MODIS影像支持下的渤海海冰时空特征变化分析

陈艳红，刘瑞敏，龙　辉

(1. 石家庄经济学院，河北 石家庄 050031； 2. 北京城建勘测设计研究院有限责任公司，

北京 100101； 3. 江苏万源测绘地理信息有限公司，江苏 连云港 222000)

CHEN Yanhong,LIU Ruimin，LONG Hui

MODIS影像支持下的渤海海冰时空特征变化分析

陈艳红1，刘瑞敏2，龙辉3

(1. 石家庄经济学院，河北 石家庄 050031； 2. 北京城建勘测设计研究院有限责任公司，

北京 100101； 3. 江苏万源测绘地理信息有限公司，江苏 连云港 222000)

Change Analysis of the Spatio-temporal Characters of Sea Ice in the Bohai Sea Based on MODIS Images

CHEN Yanhong,LIU Ruimin，LONG Hui

摘要：基于2000—2014年渤海区域每年冰期的MODIS影像数据，利用ENVI进行了数据处理并提取了海冰信息，通过ArcGIS软件对每年海冰结冰日、盛冰日、终冰日的具体时间及每年海冰最大面积数据进行了统计分析。研究结果表明，14年间渤海海冰的初冰日呈退后状态，盛冰日和终冰日均有所提前，整体冰期基本维持在70~100天。通过对最长冰期和最短冰期的海冰面积信息进行详细分析发现，渤海的冰期长短、盛冰日海冰面积和冰情等级三者之间密切相关。

引文格式： 陈艳红，刘瑞敏，龙辉. MODIS影像支持下的渤海海冰时空特征变化分析[J].测绘通报，2015(9)：83-86.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0286

关键词：渤海海冰；MODIS；时空变化；统计分析

中图分类号：P237

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2015)09-0083-04

收稿日期：2015-01-07

作者简介：陈艳红(1977—)，女，硕士，讲师，主要从事测绘与地理信息方面的教学与研究工作。E-mail：bjcyh@163.com

一、引言

渤海海域的海冰一般起于12月中旬，至第2年3月中旬终止[1]。为减少海冰灾害对经济的影响，海冰研究已成为我国海洋事业研究的主要课题。自1999年Terra卫星发射以来，国内一些学者基于MODIS影像对渤海海冰进行了研究。如邓娟等[2]证明了MODIS影像对海冰和海水的判别精度高；郑小莉等[3]对MODIS数据检测海冰的能力进行了评估分析。本文选择2000年12月至2014年2月渤海14个冰期内的MODIS影像，根据提取的海冰信息数据对渤海海冰长期时空变化特征进行分析。

二、数据获取与海冰信息提取

1. MODIS数据获取

笔者从美国戈达德航天中心网站免费下载2000—2014年(每年12月5日至第二年3月25日)的MODIS遥感影像图，从研究目的出发选择下载250 m分辨率的MODIS L1B数据。依据研究内容与数据质量，利用每个渤海冰期MODIS遥感影像，筛选出能查看海冰初冰日、盛冰日、终冰日3个时间节点的影像，共选择42幅MODIS影像作为研究的基础数据。

2. MODIS数据处理

MODIS数据的HDF文件中自带了相关的定位信息。本文主要应用ENVI 4.4进行数据处理[4]，主要步骤有：①MODIS数据预处理，包括几何校正和大气校正，另外为方便提取海冰信息，应进行经纬度裁剪、矢量化海域及掩膜等基本处理；②影像增强处理，针对不同的MODIS影像采用Laplacian、Robert等合适的滤波算法进行增强处理，以提高人工目视解译提取海冰信息的精度。

3. 海冰信息提取

综合考虑ENVI软件的易于实现性和面积提取的精确性，本研究在提取渤海海冰信息时，采用最基础的归一化积雪指数与目视解译相结合的方法从MODIS影像中提取海冰面积的像元数，该方法是ENVI软件中提取遥感影像中目标信息最常用的方法，实践次数多，精度和可靠性较高。通过ENVI提取海冰面积的像元数，每个像元面积为0.062 5 km2，在ArcGIS 10.0中进行面积计算，计算结果见表1。

三、渤海海冰时空特征变化分析

1. 海冰冰情变化特征

渤海处于北半球纬度最低的结冰海域，属于半封闭式的内海，受周围陆地气温环境的影响较大，使得渤海的海冰种类以新海冰和一年冰为主[5]。海冰面积是分析海冰发展变化的主要数据依据，每年冬季的海冰最大面积数据更是判断该冰期冰情等级的关键因子。

根据表1中渤海海冰面积信息统计结果，参考国家海洋局于1973年制定的《中国海冰冰情预报等级》的划分标准[6]，利用ArcGIS制作渤海海冰冰情等级分布图(如图1所示)。

表1　2000—2014年渤海冰期海冰面积信息

图1　渤海海冰冰情等级分布

2. 海冰冰期变化特征

通常将每年海冰冰期分为初冰期、盛冰期和融冰期[7]，因而出现3个相对应的时间节点，即初冰日、盛冰日和终冰日。根据表1的渤海海冰信息的统计结果，得到每年冬季渤海海冰的冰期日数统计(见表2)。

