李 濤，王凌云，王 磊，任勇軍

（1.南京信息工程大學(xué)人工智能學(xué)院，江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京 210044；3.南京信息工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院，江蘇南京 210044）

中國渤海海域作為北半球緯度最低的季節(jié)性結(jié)冰海域，冬季會(huì)出現(xiàn)海面結(jié)冰現(xiàn)象，每年的結(jié)冰期從前一年的12 月持續(xù)到第二年的3 月，最長可達(dá)4 個(gè)月左右。作為我國海洋災(zāi)害之一，渤海區(qū)域海冰會(huì)對(duì)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)造成重大的影響[1]。渤海區(qū)域儲(chǔ)存有豐富的油氣資源，每年冬季出現(xiàn)的海冰已經(jīng)對(duì)油氣平臺(tái)的正常生產(chǎn)和開發(fā)產(chǎn)生了重大影響[2-5]。近年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展為海冰監(jiān)測和預(yù)報(bào)提供了時(shí)空連續(xù)的數(shù)據(jù)來源[6]。利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來反演海冰信息的方法：吳龍濤等[7]利用MODIS 1B 數(shù)據(jù)對(duì)渤海海冰的參數(shù)反演進(jìn)行了研究；武晉雯等基于MODIS 熱紅外波段和實(shí)測冰溫，建立海冰溫度與海冰面積的關(guān)系，提取了遼東灣海冰的面積[8]；鄧鐘等基于HJ 星的亮溫?cái)?shù)據(jù)，按照Bayes 準(zhǔn)則對(duì)渤海海冰面積等參數(shù)進(jìn)行提取[9]；Makynen 等利用MODIS 數(shù)據(jù)反演海冰表面溫度，結(jié)合海冰熱力學(xué)方程和氣象數(shù)據(jù)，反演提取了Kara 海的海冰厚度[10]。

風(fēng)云四號(hào)（FY-4A）衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的風(fēng)云氣象衛(wèi)星，其衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有時(shí)間分辨率更高、針對(duì)觀測數(shù)據(jù)的反演時(shí)間縮短、數(shù)據(jù)產(chǎn)品更全面等優(yōu)點(diǎn)，因此文中利用“風(fēng)云四號(hào)”衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演渤海海冰，計(jì)算冰密度，將我國最新氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)實(shí)際應(yīng)用到海冰監(jiān)測領(lǐng)域，在現(xiàn)有海冰反演算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合多種算法，生成適用FY-4A 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的海冰反演算法。

1 使用數(shù)據(jù)介紹

文中使用我國自主研制的氣象衛(wèi)星FY-4A 的多通道掃描成像輻射計(jì)（AGRI）一級(jí)（L1）數(shù)據(jù)和云檢測產(chǎn)品數(shù)據(jù)作為算法輸入數(shù)據(jù)，對(duì)中國區(qū)渤海海冰進(jìn)行反演，將我國最新氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)實(shí)際應(yīng)用到海冰監(jiān)測領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)適用FY-4A 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的改進(jìn)的海冰反演算法。FY-4A 衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)獲取全球范圍內(nèi)，全天時(shí)間段，多光譜通道的海表、地表和大氣特性參數(shù)。多通道掃描成像輻射計(jì)（AGRI）是FY-4A 衛(wèi)星的主要載荷之一，通過精密的雙掃描鏡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確和靈活的二維指向，可實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)的快速區(qū)域掃描；采用離軸三反主光學(xué)系統(tǒng)，高頻次獲取14 波段的地球云圖，并利用星上黑體進(jìn)行高頻次紅外定標(biāo)[11]，以確保觀測數(shù)據(jù)的精度。衛(wèi)星的輻射成像通道有14 個(gè)，覆蓋了可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外等波段，接近歐美第三代靜止軌道氣象衛(wèi)星的16 個(gè)通道[12]，其衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有時(shí)間分辨率更高、針對(duì)觀測數(shù)據(jù)的反演時(shí)間縮短、數(shù)據(jù)產(chǎn)品更全面等優(yōu)點(diǎn)，因此其數(shù)據(jù)更適合作為反演海冰、監(jiān)測海冰的新的重要數(shù)據(jù)源。

