朱海天，曾韜，梁超，梅涂術(shù)，孫從容

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081；2.中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京 100101）

衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在渤海海冰監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

朱海天1,2，曾韜1，梁超1，梅涂術(shù)1，孫從容1

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081；2.中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京 100101）

海冰是渤海冬季常見(jiàn)的一種海洋災(zāi)害，對(duì)渤海海冰的監(jiān)測(cè)是海洋防災(zāi)減災(zāi)的重要一環(huán)。本文初步分析了衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)渤海海冰的能力，介紹了一種結(jié)合多遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的海冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建方法，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)輸入、預(yù)處理直至海冰信息提取、成果輸出全過(guò)程的處理功能。最后介紹了該系統(tǒng)建成后在2010—2011年冬季渤海海冰監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況。

衛(wèi)星遙感；海冰；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 引言

我國(guó)的渤海和黃海北部近岸海域，每年冬季都有海冰出現(xiàn)。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(guó)海冰出現(xiàn)的范圍較小，持續(xù)時(shí)間較短，厚度較薄，海冰對(duì)航運(yùn)交通和其他海上活動(dòng)沒(méi)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(huì)被堅(jiān)冰封鎖，廣大海面被厚冰覆蓋，導(dǎo)致船只阻滯冰中，航運(yùn)被迫中斷，海上生產(chǎn)被迫停止，海洋工程設(shè)施遭冰損壞，從而造成海冰災(zāi)害[1]。其中1969年，渤海的發(fā)生特大海冰災(zāi)害，整個(gè)渤海海面幾乎全被海冰覆蓋，冰的厚度大、冰質(zhì)堅(jiān)硬。海冰推倒海上石油平臺(tái)，使塘沽、秦皇島、葫蘆島、營(yíng)口和龍口等港口的海上交通運(yùn)輸處于癱瘓狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[2]。2009年冬季，渤、黃海出現(xiàn)了30年以來(lái)最嚴(yán)重的海冰災(zāi)害，據(jù)山東省海洋與漁業(yè)廳不完全統(tǒng)計(jì)，僅山東省漁業(yè)直接經(jīng)濟(jì)損失就超過(guò)22億元，受災(zāi)漁民損失慘重。

就海冰的觀測(cè)手段而言，長(zhǎng)期以來(lái)主要依賴(lài)于固定觀測(cè)站、沿岸海冰調(diào)查及破冰船走航調(diào)查，這些手段雖然可以獲得某一地區(qū)較詳細(xì)的海冰信息，但是卻難以獲得實(shí)時(shí)、大面積的觀測(cè)數(shù)據(jù)。而這些實(shí)時(shí)、大面積觀測(cè)數(shù)據(jù)正是海冰災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的重要依據(jù)。近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感已經(jīng)逐步成為一種高效的海冰觀測(cè)手段。

2 衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)海冰的能力

目前，利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)海冰主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)基于可見(jiàn)光遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，另一類(lèi)則基于微波遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)光衛(wèi)星海冰監(jiān)測(cè)目前主要是以EOS-MODIS為代表的中低分辨率光學(xué)傳感器為主，這類(lèi)傳感器獲取數(shù)據(jù)的幅面寬、重訪周期短、圖像直觀，對(duì)于監(jiān)測(cè)海冰的結(jié)冰、融冰過(guò)程十分有效。但是可見(jiàn)光傳感器較容易受天氣影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)。而近年來(lái)迅速發(fā)展的微波遙感，特別是合成孔徑雷達(dá)（SAR）則具有獨(dú)特的全天候、全天時(shí)成像能力，而且SAR數(shù)據(jù)包含著豐富的海洋信息，能對(duì)可見(jiàn)光數(shù)據(jù)提供有力的補(bǔ)充[3]。

國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心自2009年起，將可見(jiàn)光衛(wèi)星和SAR衛(wèi)星相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展渤海海冰的常規(guī)業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)工作。

2.2 數(shù)據(jù)源

目前國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心主要利用國(guó)內(nèi)外多顆民用遙感衛(wèi)星開(kāi)展業(yè)務(wù)化海冰業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)工作，其中EOS-MODIS、HY-1B、ENVISAT-ASAR、RADARSAT-2衛(wèi)星主要用于大面積常規(guī)監(jiān)測(cè)，COSMO-SkyMed、環(huán)境一號(hào)、北京一號(hào)等數(shù)據(jù)主要用來(lái)開(kāi)展重點(diǎn)海灣的加密觀測(cè)。所用衛(wèi)星、載荷以及監(jiān)測(cè)內(nèi)容等基本特性見(jiàn)表1：