表2　2000—2014年渤海冰期日数统计

根据表2数据可知，2000—2014年渤海海冰冰期最短为71 d，最长为95 d，大部分冰期日数徘徊在80~90 d，冰期日数较20世纪偏少了5 d左右。2012—2013年的冰期为整个研究年际的最大值，分析该冰期的海冰发展情况发现，海冰最大面积为30 236.875 km2，并不属于严重冰清年份，但是根据MODIS影像数据的筛选及后期处理结果显示，该冬季渤海海域的初冰日较早，终冰日推迟到3月13日，融冰期持续时间长，致使整个冰期时间加长。另外，2000—2001年和2009—2010年的冰期达到94 d，也属于研究年际中的高峰值，通过查看这两个冰期的其他海冰信息发现这两个冰期的冰情均属于重冰等级。同时，根据表2，2001—2002年和2006—2007年的渤海海冰冰期同为71 d，是整个研究年际内的最小值，查看两个年份的海冰面积信息得知这两个冰期的渤海冰情均属于轻冰等级，因此确定渤海海冰的冰期长短与冰情等级有着直接的联系。

3. 海冰盛冰日面积变化特征

根据表1的海冰面积信息，采用Excel制作海冰最大面积年际变化图(如图2所示)。

由图2显示的渤海海冰最大面积年际变化图及表1的面积数据统计结果可知，2000—2014年的14个冰期中，2000—2001年的海冰最大面积超过40 000 km2，达到本研究时段的最高峰；在2001—2002年的冰期中海冰最大面积大幅度减少低于10 000 km2，下滑幅度达到79.4%；之后连续4个冰期的海冰最大面积呈平稳上升状态，到2006-02-08海冰最大面积接近30 000 km2，达到常冰等级；在2006年冬季的冰期中海冰最大面积再次大幅度减少，2007-02-11海冰最大面积值也低于10 000 km2，基本接近2000—2001年的海冰最大面积值，属于轻冰年；2007—2008年的冰期中海冰最大面积呈上升趋势，上升幅度达58%；2008—2009年冰期中海冰最大面积再次减少17%，统计为17 505.625 km2；2009—2011年两年的冰期中海冰面积大幅度增加，接近40 000 km2，连续两个冰期的海冰最大面积相差幅度仅为0.4%，均属于重冰年；2011—2014年这3年的冬季冰期中，海冰最大面积较之前两年明显下降，到2013—2014年海冰最大面积更是急速减少，低于15 000 km2，达到2006—2007年以来海冰面积的最低点。

图2　渤海海冰最大面积年际变化

四、结束语

本文采用14年渤海冬季MODIS影像为主要数据源，对渤海海冰时空特征的长期变化进行了分析研究，主要包括海冰冰情变化特征、海冰冰期变化特征、海冰盛冰日面积变化特征，并提出了相应的结论。为提高海冰面积变化的精度，未来在采用较高分辨率的卫星影像及多传感器数据融合方面还要加强研究。

参考文献：

[1]韩素芹,黎贞发,孙治贵,等.EOS/MODIS卫星对渤海海冰的观测研究[J].海洋通报,2005,25(6):624-628.

[2]邓娟,柯长青,雷瑞波,等.2009年春夏季北极海冰运动及其变化监测[J].极地研究,2013,25(1):96-104.

[3]郑小莉,杨晓梅,刘兴权.卫星遥感影像对海洋监测能力的评估分析——以渤海海区为例[J].地球信息科学学报,2009,11(6):860-866.

[4]杜启胜,刘志平,王新生.基于ENVI的MODIS数据预处理方法[J].地理空间信息,2009,7(4):98-100.

[5]余勇.卫星遥感监测渤海辽东湾海冰变化规律的研究[D].大连:大连海事大学,2011.

[6]唐茂宁,刘煜,李宝辉,等.渤海及黄海北部冰情长期变化趋势分析[J].海洋预报,2012,29(2):45-49.

“中海达杯”第八届全国高等学校测绘学科青年教师讲课竞赛闭幕

[本刊讯]由教育部高等院校测绘类专业教学指导委员会、中国测绘地理信息学会教育工作委员会联合主办的“中海达杯”第八届全国高等学校测绘学科青年教师讲课竞赛日前在西安落下帷幕。

竞赛活动于2015年7月31日至8月2日在西安科技大学举办。出席讲课竞赛的代表来自全国70多所高等院校，达300余人。其中参加讲课竞赛的青年教师113人，来自全国50所高校；做评委和仲裁工作的57位教授，来自全国45所高校。 本次竞赛有4门课：测量学、大地测量学基础、摄影测量遥感和地图制图基础。比赛采用按课程分组预赛、决赛的形式进行，设特等奖、一等奖和二等奖。

经过紧张激烈的角逐，信息工程大学冯其强、武汉大学詹总谦、西安科技大学娄宁等14名选手获特等奖；西安科技大学席晶，武汉大学史俊波，河南理工大学王辉连、李天子等30名选手获一等奖；辽宁科技大学宫雨生、兰州理工大学凌晴、安徽理工大学王世航、辽宁工程技术大学刘正纲等47名选手获二等奖。

选手们在竞赛期间进行了广泛的交流，不仅赛出了水平，也充分展示了各校的教学水平和教学风格。这次讲课竞赛不仅是一次全国测绘学科课堂教学方法的竞赛，也是对近几年的教学理念、教学能力和教学改革成果的检验。通过竞赛，青年教师的教学水平、运用多媒体技术教学的能力及驾驭课堂教学的能力都有了很大提高。选手们在讲课过程中不仅充分发挥了多媒体技术的优势，也较好地继承和发扬了传统教学方法的先进经验和教学方法。

(本刊编辑部)