2 基于改進(jìn)的海冰反演算法

目前，在國內(nèi)外海冰遙感監(jiān)測中，MODIS 數(shù)據(jù)憑借其免費(fèi)獲取及時(shí)間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率較高的優(yōu)點(diǎn)，成為各個(gè)國家廣泛使用的海冰監(jiān)測重要數(shù)據(jù)源，MODIS 數(shù)據(jù)的使用為海冰監(jiān)測預(yù)報(bào)提供了數(shù)據(jù)保障[13]，我國也開展了很多基于MODIS 數(shù)據(jù)的渤海海冰冰情數(shù)據(jù)提取的研究工作。但是MODIS 數(shù)據(jù)每天最高只可更新4 次，這對(duì)海冰監(jiān)測的實(shí)時(shí)性有較大的局限。

改進(jìn)的海冰生成算法利用FY-4A 衛(wèi)星的AGRI數(shù)據(jù)，提取渤海海域的海冰信息，得到渤海區(qū)域準(zhǔn)確度較高且連續(xù)的海冰信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)渤海水面上海冰像元的檢測。海冰生成算法使用AGRI 一級(jí)數(shù)據(jù)的2、3、5、12、13 波段進(jìn)行反演，并結(jié)合渤海海冰綜合檢測算法、云檢測去除算法和渤海海冰密度估算算法。算法流程如圖1 所示。

圖1 渤海海冰反演算法流程

渤海海冰綜合檢測算法根據(jù)海冰的物理特征，利用反射率、冰面溫度和NDSI（Normalized Difference Snow Index）共同實(shí)現(xiàn)晴空條件下對(duì)渤海海冰的檢測，同時(shí)通過對(duì)不同緯度、不同季節(jié)的動(dòng)態(tài)冰點(diǎn)閾值取值，實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的海冰檢測結(jié)果。

云檢測去除算法主要實(shí)現(xiàn)在渤海海域上空存在大量云霧的條件下，利用FY-4A 近24 小時(shí)的歷史數(shù)據(jù)的綜合，有效排除云的干擾。在反演過程中，云的檢測是通過低云、霧和海冰的反射率差異，利用FY-4A 一級(jí)數(shù)據(jù)區(qū)分海冰、低云或霧，同時(shí)通過FY-4A云檢測產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)對(duì)云的檢測[14]。

渤海海冰密度估算算法根據(jù)上述算法的檢測結(jié)果計(jì)算冰密度，根據(jù)計(jì)算出的冰密度反過來進(jìn)行海冰像元的改善與檢驗(yàn)。

2.1 渤海海冰綜合檢測算法

陸地表面干擾了海冰的檢測，冬季渤海沿岸海區(qū)覆蓋著的固定冰帶與岸邊的陸地表面積雪的光譜信息很相近，非常容易混淆。但是陸地信息是固定不變的，海陸之間的界線并不因季節(jié)變化而移動(dòng)。因此首先利用FY-4A 陸地資料獲得渤海海區(qū)范圍，實(shí)現(xiàn)海陸分離。

精確檢測海冰像元是評(píng)價(jià)海冰反演算法的重要指標(biāo)之一，而海冰像元的檢測直接關(guān)系到反演結(jié)果的精度，所以其對(duì)海冰反演算法的研究至關(guān)重要。渤海海冰綜合檢測算法根據(jù)海冰的物理特征，利用反射率、冰面溫度和NDSI 共同實(shí)現(xiàn)晴空條件下對(duì)渤海海冰的檢測，同時(shí)通過對(duì)不同緯度、不同季節(jié)的動(dòng)態(tài)冰點(diǎn)閾值取值，實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的海冰檢測結(jié)果。

2.1.1 物理特征綜合檢測

海冰是影響全球氣候系統(tǒng)的一個(gè)重要因素，根據(jù)海冰與海水的光譜曲線，反映出冰、水在不同光譜區(qū)域內(nèi)存在的反射率差異。通過對(duì)渤海遼東灣冬季典型地物光譜曲線的研究發(fā)現(xiàn)[15-16]，在氣象衛(wèi)星的可見光通道（0.58～0.68 μm）波長范圍，海冰和水體的反射率有較明顯的差異，海冰反射率高于海水。清潔海水在可見光紅光波段反射率較低，不到10%。在近紅外波段，清潔海水的反射率迅速下降，成為了全吸收體。冰在可見光（0.4～0.7 μm）內(nèi)的反射率一般為30%～60%，在近紅外波段（0.7～1.1 μm）的反射率明顯降低，但仍與海水有較大差別，這個(gè)特性便于海冰的檢測，其他的物質(zhì)沒有冰這種獨(dú)特的光譜特征。

