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        基于被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)的冰間水道提取及驗(yàn)證

        2022-01-17 06:37:44尚小燕龐小平
        地理空間信息 2021年12期
        關(guān)鍵詞:薄冰亮溫密集度

        劉 闖,屈 猛,陳 穎,尚小燕,龐小平,

        (1.中國南極測(cè)繪研究中心,湖北 武漢 430079;2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430079)

        冰間水道是在風(fēng)力和洋流等因素的影響下,海冰漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生破裂而形成的線狀開闊水域[1-2]。由于通過冰間水道的熱通量比厚冰要多出2 個(gè)數(shù)量級(jí),冬季北極中心區(qū)1%~2%面積的冰間水道承擔(dān)了70%的熱量交換[3]。因此,獲取冰間水道分布信息對(duì)于北極氣候變化研究具有重要的意義。

        冰間水道監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)源主要分為星載遙感、機(jī)載遙感和實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)三大類。Willmes[4-5]通過MODIS熱紅外影像生成溫度異常值圖,用閾值分割法提取冰間水道,經(jīng)過云濾波后合成日水道數(shù)據(jù)。Lindsay[6]使用AVHRR 數(shù)據(jù),利用冰間水道的溫度與亮度特征設(shè)置閾值提取冰間水道。Tschudi[7]通過航空相機(jī),微波輻射計(jì)和輻射高溫計(jì),手動(dòng)選取每一條水道的點(diǎn),為不同的水道設(shè)置亮度閾值通過最鄰近法得到連續(xù)的水道。屈猛[8]利用MODIS 和Landsat-8 的熱紅外遙感數(shù)據(jù),使用劈窗算法反演海冰表面溫度,提取像元的溫度異常值后閾值分割,并對(duì)冰間水道內(nèi)湍流熱通量進(jìn)行計(jì)算。

        被動(dòng)微波遙感對(duì)大尺度冰間水道提取,以及全覆蓋日數(shù)據(jù)的提供具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。但目前的被動(dòng)微波水道提取方法中,大多是基于雙通道的89.0 GHz 和18.7 GHz 垂直極化亮溫比設(shè)計(jì)算法,利用89.0 GHz 單通道水平垂直極化亮溫?cái)?shù)據(jù)提取的研究極少,且尚未有對(duì)國產(chǎn)衛(wèi)星FY-3D MWRI 數(shù)據(jù)提取冰間水道能力的評(píng)估報(bào)告。因此本文基于MWRI 亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行冰間水道的識(shí)別和精度驗(yàn)證,并與AMSR 2 被動(dòng)微波數(shù)據(jù)提取的冰間水道產(chǎn)品進(jìn)行比較,評(píng)估其在水道形態(tài)特征提取方面的能力與局限性。

        1 數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)概況

        1.1 AMSR2 數(shù)據(jù)

        AMSR2 是搭載在JAXA 的GCOM-W1(SHIZUKU)星上的多頻微波輻射計(jì),測(cè)量來自地球表面和大氣層的微波輻射。它有7 種頻道,每種頻道上均有垂直與水平偏振測(cè)量,其產(chǎn)品按加工等級(jí)進(jìn)行分類。本文選取L3 級(jí)別日平均亮溫?cái)?shù)據(jù),包括89.0 GHz 的水平(H)與垂直(V)極化數(shù)據(jù)。時(shí)間分辨率為1 d,空間分辨率為6.25 km。其投影方式為NSIDC Sea Ice Polar Stereographic North。數(shù)據(jù)可在National Snow & Data Center 獲取。(網(wǎng)址為https://nsidc.org/)

        獲取開闊水域掩膜及分析水道及海冰密集度關(guān)系,需要使用海冰密集度數(shù)據(jù)。本文使用的海冰密集度數(shù)據(jù)是基于AMSR 2 89.0 GHz 亮溫?cái)?shù)據(jù)使用ASI 算法反演所得到,分辨率為6.25 km,投影方式為NSIDC EASE GRID NORTH。該數(shù)據(jù)由不萊梅大學(xué)發(fā)布在https://seaice.uni-bremen.de/start/。