2.3 衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心建立的衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要是利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，近實(shí)時(shí)獲取的渤海海冰分布范圍、面積、冰型、密集度等海冰監(jiān)測(cè)信息，利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法驗(yàn)證和訂正。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)流程見(jiàn)圖1，實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：

（1）開(kāi)發(fā)海冰遙感業(yè)務(wù)可視化平臺(tái)，支持EOS-MODIS、 HY-1B、 ENVISAT-ASAR、 RADARSAT-2、COSMO-SkyMed、環(huán)境一號(hào)、北京一號(hào)等數(shù)據(jù)的輸入；

表1 海冰監(jiān)測(cè)所用衛(wèi)星基本特性

（2）建立海冰識(shí)別模型，提取海冰外緣線信息；

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

（4）計(jì)算海冰外緣線近陸距離及海冰密集度等相關(guān)信息；

（5）利用專(zhuān)題制圖工具，自動(dòng)生產(chǎn)向各級(jí)用戶(hù)及公眾發(fā)布的渤海和黃海北部區(qū)域及各重點(diǎn)區(qū)域的專(zhuān)題圖以及監(jiān)測(cè)通報(bào)。

2.3.1數(shù)據(jù)管理模塊

實(shí)現(xiàn)對(duì)GeoTIFF、ERDAS IMAGE、JPEG等標(biāo)準(zhǔn)柵格數(shù)據(jù)、Shapefile格式矢量數(shù)據(jù)的的輸入、輸出及管理，并按照日期生成每日的產(chǎn)品數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)以及專(zhuān)題圖目錄，對(duì)海灣分區(qū)，云層、河流、海冰外源線、行政區(qū)劃等Shapefile文件進(jìn)行管理。

2.3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊由數(shù)據(jù)讀取子模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理子模塊組成，主要功能是為海冰遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供所需的各種格式的影像數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的兼容性。能對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)幾何校正、輻射校正、斑點(diǎn)噪聲過(guò)濾等預(yù)處理過(guò)程，為進(jìn)行海冰識(shí)別做好準(zhǔn)備。

2.3.3海冰識(shí)別模塊

對(duì)光學(xué)衛(wèi)星，利用其可見(jiàn)光、中紅外和遠(yuǎn)紅外通道數(shù)據(jù)，結(jié)合海冰、海水、云在可見(jiàn)光、紅外通道的光譜特征，可進(jìn)行海冰的識(shí)別和提取[4]。對(duì)SAR衛(wèi)星，主要是利用海冰在SAR圖像上的紋理特征進(jìn)行海冰提取，主要采用灰度共生矩陣（GLCM），通過(guò)相異度、對(duì)比度、熵、角二階距等海冰的紋理統(tǒng)計(jì)特征量開(kāi)展海冰的檢測(cè)與提取工作[5]，進(jìn)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(shí)別訂正模塊

利用自動(dòng)識(shí)別模塊完成海冰的自動(dòng)識(shí)別完成以后，由于渤海海冰類(lèi)型復(fù)雜，現(xiàn)有算法尚在不斷完善中，尚不能完全實(shí)現(xiàn)渤海海冰信息的完全自動(dòng)化識(shí)別。因此，需使用半自動(dòng)訂正模塊，根據(jù)專(zhuān)家知識(shí)對(duì)感興趣區(qū)的海冰進(jìn)行手動(dòng)、半自動(dòng)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(zhuān)題制圖產(chǎn)品和GIS專(zhuān)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(qū)的專(zhuān)題圖產(chǎn)品，供發(fā)布使用，并按相關(guān)規(guī)范計(jì)算浮冰外緣線近陸距離及海冰密集度，最終形成海冰產(chǎn)品專(zhuān)題圖及監(jiān)測(cè)報(bào)告。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在2010—2011年冬季海冰監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