云在可見光和近紅外波段也具有高反射率，而水面在所有波段均較暗，因此通過冰面反射率識(shí)別海冰準(zhǔn)確的前提必須是晴空無云的條件，僅通過反射率檢測海冰易產(chǎn)生誤差，因此結(jié)合冰面溫度和NDSI 值綜合檢測海冰。

在遠(yuǎn)紅外波段（3～14 μm），海冰與海水的熱輻射能量有明顯差別。斯特藩—玻爾茲曼方程如式（1）所示：

其中，M為黑體的全波長輻射能量（W·m-2），T為絕對(duì)溫度（K），σ 為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，即5.67×10-8（W·m-2·K-4）。從公式可知，黑體溫度只要有很小的變化，就會(huì)引起很大的幅射變化。在氣象衛(wèi)星紅外通道10.3～11.3 μm 和11.5～12.5 μm 波長范圍，海冰的溫度低于海水。利用這一特點(diǎn)可以通過冰面與水面間的溫差來檢測海冰，提取海域中的海冰信息。

NDSI 是積雪指數(shù)，可用于判識(shí)海冰信息，其定義為：

其中，R1通常為可見光波段反射率，R2為短波紅外波段反射率。當(dāng)NDSI 比給出的閾值大時(shí)，則可判定為冰。對(duì)于FY-4A 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，選用3 通道（0.825 μm）和5 通道（1.61 μm）來計(jì)算NDSI。

因此海冰綜合檢測的主要條件是：

其中，CHc、Tc分別為反射率、溫度數(shù)據(jù)區(qū)分海冰與云的判識(shí)閾值，CHw、Tw分別為反射率、溫度數(shù)據(jù)區(qū)分海冰與海水的閾值。NDSIc為區(qū)分海冰與海水的NDSI 閾值。

2.1.2 動(dòng)態(tài)閾值判定

由于全球海冰分布在北極和南極及高緯度不同區(qū)域，海冰覆蓋范圍隨季節(jié)變化較大。雖然海冰的反射率相對(duì)于海水有較大差異，但隨著衛(wèi)星觀測時(shí)間和整個(gè)冬季太陽高度角的變化，海冰和海水的反射率也隨之變化，海冰和海水的溫度在不同區(qū)域和不同時(shí)期也在變化。因此，在使用反射率、冰面溫度和NDSI 進(jìn)行海冰判識(shí)時(shí)，無法使用固定閾值。

通過海冰和海水在可見光通道反射率、紅外通道溫度差異的特點(diǎn)，找出海冰和海水分界的最佳點(diǎn)，對(duì)海冰的判識(shí)建立相應(yīng)的閾值，以及建立不同區(qū)域、不同季節(jié)區(qū)分海冰、海水的閾值。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，渤海區(qū)域緯度跨度較小，且在渤海海域的不同季節(jié)，反射率和NDSI 的變化對(duì)海冰反演結(jié)果的影響可忽略不計(jì)，因此對(duì)反射率和NDSI 采用固定閾值。冰面溫度在不同區(qū)域和不同時(shí)期的變化對(duì)海冰反演的結(jié)果有較為顯著的影響，文中在渤海海域進(jìn)行海冰反演采用的冰面溫度閾值如表1所示。

表1 渤海海冰冰面溫度閾值

通常根據(jù)傳感器不同通道數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)閾值法區(qū)分海冰、海水和云。利用可見光通道數(shù)據(jù)進(jìn)行海冰反演時(shí)，云的存在容易產(chǎn)生對(duì)海冰的誤判，在海冰綜合檢測后，有效排除云的干擾對(duì)海冰反演的準(zhǔn)確性十分重要。渤海海區(qū)面積較小，多數(shù)海冰反演是基于晴空的情況。實(shí)際上，結(jié)冰海域上空的云會(huì)部分覆蓋結(jié)冰海區(qū)，數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，海冰反演采用冰、水的反照率和亮溫的差異等條件對(duì)冰、水像元進(jìn)行檢測，這是海冰反演的關(guān)鍵步驟，初步的判定會(huì)實(shí)現(xiàn)晴空條件下的海冰像元檢測，但是不能消除非晴空下的云掩膜對(duì)海冰反演的影響，因此還要結(jié)合海冰近24 小時(shí)歷史數(shù)據(jù)和冰密度的估算預(yù)測云掩膜下的海冰分布。

