王 寧，紀(jì)永剛，張 晰，梁 建，宋平艦，魯統(tǒng)臻

（1.國家海洋局北海預(yù)報(bào)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(shù)據(jù)的渤海海冰遙感探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 寧1，2，紀(jì)永剛2，張 晰2，梁 建2，宋平艦2，魯統(tǒng)臻2

（1.國家海洋局北海預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)業(yè)務(wù)化的需求，針對渤海海冰和MODIS數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，結(jié)合MODIS-TERRA數(shù)據(jù)，編程實(shí)現(xiàn)了基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰遙感探測系統(tǒng)。系統(tǒng)以IDL和Visual C++作為開發(fā)語言，為海冰信息提取提供了一個(gè)統(tǒng)一的平臺，實(shí)現(xiàn)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(shù)值的形式輸出結(jié)果。通過對該系統(tǒng)的試應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)得到的產(chǎn)品與實(shí)際預(yù)期是一致的?；贛ODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰遙感探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為海冰預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)部門及時(shí)、快速地獲得海冰產(chǎn)品，提高海冰預(yù)報(bào)效率，開展衛(wèi)星遙感監(jiān)測海冰業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供了保障。

MODIS；海冰；探測系統(tǒng)；IDL；Visual C++

1 引言

國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心作為海洋局業(yè)務(wù)部門，負(fù)責(zé)發(fā)布渤海、黃海、東海北部海區(qū)海洋環(huán)境預(yù)報(bào)，海冰預(yù)報(bào)是其中一項(xiàng)重要的預(yù)報(bào)。要做到準(zhǔn)確的海冰冰情預(yù)測，首先需要實(shí)現(xiàn)海冰參數(shù)及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取。

傳統(tǒng)的海冰監(jiān)測方法包括海洋站觀測、沿岸或冰區(qū)冰情調(diào)查、雷達(dá)測冰等，這些方法受到空間和時(shí)間的限制，特別是在大范圍空間信息獲取、時(shí)間動態(tài)監(jiān)測以及數(shù)據(jù)更新等方面無法滿足現(xiàn)實(shí)工作的要求。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，我國充分利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對海冰進(jìn)行遙感監(jiān)測。我中心現(xiàn)有的DVBS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)，可以接收處理準(zhǔn)實(shí)時(shí)的MODIS-TERRA/AQUA衛(wèi)星數(shù)據(jù)，為海冰業(yè)務(wù)化監(jiān)測提供了條件。

MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜輻射計(jì)）是搭載于美國EOS系列衛(wèi)星上的一個(gè)重要傳感器，具有36個(gè)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(wèi)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(jìn)。加上數(shù)據(jù)以每天上、下午的頻率采集和免費(fèi)接收的數(shù)據(jù)獲取政策，使得MODIS數(shù)據(jù)成為海洋環(huán)境監(jiān)測中不可多得的數(shù)據(jù)資源。對于中國的海冰監(jiān)測來說，MODIS是海冰遙感監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)源之一，對于海冰信息提取具有極高的價(jià)值[1]。

本單位已利用MODIS數(shù)據(jù)開展了海冰參數(shù)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(xiàn)有的DVBS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)接收處理的數(shù)據(jù)經(jīng)過人工判讀來獲?。缓１芗?、海冰冰量是海洋站觀測人員目測的結(jié)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(jié)果誤差較大，而且速度慢，不能實(shí)時(shí)地反映海冰的變化情況，無法滿足海冰預(yù)報(bào)及時(shí)、準(zhǔn)確的要求；已有的基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰參數(shù)提取方法主要是用于極地或高緯度結(jié)冰區(qū)域。

綜上所述，本單位需要根據(jù)渤海海域海冰的特點(diǎn)，開展基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰重要參數(shù)提取技術(shù)研究，開發(fā)基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰探測系統(tǒng)，利用DVBS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)處理得到的LD2格式數(shù)據(jù)，提供海冰外緣線、海冰面積、海冰冰厚、海冰密集度等參數(shù)，為海冰監(jiān)測和海冰災(zāi)害評估提供參考數(shù)據(jù)，從而為海冰預(yù)報(bào)提供服務(wù)，使其能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)海冰災(zāi)害來臨，實(shí)時(shí)監(jiān)控災(zāi)情發(fā)展，為災(zāi)害的防控提供強(qiáng)有力的支持。

