基于MODIS数据的渤海海冰遥感探测系统的设计

2011-12-23 08:43纪永刚宋平舰鲁统臻

海洋预报 2011年1期

关键词：外缘密集度探测系统

王宁，纪永刚，张晰，梁建，宋平舰，鲁统臻

（1.国家海洋局北海预报中心，山东青岛266033；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266071）

基于MODIS数据的渤海海冰遥感探测系统的设计

王宁1，2，纪永刚2，张晰2，梁建2，宋平舰2，鲁统臻2

（1.国家海洋局北海预报中心，山东青岛266033；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266071）

为了满足渤海海冰预报业务化的需求，针对渤海海冰和MODIS数据的特点，结合MODIS-TERRA数据，编程实现了基于MODIS数据的渤海海冰遥感探测系统。系统以IDL和Visual C++作为开发语言，为海冰信息提取提供了一个统一的平台，实现了海冰面积、海冰外缘线、海冰厚度和海冰密集度信息提取，并以专题图和数值的形式输出结果。通过对该系统的试应用可以发现，系统得到的产品与实际预期是一致的。基于MODIS数据的渤海海冰遥感探测系统的设计，为海冰预报业务部门及时、快速地获得海冰产品，提高海冰预报效率，开展卫星遥感监测海冰业务化运行提供了保障。

MODIS；海冰；探测系统；IDL；Visual C++

1 引言

国家海洋局北海预报中心作为海洋局业务部门，负责发布渤海、黄海、东海北部海区海洋环境预报，海冰预报是其中一项重要的预报。要做到准确的海冰冰情预测，首先需要实现海冰参数及时、准确地获取。

传统的海冰监测方法包括海洋站观测、沿岸或冰区冰情调查、雷达测冰等，这些方法受到空间和时间的限制，特别是在大范围空间信息获取、时间动态监测以及数据更新等方面无法满足现实工作的要求。随着遥感技术的发展，我国充分利用卫星遥感技术对海冰进行遥感监测。我中心现有的DVBS卫星数据接收处理系统，可以接收处理准实时的MODIS-TERRA/AQUA卫星数据，为海冰业务化监测提供了条件。

MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光谱辐射计）是搭载于美国EOS系列卫星上的一个重要传感器，具有36个可见光-红外光谱波段，空间分辨率分别为250 m，500 m和1000 m。MODIS是新一代的卫星遥感信息源，与NOAA/AVHRR相比，MODIS在通道和分辨率上都有了很大的改进。加上数据以每天上、下午的频率采集和免费接收的数据获取政策，使得MODIS数据成为海洋环境监测中不可多得的数据资源。对于中国的海冰监测来说，MODIS是海冰遥感监测的主要数据源之一，对于海冰信息提取具有极高的价值[1]。

本单位已利用MODIS数据开展了海冰参数信息的提取工作，但这些信息是靠人工获取的，如，海冰外缘线是利用现有的DVBS卫星数据接收处理系统接收处理的数据经过人工判读来获取；海冰密集度、海冰冰量是海洋站观测人员目测的结果，通过目测的海冰冰型推测出海冰厚度的大体范围。这样得到的结果误差较大，而且速度慢，不能实时地反映海冰的变化情况，无法满足海冰预报及时、准确的要求；已有的基于MODIS数据的渤海海冰参数提取方法主要是用于极地或高纬度结冰区域。

综上所述，本单位需要根据渤海海域海冰的特点，开展基于MODIS数据的渤海海冰重要参数提取技术研究，开发基于MODIS数据的渤海海冰探测系统，利用DVBS卫星数据接收处理系统处理得到的LD2格式数据，提供海冰外缘线、海冰面积、海冰冰厚、海冰密集度等参数，为海冰监测和海冰灾害评估提供参考数据，从而为海冰预报提供服务，使其能够更加准确地预报海冰灾害来临，实时监控灾情发展，为灾害的防控提供强有力的支持。

研发系统的主要目的是为业务化海冰预报提供准实时的、准确的海冰参数。因此，系统功能设计应以紧贴海冰业务化需求为目标，满足以下需求：

（1）系统能够实现提取海冰面积、海冰外缘线、海冰厚度和海冰密集度信息；

（2）系统提取结果的准确率必须满足海冰预报业务化的需要；

图1 系统数据流程图

（3）能够对历史的提取结果进行查询、统计分析；

（4）以专题图和数据的形式输出系统提取的结果；

（5）人性化、智能化设计要贯穿全过程，且界面要友好。

2 基于MODIS数据的渤海海冰探测系统的设计与实现

基于MODIS数据的渤海海冰探测系统具有跨平台操作特性。系统采用C/S模式运行的应用系统，利用IDL和Visual C++6.0开发而成，可运行于不同的软硬件环境，并且可以进行移植[2]。流程图见图1。