2.2 云檢測去除算法

通過渤海海冰綜合檢測算法檢測晴空無云條件下的渤海海冰，獲得用于判識(shí)海冰信息、生成海冰信息的二值數(shù)據(jù)。但是當(dāng)渤海海域出現(xiàn)陰天有云的情況時(shí)，渤海海冰的檢測會(huì)受到云的影響，云下的海冰檢測存在一定的困難和局限，因此在有云時(shí)，采用云檢測去除算法是有必要的。云檢測去除算法主要實(shí)現(xiàn)渤海海域上空存在大量云的條件下，利用FY-4A 近24 小時(shí)冰面溫度數(shù)據(jù)的綜合，有效排除云的干擾。

海冰的特征隨著時(shí)間和空間變化而改變，在一定時(shí)間內(nèi)，海冰的變化與云的變化相比，是非常緩慢的，因此可利用近24 小時(shí)的FY-4A 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)云掩膜下的海冰實(shí)現(xiàn)檢測?？紤]到24 小時(shí)內(nèi)渤海海域的氣溫變化，數(shù)據(jù)綜合時(shí)需要靈活采用海冰溫度閾值，以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的云下海冰檢測。此外，24 小時(shí)內(nèi)不同時(shí)段的海冰檢測具有不同的可靠性，冬季夜晚溫度較低，海冰的持續(xù)時(shí)間更長，F(xiàn)Y-4A 觀測傳回的數(shù)據(jù)可靠性更高，在多數(shù)據(jù)綜合時(shí)，應(yīng)采取較高的權(quán)重。冬季白天溫度會(huì)升高，海冰會(huì)隨著氣溫的升高部分融化或全部融化，因此數(shù)據(jù)可靠性較低，在多數(shù)據(jù)綜合時(shí)，采取較低的權(quán)重。數(shù)據(jù)綜合后，根據(jù)綜合歷史數(shù)據(jù)的條數(shù)，選取合適的閾值。

由于經(jīng)過上述處理后的海冰信息是二值數(shù)據(jù)，海冰區(qū)域內(nèi)有時(shí)仍然會(huì)有部分云掩膜的影響，針對(duì)這種情況，海冰與云掩膜差異明顯，因此采用泛洪填充算法將海冰與云進(jìn)行分離，從而達(dá)到消除云的目的。這種情況主要適用于二值海冰數(shù)據(jù)，對(duì)檢測出覆蓋在海冰區(qū)域上的小面積云，采用泛洪填充算法，將被云覆蓋的像元填充為冰。

云檢測去除過程中，也存在海冰的誤判，在沒有海冰的區(qū)域檢測到海冰，這種情況下，通過泛洪填充算法將誤判的海冰結(jié)果填充為海水，以提高結(jié)果準(zhǔn)確性。綜上實(shí)現(xiàn)云下海冰的檢測，提高了海冰反演的準(zhǔn)確性。

2.3 渤海海冰密度估算算法

海冰密度是體現(xiàn)海冰特征的重要參數(shù)之一[17]。冰的特征隨著時(shí)間和空間變化而改變，不同的冰類型能夠同時(shí)出現(xiàn)在大的范圍內(nèi)，并隨著時(shí)間而變化。渤海的海冰屬于一年冰，每年的結(jié)冰期一般不超過4 個(gè)月。渤海海冰密度估算算法對(duì)前面算法已經(jīng)檢測出的海冰信息計(jì)算冰密度[18]，根據(jù)計(jì)算出的冰密度反過來進(jìn)行海冰像元的改善與檢驗(yàn)。