        1.2 FY-3D MWRI 數(shù)據(jù)

        MWRI 是搭建在風(fēng)云三號(hào)D 星(FY-3)的微波成像儀,可以不受云霧、夜間光線的影響全天時(shí)、全天候獲取地物特征,共有5 個(gè)頻率,10 個(gè)通道實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)。且各個(gè)通道的空間分辨率不同,分布在10~75 km 之間。其中89.0 GHz 通道對(duì)降水散射信號(hào)敏感,常用于獲取地表降水信息。本文使用升軌亮溫軌道數(shù)據(jù)與降軌亮溫軌道數(shù)據(jù),空間分辨率為10 km,坐標(biāo)系為WGS84。數(shù)據(jù)可在風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)官方網(wǎng)站中獲取。(網(wǎng)址為http://data.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx)。本文采用基于ASI 動(dòng)態(tài)系點(diǎn)值算法的MWRI 海冰密集度產(chǎn)品,空間分辨率為12.5 km[9]。

        1.3 MODIS 數(shù)據(jù)

        MODIS 是觀察系統(tǒng)(EOS)的中等分辨率光譜成像儀,搭載在Terra 星和Aqua 星上,Terra 是在10:30 過境的上午星,其數(shù)據(jù)前綴為MOD。Aqua 是在13:30過境的下午星,其數(shù)據(jù)前綴為MYD。本文選取下午星Aqua 數(shù)據(jù)MYD29P1D 進(jìn)行冰間水道的提取,其空間分辨率是1 km,投影方式為蘭勃特方位等積投影(lambert azimuthal equal-Area),數(shù)據(jù)可在National Snow & Data Center 獲取。

        利用薄冰分布范圍作為被動(dòng)微波系點(diǎn)值選取的基礎(chǔ),需要使用L2G 級(jí)MYD09GA 地表反射率數(shù)據(jù)。其空間分辨率為500 m,投影方式為正弦曲線投影。該數(shù)據(jù)可以在Earthdata 獲?。ňW(wǎng)址為https://earthdata.nasa.gov/)。為統(tǒng)一數(shù)據(jù)體系,將所有影像重投影為North Pole Stereographic。

        1.4 研究區(qū)域

        本研究選取北極冰間水道活動(dòng)最為頻繁的2 個(gè)地區(qū),波弗特海與弗拉姆海峽作為研究區(qū)域,如圖1 所示。通過數(shù)據(jù)的比對(duì)選取氣象條件較好的2018-04-12和2018-04-28 進(jìn)行研究。

        圖 1 研究區(qū)域范圍

        1.5 實(shí)驗(yàn)流程

        本文利用AMSR 2、MWRI、MODIS 3 種數(shù)據(jù)源對(duì)冰間水道進(jìn)行提取,評(píng)估不同數(shù)據(jù)源與算法提取水道的結(jié)果相似度。此外,對(duì)冰間水道提取結(jié)果進(jìn)行形態(tài)學(xué)方面探究,并對(duì)水道與海冰密集度關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)性分析,實(shí)驗(yàn)流程如圖2 所示。

        圖2 技術(shù)路線圖

        2 實(shí)驗(yàn)原理

        2.1 被動(dòng)微波提取冰間水道原理

        基于冰間水道表面較低的亮溫特征與其細(xì)長線狀特征,被動(dòng)微波提取水道算法首先計(jì)算89.0 GHz 垂直、水平通道的發(fā)射率比值,見公式(1),再將亮溫比r圖像用中值濾波器進(jìn)行平滑。濾波后,將原亮溫比圖像r與濾波結(jié)果相減,得到亮溫比異常值r′,見公式(2)。