基于MODIS数据的渤海海冰探测系统的主要功能有：数据导入、信息提取、专题图制作等功能。其中信息提取包括：海冰检测、海冰外缘线提取、海冰厚度提取、海冰密集度提取；专题图制作包括：叠加经纬网格、海冰面积、海冰外缘线、海冰厚度专题图；数据信息输出包括海冰位置、海冰厚度等信息。

2.1 数据导入

从LD2数据提取相关的可见光通道数据，从与其同名的头文件中提取定标定位数据，根据定标模型和相关参数对其进行定标计算，然后进行可见光通道合成，形成海冰真彩色图像，本系统中真彩色合成通道为1，4，3通道。

2.2 信息提取模块

2.2.1 海冰检测

根据海冰预报业务的需求和渤海海域海冰的特点，本功能既可进行整个渤海海域的冰水识别，也可将渤海海域分成3个区域（辽东湾、渤海湾和莱州湾）分别进行冰水识别。

如果选择全渤海，为了减少悬浮泥沙对海冰识别的影响[3]，系统自动将其分为3个区域，可分别设置海冰检测阈值，提取海冰，然后合并三区域，输出显示全渤海海冰数据；如果选择3个区域中的一块，按照各子区域的经纬度范围裁切子区块，并显示裁切区域的三通道合成结果。读取子区域阈值进行海冰检测，输出显示海冰数据。本系统将海冰检测结果以二值图的形式输出为ENVI标准格式文件（.img）。

根据海冰的反射率特征[4]，海冰和海水通过目视解译就可从MODIS彩色图像上区分出来，所以，将冰水识别结果与MODIS彩色图像进行比较即可得到冰水识别结果是否准确。

对2009年1月13日MODIS数据，利用海冰检测的方法，得到（见图2）海冰检测结果。2.2.2 海冰外缘线提取

在冰水识别的基础上，根据用户的需要选择是否对当前结果进行图像变换和图像分割[5]。如果用户需要进行图像变换和图像分割，则调用图像分割程序，设置图像分割阈值，分割图像，然后进行边缘检测[6]，提取海冰外缘线，并显示结果；如果用户不需要进行图像分割，直接进行边缘检测，提取海冰外缘线，并显示结果。

在日常的海冰调查中，海冰外缘线是利用飞机或船舶进行现场调查。由于条件限制，飞机或船舶不能获得与卫星同步的海冰外缘线资料，而且飞机或船舶获得的外缘线资料只是针对部分海域，不能在MODIS图像上很好地反映出来。最好的验证外缘线的方法是利用MODIS数据的反射率特征，通过目测的方式得到海冰外缘线。选用2009年1月26日11点04分MODIS数据，结果见图3。

2.2.3 海冰厚度提取

本系统采用谢峰[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是海冰对太阳短波辐射波段的反照率，它是一个随冰厚变化的数值[8]，为海水反照率，取为0.1；μα是关于反照率的衰减系数，应用谢峰等的研究方法，利用葫芦岛港和鲅鱼圈港的实测气象数据和海冰厚度数据，根据冻结（融）冰度日法计算μα。经计算，取μα的平均值为1.209。

本文选用2008年1月30日10点27分的MODIS数据提取辽东湾海冰厚度，厚度分布结果见图4。

根据国家海洋环境监测中心提供的2008年1月30日鲅鱼圈海域雷达海冰监测结果可知，该海域沿岸固定冰，平整单层冰厚度一般为20～25 cm；海上流冰冰型以尼罗冰、冰皮和灰冰为主，厚度一般为5～10 cm。根据图4的海冰分布显示，在鲅鱼圈附近海域冰厚范围是5～25 cm，这与雷达监测结果是基本一致的，说明冰厚反演结果与实际冰情是基本相符合的。

2.2.4 海冰密集度提取

根据海冰预报业务的需求，海冰密集度定义为一定区域内流冰覆盖面积占流冰分布海面的成数[9]。

各类海冰的可见光近红外实测反射波谱表明，随冰型、冰面粗糙度状况的不同，海冰在0.4～0.7 μm处反射率远高于海水。因此，在冰水识别的基础上，选择MODIS第1通道数据进行海冰密集度监测。采用以下公式计算密集度：