研發(fā)系統(tǒng)的主要目的是為業(yè)務(wù)化海冰預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的海冰參數(shù)。因此，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)應(yīng)以緊貼海冰業(yè)務(wù)化需求為目標(biāo)，滿足以下需求：

（1）系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)提取結(jié)果的準(zhǔn)確率必須滿足海冰預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)化的需要；

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

（3）能夠?qū)v史的提取結(jié)果進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)分析；

（4）以專題圖和數(shù)據(jù)的形式輸出系統(tǒng)提取的結(jié)果；

（5）人性化、智能化設(shè)計(jì)要貫穿全過程，且界面要友好。

2 基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰探測系統(tǒng)具有跨平臺操作特性。系統(tǒng)采用C/S模式運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)，利用IDL和Visual C++6.0開發(fā)而成，可運(yùn)行于不同的軟硬件環(huán)境，并且可以進(jìn)行移植[2]。流程圖見圖1。

基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰探測系統(tǒng)的主要功能有：數(shù)據(jù)導(dǎo)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??；專題圖制作包括：疊加經(jīng)緯網(wǎng)格、海冰面積、海冰外緣線、海冰厚度專題圖；數(shù)據(jù)信息輸出包括海冰位置、海冰厚度等信息。

2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

從LD2數(shù)據(jù)提取相關(guān)的可見光通道數(shù)據(jù)，從與其同名的頭文件中提取定標(biāo)定位數(shù)據(jù)，根據(jù)定標(biāo)模型和相關(guān)參數(shù)對其進(jìn)行定標(biāo)計(jì)算，然后進(jìn)行可見光通道合成，形成海冰真彩色圖像，本系統(tǒng)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(jù)海冰預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的需求和渤海海域海冰的特點(diǎn)，本功能既可進(jìn)行整個(gè)渤海海域的冰水識別，也可將渤海海域分成3個(gè)區(qū)域（遼東灣、渤海灣和萊州灣）分別進(jìn)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(tǒng)自動將其分為3個(gè)區(qū)域，可分別設(shè)置海冰檢測閾值，提取海冰，然后合并三區(qū)域，輸出顯示全渤海海冰數(shù)據(jù)；如果選擇3個(gè)區(qū)域中的一塊，按照各子區(qū)域的經(jīng)緯度范圍裁切子區(qū)塊，并顯示裁切區(qū)域的三通道合成結(jié)果。讀取子區(qū)域閾值進(jìn)行海冰檢測，輸出顯示海冰數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)將海冰檢測結(jié)果以二值圖的形式輸出為ENVI標(biāo)準(zhǔn)格式文件（.img）。

根據(jù)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(qū)分出來，所以，將冰水識別結(jié)果與MODIS彩色圖像進(jìn)行比較即可得到冰水識別結(jié)果是否準(zhǔn)確。

對2009年1月13日MODIS數(shù)據(jù)，利用海冰檢測的方法，得到（見圖2）海冰檢測結(jié)果。2.2.2 海冰外緣線提取

在冰水識別的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶的需要選擇是否對當(dāng)前結(jié)果進(jìn)行圖像變換和圖像分割[5]。如果用戶需要進(jìn)行圖像變換和圖像分割，則調(diào)用圖像分割程序，設(shè)置圖像分割閾值，分割圖像，然后進(jìn)行邊緣檢測[6]，提取海冰外緣線，并顯示結(jié)果；如果用戶不需要進(jìn)行圖像分割，直接進(jìn)行邊緣檢測，提取海冰外緣線，并顯示結(jié)果。

在日常的海冰調(diào)查中，海冰外緣線是利用飛機(jī)或船舶進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查。由于條件限制，飛機(jī)或船舶不能獲得與衛(wèi)星同步的海冰外緣線資料，而且飛機(jī)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(yàn)證外緣線的方法是利用MODIS數(shù)據(jù)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(diǎn)04分MODIS數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖3。