        式中,TB,89V和TB,89H為89.0 GHz 垂直極化與水平極化亮溫?cái)?shù)據(jù);r為垂直水平極化比。

        式中,Medianω(r)是經(jīng)過窗口為ω的中值濾波器后的亮溫比圖像;r′為亮溫比異常值圖像,利用MYD09GA數(shù)據(jù)提取薄冰范圍參考Cavalieri[10-11]文中方法,將反射率數(shù)據(jù)合成寬波段反照率,設(shè)置閾值提取薄冰范圍。在異常值圖的基礎(chǔ)上結(jié)合薄冰范圍圖,以異常值分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律選取系點(diǎn)值,薄冰的低系點(diǎn)記為r′0,其高系點(diǎn)值為r′100,系點(diǎn)之間的值采用線性插值方法計(jì)算,如公式(3)所示。線性插值得到的異常值越大,像元為冰間水道的可能性也就越大,本文將其稱為水道密集度(LC)。

        2.2 熱紅外遙感數(shù)提取冰間水道原理

        MYD29P1D 數(shù)據(jù)提取水道的算法基于冰間水道表面溫度較周圍海冰較高的原理。參考Willmes[5]溫度異常值閾值分割算法,使用中值濾波器對(duì)海冰表溫產(chǎn)品進(jìn)行平滑,將原像元溫度值與中值濾波后產(chǎn)品作差[13],見公式(4),利用迭代閾值法得到閾值,該閾值將溫度異常值二值化用以提取水道。

        圖3 與圖4 為3 種數(shù)據(jù)提取的4 月12 日、4 月28 日波弗特海與弗拉姆海峽冰間水道及被動(dòng)微波對(duì)應(yīng)的海冰密集度分布。水道密集度值在20%~100%之間的AMSR2 冰間水道像元與MODIS 水道的空間位置一致性較強(qiáng),對(duì)于寬度較大的冰間水道均有檢測(cè);水道密集度值在0 ~20%之間的水道像元僅能表示較小尺度的冰間水道,且存在部分錯(cuò)檢。AMSR2 能夠檢測(cè)到的冰間水道寬度最小約為2.5 km。

        圖3 波弗特海冰間水道及海冰密集度圖

        圖4 弗拉姆海峽冰間水道提取圖

        MWRI 亮溫?cái)?shù)據(jù)提取的冰間水道整體水道密集度較低,大部分為水道密集度在10%~100%區(qū)間內(nèi)的冰間水道像元。水道密集度在10%~100%范圍內(nèi)的像元,能夠與MODIS 提取的寬度較大的冰間水道較好地重疊;水道密集度值在0 ~10%的像元?jiǎng)t加強(qiáng)了冰間水道的連續(xù)性,使水道呈現(xiàn)面狀特征而非線狀特征。經(jīng)過ENVI 中測(cè)距工具的手動(dòng)測(cè)量估計(jì),MWRI 能夠檢測(cè)到的冰間水道寬度最小約為4 km。

        式中,ΔT為溫度異常值;T為表面溫度;Medianω(T)為濾波后的海冰溫度。

        2.3 冰間水道形態(tài)學(xué)特征提取原理

        利用LSD 算法對(duì)冰間水道進(jìn)行檢測(cè)并計(jì)算。定義冰間水道長度為水道端點(diǎn)間大圓航線的劣弧距離,見公式(5)。其中,ER 為地球半徑。

        3 閾值劃分

        3.1 熱紅外遙感閾值

        選用ω=31 的窗口對(duì)海冰表面溫度進(jìn)行中值濾波。設(shè)置迭代的限差為0.001,利用迭代閾值法生成分割的閾值,閾值的選取如表1 所示。

        表1 MODIS 閾值的選取

        3.2 可見光遙感閾值

        利用MODIS 地表反射率合成寬波段反照率(BA),見公式(7),可以設(shè)立0.1 ≤BA≤0.6 的閾值對(duì)薄冰范圍進(jìn)行提取。

        BA=0.326 5×B1+0.436 4×B3+0.236 6×B4 (7)

        3.3 被動(dòng)微波系點(diǎn)值

        選用ω=7 作為中值濾波窗口,作差得到亮溫比異常值。通過與可見光的冰間水道進(jìn)行對(duì)比,分別統(tǒng)計(jì)落在薄冰范圍與非薄冰范圍的像元,由統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律選取的系點(diǎn)值如表2 所示。

