基于MODIS數據的渤海海冰遙感探測系統的設計

2011-12-23 08:43:48紀永剛宋平艦魯統臻

海洋預報 2011年1期

關鍵詞：海冰系統

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現，系統得到的產品與實際預期是一致的。基于MODIS數據的渤海海冰遙感探測系統的設計，為海冰預報業務部門及時、快速地獲得海冰產品，提高海冰預報效率，開展衛星遙感監測海冰業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務部門，負責發布渤海、黃海、東海北部海區海洋環境預報，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。

傳統的海冰監測方法包括海洋站觀測、沿岸或冰區冰情調查、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、時間動態監測以及數據更新等方面無法滿足現實工作的要求。隨著遙感技術的發展，我國充分利用衛星遙感技術對海冰進行遙感監測。我中心現有的DVBS衛星數據接收處理系統，可以接收處理準實時的MODIS-TERRA/AQUA衛星數據，為海冰業務化監測提供了條件。

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數據成為海洋環境監測中不可多得的數據資源。對于中國的海冰監測來說，MODIS是海冰遙感監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衛星數據接收處理系統接收處理的數據經過人工判讀來獲取；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，開發基于MODIS數據的渤海海冰探測系統，利用DVBS衛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，實時監控災情發展，為災害的防控提供強有力的支持。

研發系統的主要目的是為業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開發而成，可運行于不同的軟硬件環境，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、海冰密集度提取；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個區域，可分別設置海冰檢測閾值，提取海冰，然后合并三區域，輸出顯示全渤海海冰數據；如果選擇3個區域中的一塊，按照各子區域的經緯度范圍裁切子區塊，并顯示裁切區域的三通道合成結果。讀取子區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。

根據國家海洋環境監測中心提供的2008年1月30日鲅魚圈海域雷達海冰監測結果可知，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

根據海冰預報業務的需求，海冰密集度定義為一定區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測。采用以下公式計算密集度：