自上世紀(jì)90年代以來(lái)，渤海初冰日平均為12月初[6]。因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2010年11月下旬開(kāi)始利用EOS-MODIS和ENVISAT衛(wèi)星進(jìn)行預(yù)警性監(jiān)測(cè)。2010年12月11日衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到遼東灣底部開(kāi)始出現(xiàn)海冰，2010—2011年冬季渤海海冰監(jiān)測(cè)工作正式啟動(dòng)。12月11日渤海出現(xiàn)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(xiàn)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(guò)60 nm，達(dá)到海冰警報(bào)級(jí)別。1月30日監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到渤海、黃海北部海冰總面積達(dá)到本次海冰監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)區(qū)均解除海冰警報(bào)。2月10日受冷空氣的影響，遼東灣又達(dá)到了海冰警報(bào)級(jí)別，之后隨著氣溫回升，海冰融化較快，2月16日海冰警報(bào)解除。2月中旬至三月上旬，渤海開(kāi)始逐漸融化，至3月10日海冰全部融化。

2010—2011年渤海海冰監(jiān)測(cè)中，國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心利用多顆光學(xué)及SAR衛(wèi)星，制作并發(fā)布了衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測(cè)通報(bào)93期，監(jiān)測(cè)通報(bào)示例見(jiàn)圖2，專(zhuān)題圖示例見(jiàn)圖3。向國(guó)家海洋局、國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心、北海分局、環(huán)渤海省市的相關(guān)單位定向提供了海冰冰清服務(wù)，并通過(guò)網(wǎng)站向社會(huì)公眾發(fā)布海冰信息，為渤海海冰防災(zāi)減災(zāi)發(fā)揮了重要的作用。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖

圖2 監(jiān)測(cè)通報(bào)示例

總的看來(lái)，光學(xué)衛(wèi)星如HY-1B、EOS-MODIS，由于具有覆蓋面積大、數(shù)據(jù)免費(fèi)的優(yōu)勢(shì)，在大面積常規(guī)監(jiān)測(cè)方面有著重要的作用。但是該類(lèi)衛(wèi)星受分辨率限制，監(jiān)測(cè)精細(xì)程度不夠，在針對(duì)重點(diǎn)港灣、石油平臺(tái)的精細(xì)化監(jiān)測(cè)中尤其顯得力不從心，而且光學(xué)衛(wèi)星易受云霧等天氣條件影響，單一依靠光學(xué)衛(wèi)星無(wú)法保證冰期的不間斷監(jiān)測(cè)。SAR衛(wèi)星則具有和光學(xué)衛(wèi)星互補(bǔ)的特點(diǎn)，首先SAR衛(wèi)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(jiān)測(cè)，其次SAR衛(wèi)星具有高分辨率成像模式，可以針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)監(jiān)測(cè)。目前在軌運(yùn)行的商用SAR衛(wèi)星多達(dá)8顆，通過(guò)多星之間的組合調(diào)配，完全有能力實(shí)現(xiàn)對(duì)渤海重點(diǎn)區(qū)域組成一個(gè)高空間分辨率、高時(shí)間分辨率的衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)。但是由于目前商用SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)均依賴(lài)國(guó)外衛(wèi)星，價(jià)格昂貴，監(jiān)測(cè)成本高，在經(jīng)費(fèi)有限的條件下難以得到廣泛的應(yīng)用。因此，現(xiàn)階段渤海海冰衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)主要采用以光學(xué)衛(wèi)星為主，結(jié)合SAR衛(wèi)星輔助監(jiān)測(cè)的模式，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)有限經(jīng)費(fèi)下的最優(yōu)化監(jiān)測(cè)。

圖3 專(zhuān)題圖示例

4 小結(jié)

本系統(tǒng)基于ArcGIS Engine平臺(tái)開(kāi)發(fā)，界面友好，功能較齊全，同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性。本系統(tǒng)的建成和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了渤海海冰的業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)工作，已經(jīng)在2010—2011年渤海冬季海冰監(jiān)測(cè)工作中發(fā)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(fù)雜的特性，目前的識(shí)別算法尚不能完全滿(mǎn)足全自動(dòng)業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)的需要，監(jiān)測(cè)結(jié)果還需要通過(guò)專(zhuān)家知識(shí)進(jìn)行修正。未來(lái)將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料更好的完善海冰提取識(shí)別方法，使系統(tǒng)一步步朝著自動(dòng)業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展。

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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(guó)家海洋局青年海洋科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2008428）；海洋公益行性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201105016）

朱海天(1981-)，男，助理研究員，研究方向?yàn)楹Ｑ筮b感。E-mail:zht@mail.nsoas.gov.cn