        表2 薄冰系點(diǎn)值

        4 分析結(jié)果

        4.1 冰間水道提取結(jié)果

        表3 為3 種數(shù)據(jù)提取的冰間水道總面積,3 種數(shù)據(jù)提取的冰間水道總面積維持在同一數(shù)量級(jí)。被動(dòng)微波提取水道總面積略小于熱紅外遙感提取結(jié)果,可能原因是被動(dòng)微波遙感使用的亮溫比異常值算法主要針對(duì)薄冰覆蓋的冰間水道,漏檢了部分開闊水域覆蓋的冰間水道。對(duì)于波弗特海28 日提取結(jié)果,反而出現(xiàn)了熱紅外遙感總面積最小的情況。從冰間水道的分布可以看出,28 日波弗特海3 種數(shù)據(jù)水道分布范圍整體出現(xiàn)了較為吻合的情況,可能原因是當(dāng)日水道大部分為薄冰覆蓋,被動(dòng)微波提取結(jié)果較好,而其像元分辨率較低則高估了水道面積。

        表3 冰間水道總面積對(duì)比

        綜上,AMSR 2 亮溫?cái)?shù)據(jù)提取水道的結(jié)果,對(duì)冰間水道這一線狀特征的描述較為適中,MWRI 分辨率較低、像元尺寸較大,會(huì)高估冰間水道的寬度。兩者對(duì)于冰間水道總面積的提取,都會(huì)存在一定的低估。

        4.2 冰間水道形態(tài)學(xué)特征

        除了對(duì)水道面積進(jìn)行對(duì)比以外,本文還利用LSD算法對(duì)被動(dòng)微波提取的冰間水道進(jìn)行直線提取。表4為冰間水道長度的對(duì)比,被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)提取出的冰間水道相對(duì)于MODIS 數(shù)據(jù)源會(huì)高估冰間水道的實(shí)際長度。該高估現(xiàn)象的原因可能是被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)較大的像元,使冰間水道連接性增高。

        表4 冰間水道提取結(jié)果長度對(duì)比

        對(duì)冰間水道結(jié)果圖做最小外接矩形檢測(cè),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5 所示。在冰間水道形態(tài)學(xué)參數(shù)方面,3 種數(shù)據(jù)源得到的冰間水道寬度分布均服從冪律分布規(guī)律,且證實(shí)了被動(dòng)微波亮溫?cái)?shù)據(jù)具有提取出寬度大于像元分辨率1/3 的冰間水道的可能性。總的來說,AMSR 2 與MWRI 亮溫?cái)?shù)據(jù)提取的冰間水道對(duì)長度和寬度都存在約為MODIS 數(shù)據(jù)2 倍的情況。

        圖5 AMSR 2、MWRI、 MODIS 冰間水道寬度分布圖

        4.3 AMSR 2、MWRI 數(shù)據(jù)海冰密集度與冰間水道關(guān)系

        以AMSR 2 數(shù)據(jù)提取的冰間水道作為分析對(duì)象,如圖3 與圖4 所示。12 日和28 日波弗特海水道密集度值為100%的像元,對(duì)應(yīng)的海冰密集度大多在50%以下;水道密集度值在50%~100%范圍內(nèi)的水道像元與具有線狀特征的海冰密集度像元高度重合。

        在弗拉姆海峽,水道密集度在50%~100%范圍內(nèi)的水道像元覆蓋了大部分海冰密集度較低區(qū)域,50%以下的水道密集值像元覆蓋了次顯著的區(qū)域,以及少數(shù)位于格陵蘭海附近和北冰洋高密集度混合區(qū)域。從目視分析整體角度上看,AMSR 2 6.25 km 海冰密集度數(shù)據(jù)與水道范圍較一致。

        以10%為區(qū)間,統(tǒng)計(jì)各海冰密集度區(qū)間內(nèi)像元的水道密集度,如圖6 所示。整體上,較高海冰密集度的像元多出現(xiàn)在低水道密集度的區(qū)域,較低海冰密集度像元出現(xiàn)在水道密集度為100%的像元位置幾率更大。對(duì)于落在水道范圍內(nèi)的海冰密集度100%的像元,認(rèn)為它是異常的,約占整體冰間水道像元數(shù)量的5%。異常原因可能是由于冰間水道結(jié)構(gòu)較小,存在冰水混合現(xiàn)象的海冰密集度像元難以表現(xiàn)出來。

