類基于可見光遙感衛星數據，另一類則基于微波遙感衛星數據?？梢姽庑l星海冰監測目前主要是以EOS-MODIS為代表的中低分辨率光學傳感器為主，這類傳感器獲取數據的幅面寬、重訪周期短、圖像直觀，對于監測海冰的結冰、融冰過程十分有效。但是可見光傳感器較容易受天氣影響，無法實現全天候觀測。而近年來迅速發展的微波遙感，特別是合成孔徑雷達（SAR）則具有獨特的全天候、全天時成像能力，而且SAR數據包含著豐富的海洋信息，能對可見光數據提供有力的補充[3]。

國家衛星海洋應用中心自2009年起，將可見光衛星和SAR衛星相結合，充分發揮兩者的優勢，開展渤海海冰的常規業務化監測工作。

2.2 數據源

目前國家衛星海洋應用中心主要利用國內外多顆民用遙感衛星開展業務化海冰業務化監測工作，其中EOS-MODIS、HY-1B、ENVISAT-ASAR、RADARSAT-2衛星主要用于大面積常規監測，COSMO-SkyMed、環境一號、北京一號等數據主要用來開展重點海灣的加密觀測。所用衛星、載荷以及監測內容等基本特性見表1：

2.3 衛星遙感海冰監測系統

國家衛星海洋應用中心建立的衛星遙感海冰監測系統，主要是利用多源衛星遙感數據，近實時獲取的渤海海冰分布范圍、面積、冰型、密集度等海冰監測信息，利用現場觀測數據進行算法驗證和訂正。該監測系統主要監測流程見圖1，實現的主要功能包括：

（1）開發海冰遙感業務可視化平臺，支持EOS-MODIS、 HY-1B、 ENVISAT-ASAR、 RADARSAT-2、COSMO-SkyMed、環境一號、北京一號等數據的輸入；

表1 海冰監測所用衛星基本特性

（2）建立海冰識別模型，提取海冰外緣線信息；

（3）支持海冰識別模型的半自動訂正，包括修改，剔除、合并、邊緣矢量化等功能；

（4）計算海冰外緣線近陸距離及海冰密集度等相關信息；

（5）利用專題制圖工具，自動生產向各級用戶及公眾發布的渤海和黃海北部區域及各重點區域的專題圖以及監測通報。

2.3.1數據管理模塊

實現對GeoTIFF、ERDAS IMAGE、JPEG等標準柵格數據、Shapefile格式矢量數據的的輸入、輸出及管理，并按照日期生成每日的產品數據、原始數據以及專題圖目錄，對海灣分區，云層、河流、海冰外源線、行政區劃等Shapefile文件進行管理。

2.3.2 數據預處理模塊

數據預處理模塊由數據讀取子模塊、數據預處理子模塊組成，主要功能是為海冰遙感監測系統提供所需的各種格式的影像數據，提高系統的兼容性。能對遙感數據進行系統幾何校正、輻射校正、斑點噪聲過濾等預處理過程，為進行海冰識別做好準備。

2.3.3海冰識別模塊

對光學衛星，利用其可見光、中紅外和遠紅外通道數據，結合海冰、海水、云在可見光、紅外通道的光譜特征，可進行海冰的識別和提取[4]。對SAR衛星，主要是利用海冰在SAR圖像上的紋理特征進行海冰提取，主要采用灰度共生矩陣（GLCM），通過相異度、對比度、熵、角二階距等海冰的紋理統計特征量開展海冰的檢測與提取工作[5]，進而獲取海冰分布范圍、面積、冰型、密集度、外緣線等信息。

2.3.4海冰識別訂正模塊

利用自動識別模塊完成海冰的自動識別完成以后，由于渤海海冰類型復雜，現有算法尚在不斷完善中，尚不能完全實現渤海海冰信息的完全自動化識別。因此，需使用半自動訂正模塊，根據專家知識對感興趣區的海冰進行手動、半自動提取和篩選功能。

2.3.5成果制作模塊

利用遙感算法提取出的海冰專題制圖產品和GIS專題制圖工具，形成渤海海灣、黃海北北部、萊州灣、遼東灣以及任意感興趣區的專題圖產品，供發布使用，并按相關規范計算浮冰外緣線近陸距離及海冰密集度，最終形成海冰產品專題圖及監測報告。