2.2.3 海冰厚度提取

本系統(tǒng)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(gè)隨冰厚變化的數(shù)值[8]，為海水反照率，取為0.1；μα是關(guān)于反照率的衰減系數(shù)，應(yīng)用謝峰等的研究方法，利用葫蘆島港和鲅魚圈港的實(shí)測氣象數(shù)據(jù)和海冰厚度數(shù)據(jù)，根據(jù)凍結(jié)（融）冰度日法計(jì)算μα。經(jīng)計(jì)算，取μα的平均值為1.209。

本文選用2008年1月30日10點(diǎn)27分的MODIS數(shù)據(jù)提取遼東灣海冰厚度，厚度分布結(jié)果見圖4。

根據(jù)國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心提供的2008年1月30日鲅魚圈海域雷達(dá)海冰監(jiān)測結(jié)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(jù)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(dá)監(jiān)測結(jié)果是基本一致的，說明冰厚反演結(jié)果與實(shí)際冰情是基本相符合的。

2.2.4 海冰密集度提取

根據(jù)海冰預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的需求，海冰密集度定義為一定區(qū)域內(nèi)流冰覆蓋面積占流冰分布海面的成數(shù)[9]。

各類海冰的可見光近紅外實(shí)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(yuǎn)高于海水。因此，在冰水識別的基礎(chǔ)上，選擇MODIS第1通道數(shù)據(jù)進(jìn)行海冰密集度監(jiān)測。采用以下公式計(jì)算密集度：

式中，S冰為選取海域內(nèi)海冰面積，S總為選取海域內(nèi)海冰和海水的總面積，P為海冰密集度。

本文的海冰密集度是根據(jù)海冰預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的需求設(shè)計(jì)的，用鼠標(biāo)選擇需要計(jì)算密集度的海域，在屏幕右側(cè)顯示選擇的海域范圍和密集度結(jié)果。具體實(shí)現(xiàn)見圖5。

2.3 專題圖制作模塊

根據(jù)海冰預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)對海冰產(chǎn)品的需求，本功能主要輸出以下內(nèi)容：疊加經(jīng)緯網(wǎng)格的遙感數(shù)據(jù)圖、海冰面積專題圖、海冰外緣線專題圖、海冰厚度專題圖，并支持保存和打印圖片文件。

圖2 MODIS假彩色合成圖與海冰檢測結(jié)果

圖3 MODIS假彩色合成圖與海冰外緣線產(chǎn)品結(jié)果

圖4 MODIS假彩色合成圖與海冰厚度產(chǎn)品結(jié)果

圖5 海冰密集度計(jì)算

圖6 海冰厚度專題圖

圖7 兩點(diǎn)間距離計(jì)算

2.4 兩點(diǎn)間直線距離計(jì)算

該功能實(shí)現(xiàn)計(jì)算海冰外緣線距灣底的距離，用戶用鼠標(biāo)畫出兩點(diǎn)間的直線或在對話框中輸入起始點(diǎn)和終點(diǎn)的經(jīng)緯度，計(jì)算兩點(diǎn)間直線距離。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)見圖7。

本文計(jì)算直線距離的公式利用GIS中根據(jù)兩點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)算距離公式計(jì)算，得到的是地球表面兩點(diǎn)間的實(shí)際距離。

3 結(jié)論與討論

針對海冰預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)化的需求，并結(jié)合MODIS數(shù)據(jù)渤海海冰的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰探測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了海冰信息提取和產(chǎn)品的輸出。

該系統(tǒng)基于C/S結(jié)構(gòu)，具有界面友好、操作簡便、響應(yīng)速度快，系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)兼容性高。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠迅速、準(zhǔn)確地獲得適合渤海海域海冰參數(shù)。

未來將不斷吸納新的海冰參數(shù)提取方法，使系統(tǒng)逐步完善，完善查詢統(tǒng)計(jì)分析模塊。

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P731

A

1003-0239（2011）01-0033-06

2010-04-14

國家“863”遙感海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)（2007AA092102）

王寧（1978-），女，工程師，從事海洋遙感應(yīng)用研究。E-mail:wn780324@126.com