        圖6 AMSR 2 SIC 區(qū)間內(nèi)像元的LC 分布

        對(duì)AMSR 2 亮溫?cái)?shù)據(jù)提取的冰間水道及其海冰密集度產(chǎn)品而言,海冰密集度小于80%的像元,為冰間水道像元的可能性較大;密集度在80%~100%范圍內(nèi)的像元,為冰間水道像元的可能性較小。冰間水道與海冰密集度整體成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

        以MWRI 數(shù)據(jù)提取的冰間水道作為分析對(duì)象,如圖3 與圖4 所示。波弗特海12 日和28 日的水道密集度為100%的像元,海冰密集度大部分都在90%以下;水道密集度在大于70%區(qū)間內(nèi)的像元位置,與大部分具有線狀特征的海冰密集度區(qū)域重合;0~70%水道密集度區(qū)間內(nèi)的像元,大多位于高海冰密集度以及明顯線狀特征的像元邊緣區(qū)域。

        弗拉姆海峽12 日和28 日水道密集度為100%的像元,大部分都位于顯著的海冰邊界區(qū)域,這些區(qū)域的海冰密集度在15%~70% 之間;水道密集度在40%~100% 范圍內(nèi)的水道像元,能夠基本覆蓋較為明顯線狀特征,這些區(qū)域的海冰密集度大致在80%~95% 之間;20%~40% 區(qū)間內(nèi)的水道密集度值像元,大多位于海冰密集度95% 左右的線狀特征邊緣;小于20% 水道密集度的像元分布,一部分同20%~40%區(qū)間相似,另一部分則位于100%海冰密集度像元處。

        以10% 為間隔劃分區(qū)間,統(tǒng)計(jì)MWRI 各海冰密集度區(qū)間內(nèi)像元的水道密集度。如圖7 所示,較低海冰密集度的像元,在波弗特海區(qū)域水道密集度多為100%,在弗拉姆海峽則呈散布狀態(tài)。在高海冰密集度范圍,落在50%以下水道密集度區(qū)間內(nèi)的像元約占全部的85%。冰間水道內(nèi)100%海冰密集度的異常像元,約占水道像元總數(shù)的9%,異常原因可能是12.5l km 的較大尺度數(shù)據(jù)更易發(fā)生冰水混合現(xiàn)象。

        圖7 MWRI SIC 像元內(nèi)LC 的分布

        總體而言,海冰密集度小于85%的像元,為冰間水道像元的可能性較大;海冰密集度在85%~100%范圍內(nèi)的像元是否為冰間水道,需要綜合考慮水道密集度等因素。

        5 結(jié) 語

        本文使用89.0 GHz 單通道垂直水平極化比算法,結(jié)合MODIS 地表反射率數(shù)據(jù)生成的薄冰范圍選取系點(diǎn),生成冰間水道分布圖。由此對(duì)冰間水道形態(tài)學(xué)特征以及海冰密集度相關(guān)性進(jìn)行了探究。

        主要結(jié)論如下:

        1) 通過LSD 直線檢測(cè)算法和最小外接矩形算法,計(jì)算本文中被動(dòng)微波數(shù)據(jù)源提取冰間水道的長度和寬度。被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)提取出的冰間水道長度要遠(yuǎn)高于熱紅外遙感,在冰間水道寬度方面,3 種數(shù)據(jù)提取結(jié)果服從冪律分布特征。2)被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)提取的冰間水道,大尺度冰間水道與MODIS 水道空間分布范圍均較為一致。冰間水道密集度與海冰密集度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。對(duì)于AMSR 2,水道密集度空間范圍與海冰密集度較為一致;對(duì)于MWRI,在冰間水道密集度高的像元,與海冰密集度分布范圍較為吻合,低水道密集度的像元上與海冰密集度分布范圍存在不一致情況。

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