3 監測系統在2010—2011年冬季海冰監測中的應用

自上世紀90年代以來，渤海初冰日平均為12月初[6]。因此監測系統自2010年11月下旬開始利用EOS-MODIS和ENVISAT衛星進行預警性監測。2010年12月11日衛星遙感海冰監測系統監測到遼東灣底部開始出現海冰，2010—2011年冬季渤海海冰監測工作正式啟動。12月11日渤海出現海冰后，隨著氣溫的降低，黃海北部、渤海灣和萊州灣也相繼出現海冰，海冰分布面積逐漸加大。至1月15日，遼東灣浮冰外緣線超過60 nm，達到海冰警報級別。1月30日監測系統監測到渤海、黃海北部海冰總面積達到本次海冰監測的最大值，其中渤海海冰分布面占渤海海冰總面積的47%。隨著氣溫的回升，1月下旬至2月上旬海冰面積有所減少，2月6日渤海各監測區均解除海冰警報。2月10日受冷空氣的影響，遼東灣又達到了海冰警報級別，之后隨著氣溫回升，海冰融化較快，2月16日海冰警報解除。2月中旬至三月上旬，渤海開始逐漸融化，至3月10日海冰全部融化。

2010—2011年渤海海冰監測中，國家衛星海洋應用中心利用多顆光學及SAR衛星，制作并發布了衛星遙感海冰監測通報93期，監測通報示例見圖2，專題圖示例見圖3。向國家海洋局、國家海洋環境預報中心、北海分局、環渤海省市的相關單位定向提供了海冰冰清服務，并通過網站向社會公眾發布海冰信息，為渤海海冰防災減災發揮了重要的作用。

圖1 監測系統流程圖

圖2 監測通報示例

總的看來，光學衛星如HY-1B、EOS-MODIS，由于具有覆蓋面積大、數據免費的優勢，在大面積常規監測方面有著重要的作用。但是該類衛星受分辨率限制，監測精細程度不夠，在針對重點港灣、石油平臺的精細化監測中尤其顯得力不從心，而且光學衛星易受云霧等天氣條件影響，單一依靠光學衛星無法保證冰期的不間斷監測。SAR衛星則具有和光學衛星互補的特點，首先SAR衛星不受天氣因素影像，可以全天候工作，保障冰期的不間斷監測，其次SAR衛星具有高分辨率成像模式，可以針對重點區域進行精細監測。目前在軌運行的商用SAR衛星多達8顆，通過多星之間的組合調配，完全有能力實現對渤海重點區域組成一個高空間分辨率、高時間分辨率的衛星觀測網。但是由于目前商用SAR衛星數據均依賴國外衛星，價格昂貴，監測成本高，在經費有限的條件下難以得到廣泛的應用。因此，現階段渤海海冰衛星遙感監測主要采用以光學衛星為主，結合SAR衛星輔助監測的模式，發揮兩者的優勢，實現有限經費下的最優化監測。

圖3 專題圖示例

4 小結

本系統基于ArcGIS Engine平臺開發，界面友好，功能較齊全，同時模塊化的設計使系統具有很好的可擴展性。本系統的建成和應用，實現了渤海海冰的業務化監測工作，已經在2010—2011年渤海冬季海冰監測工作中發揮了重要作用。但是，由于渤海海冰受氣溫多變、潮汐碰撞等原因影響，具有十分復雜的特性，目前的識別算法尚不能完全滿足全自動業務化監測的需要，監測結果還需要通過專家知識進行修正。未來將結合現場調查資料更好的完善海冰提取識別方法，使系統一步步朝著自動業務化監測的方向發展。

[1]張方儉,費立淑.我國的海冰災害及其防御[J].海洋通報,1994,13(5):75-83.

[2]李志軍.渤海海冰災害和人類活動之間的關系[J].海洋預報,2010,27(1):8-12.

[3]Johannessen O M,et al.Remote Sensing of Sea Ice in the Northern Sea Route[M].New York:Springer,2007.

[4] 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(Z1):44-49.

[5]張晰,張杰,紀永剛.基于紋理特征分析的遼東灣SAR影像海冰檢測[J].海洋科學進展.2008,26(3):386-393.

[6]王相玉,張惠滋,嚴素等.渤、黃海北部海冰年代時空變化特征分析[J].海洋預報,2007,24(2):26-32.

Satellite remote sensing of sea ice monitoring system in the Bohai Sea

ZHU Hai-tian1,2，ZENG Tao1，LIANG Chao1，MEI Tu-shu1，SUN Cong-rong1

(1.National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081 China;2.Institute of Remote Sensing Applications Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101 China)

Sea ice is a common oceanic disaster in winter in the Bohai Sea,the monitoring of sea ice plays an important role in the disaster prevention and mitigation.This study is undertaken to analyze the ability of monitoring sea ice by satellite remote sensing,and details how to build a sea ice monitoring system based on multi-source satellite remote sensing data.Many components such as data imput,pre-processing,information extraction and output result were included in the monitoring system.Finally,the application of this system in the 2010—2011 winter was introduced as a demonstration.

satellite remote sensing;sea ice;monitoring system

P731

A

1003-0239（2011）06-0055-05

2011-04-11

國家海洋局青年海洋科學基金資助項目（2008428）；海洋公益行性行業科研專項（201105016）

朱海天(1981-)，男，助理研究員，研究方向為海洋遙感。E-mail:zht@mail.nsoas.gov.cn