在特定的條件下，單一的冰類型中純冰和水體的表面反射率和溫度是均一的，表面反射率或溫度主要因冰密度、表面冰的覆蓋比例不同而變化。冰密度計(jì)算公式為：

其中，Bwater是純水像元的反射率，Bice為純冰像元的反射率，Bp是觀測的像元反射率，通過Bp可以計(jì)算冰密度。在冰密度估算中，純冰像元反射率的確定是冰密度計(jì)算的關(guān)鍵。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，該文冰密度的計(jì)算采用10×10 的計(jì)算窗口，即在渤海海域的二值數(shù)據(jù)中，依次選取一個(gè)可能為海冰的像元數(shù)據(jù)點(diǎn)為中心，將該中心周圍的10×10 像元用來計(jì)算該中心像元的冰密度。冰反射率的概率密度函數(shù)通過探測的所有可能冰像元來計(jì)算。若計(jì)算得的冰密度小于15%，則將其確定為冰的像元重新標(biāo)識(shí)為水體；若冰密度大于15%，則其未確定為冰的像元重新標(biāo)識(shí)為冰。通過冰密度的反演計(jì)算，改善并檢驗(yàn)上文實(shí)現(xiàn)的海冰檢測。

3 結(jié)果分析

以2020 年2 月FY-4A 數(shù)據(jù)為例，對(duì)渤海海冰進(jìn)行結(jié)果反演，通過海冰綜合檢測、云檢測去除和冰密度的估算校驗(yàn)后，得到渤海海冰的生成結(jié)果。單一時(shí)刻下海冰綜合檢測生成結(jié)果如圖2 所示，可以看到在海冰檢測方面，只能在渤海灣上部分海岸檢測出部分海冰，即圖片中白色區(qū)域。

圖2 單一時(shí)刻下海冰綜合檢測生成結(jié)果

經(jīng)過云檢測去除算法后的反演結(jié)果如圖3 所示，可以看出能夠檢測出大片海冰信息，也即圖中白色區(qū)域。

圖3 云檢測去除算法后的反演結(jié)果

經(jīng)過初步云檢測去除算法后，還是存在檢測結(jié)果的偏差，如大面積海冰區(qū)域中有個(gè)別像素點(diǎn)被標(biāo)記為海水。這種情況下便需要泛洪算法進(jìn)行訂正。圖4 為經(jīng)過泛洪填充算法處理后的反演結(jié)果圖，針對(duì)反演結(jié)果中的偏差進(jìn)行海冰像素的訂正。

圖4 泛洪填充算法處理后的反演結(jié)果

圖5 為經(jīng)過冰密度估算算法流程的海冰反演結(jié)果圖（白色區(qū)域?yàn)楹１?，與官方結(jié)果數(shù)據(jù)圖6 對(duì)比，差異較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了結(jié)合海冰綜合檢測、云檢測去除和冰密度估算算法的改進(jìn)的海冰反演算法能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，與官方結(jié)果相符合。

圖5 全算法流程的海冰反演結(jié)果

圖6 官方結(jié)果數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

該文以渤海為研究區(qū)域，利用我國自主研制的FY-4A 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種基于FY-4A 遙感數(shù)據(jù)的海冰反演算法，實(shí)現(xiàn)了渤海海域內(nèi)的海冰檢測，包括海冰信息的提取和冰密度的計(jì)算[19]。根據(jù)這種算法，利用2020 年2 月3 日中國區(qū)域渤海FY-4A/AGRI 數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行了海冰生成算法的研究，得到了當(dāng)天的海冰結(jié)果分布圖。

FY-4A/AGRI 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以用于渤海水陸分離和海冰檢測，從而提取出海冰范圍信息?；诒瓷渎省⒈鏈囟扰cNDSI 值的海冰反演，具有一定的可靠性。但是要根據(jù)研究海域的實(shí)際情況，確定使用的動(dòng)態(tài)閾值參數(shù)[20]。具體采用哪種方法確定動(dòng)態(tài)閾值參數(shù)，還有待于日后深入研究。利用FY-4A 衛(wèi)星遙感可見光數(shù)據(jù)、近紅外和紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行海冰反演，反演的精度依賴于云的影響，去除云的干擾是海冰反演中的關(guān)鍵步驟。文中采用的云檢測去除算法仍存在可改進(jìn)之處，對(duì)云檢測去除算法的改進(jìn)是今后需要進(jìn)一步探討的問題。該文所做的工作是FY-4A 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在海冰領(lǐng)域的嘗試，證明將我國自主衛(wèi)星FY-4A 數(shù)據(jù)應(yīng)用于海冰反演是可行的。FY-4A 數(shù)據(jù)覆蓋全球，基于FY-4A 的海冰反演能夠應(yīng)用到全球，具有廣闊的發(fā)展前景，研究結(jié)果也為發(fā)布我國自主衛(wèi)星的渤海海冰生成產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。