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1、豆丁网精品论文卫星监测海冰及其标定的探讨庄宏昌，董宏，王晓芳，孙红栋大连海事大学环境科学与工程学院，116026E-mail: zhuanghongchang摘要：卫星海冰监测越来越受到重视，它是获取海冰特征参数最有效的手段，但是需要用 现场实测数据进行验证才能保证卫星监测海冰的准确度。本文利用软件处理卫星海冰实况 图，利用得出的灰度数据，与多年来现场观测得到的 JZ9-3 油矿周围小尺度范围内比较精确 的海冰参数进行了比对分析，从而实现了对卫星监测海冰的标定。 关键词：海冰，卫星监测，标定，灰度值1 引言在中高纬度的寒冷海区，都会有不同程度的海水结冰现象，海冰的存在在一定程度上阻 碍了人类的
2、海上活动，冰情严重时，海洋工程、资源开发、交通运输等均会受到很大影响， 甚至会造成严重的冰灾，所以对海冰的监测、预报越来越多地受到人们重视。我国的渤海和黄海北部海域，每年冬季都有不同程度的结冰现象，为了减少灾害，更好 的服务于国民经济和国防建设，我国从 1958 年就开始了海冰监测工作，并从 1969 年开始了 海冰预报工作。实施海冰的监测主要通过设立沿岸固定观测站、临时观测站和雷达站及冰情 巡视小分队进行观测；海上建立观测平台、使用破冰船和潜水艇进行观测；空中有飞机和天 上的卫星构成立体监测系统。所用仪器种类多，有冰尺、冰钻、遥测温度仪、声纳、雷达、 辐射计、激光剖面仪、立体摄影仪等1。近年
3、来，卫星监测海冰以其监测范围广，较高的实时性等优点被人们所广泛采用，它是 获取大区域海冰特征参数最有效的手段，但是需要对其进行标定才能保证卫星监测海冰的准 确度。本文利用软件处理海冰卫星实况图，得到不同海冰类型对应的灰度值（范围），与多 年来现场观测数据进行比对分析，对卫星海冰监测图进行了标定。2 卫星监测海冰1973 年开始 ，我国开始接收卫星图像进行冰情分析和利用卫星遥感时空图像， 对 NOAA/AVHRR 五个通道数据进行分析研究，得到了海冰分布与分类，提取了在晴空天气下 的海冰特征参数，初步建立了渤海海冰卫星遥感监测业务化系统2。目前我国用于海冰监测 的卫星有美国的 NOAA 卫星和
4、EOS 系列卫星、加拿大的 Radarsat 卫星、我国的海洋卫星等。2.1 卫星遥感识别海冰卫星遥感首先要解决的问题是如何将海冰从卫星图片中解译出来，判别的物理基础是地 物间光谱特征的差别，冰和水的温度和反照率有着明显的差异，所以可以进行冰水的识别， 判断海冰边缘线位置。如按照最大似然分类的 Bayes 准则3 ，当分类的判据区两条概率密度 曲线的相交点点时，误判的概率最小。利用这一准则，就可以找到冰水分界点。虽然目前的 方法都不可避免的存在海冰漏判或是误判，但是一定程度上已经能满足应用要求。豆丁网精品论文2.2 卫星遥感监测流冰漂移海冰漂流是海冰的一大特点，因为浮冰漂移在不断的改变着某一点
5、的海冰密集度、厚度、 冰类型、水道分布，进而也改变着海洋同大气热通量的分布4 。而卫星遥感则是获取大范围 海冰运动信息的一种有效方法。Ninnis 等人曾用模板匹配最大互相关方法(MCC) 进行遥感海 冰表现漂移的实验。Wu 等人对模板匹配法进行了改进，提出了相关-张弛(C-R)的迭代方法 2 。黄润恒等用相关-张弛(C-R)法和凡函分析法(FAM)从序列的卫星遥感图像上推导出了辽 东湾海冰运动速度矢量场5。2.3 卫星遥感反演海冰厚度卫星遥感在冰厚测量中也发挥着重要作用。在所有海冰参数中，冰厚是最难获得的一种 参数。直接测量海冰厚度纵然可以，而且精确，但花费巨大，数据有限。要想得到丰富实用
6、的冰厚信息，卫星遥感是一种趋势。用遥感数据反演冰厚，实质上是建立可见光双信道反照 率、红外信道亮温与同时刻、同地点的实测冰厚之间的关系模型。然后通过内插的方法，用 反照率或亮温资料反演冰厚。反照率与冰厚之间有一定的相关性，利用海冰的这个光学性质， 日本学者白泽在1973年通过对北海道外海的一年冰的观测，得到了一组反照率与冰厚关系的 资料，确定了海冰厚度随反照率的增加而增加，提出了用反照率计算裸冰冰厚的经验算法(田 烟忠司，1970)。Grenfell (1983)海冰光学理论中得出反照率和海冰厚度有关的结论，并观测 到了两者之间的同步递增关系，Allison(1993)的研究工作也得到了相似的
7、结论。郑新江等 (1998)利用冰厚与反照率(NOA A)的经验公式将渤海海冰分为3种厚度型:20cm。吴明钰等(1999)利用了被动微波遥感所接受到的辐射亮温与传输距离(即冰厚)之间 的关系，反演误差达到了小于306 。但是，由于各个海域的自然条件的差异，各种模型没 有统一的形式，通适用性比较有限，对此有待深入研究。2.4 卫星遥感的其他应用卫星遥感在监测海冰密集度7 ，测算海冰资源量8，和描述海冰生长与消融过程等方面 也有很大的优势。3 基于工程点情况下对卫星监测海冰的标定根据海冰的发展程度，流冰可分为初生冰(N)、皮冰(R)、尼罗冰(Ni)、莲叶冰(P)、灰冰 (G)、灰白冰(Gw)和白
8、冰(W)等七类。这几类海冰在形态和厚度方面存在着明显的差异，在 卫星图片上，不同厚度的海冰呈现出不同层次的色彩。海冰的色彩是从浅蓝到蓝色，从浅白 到白色，色调的变化反映了海冰从薄到厚的冰型变化9。利用卫星图像判别海冰，就是要利 用色彩的差异，将不同类型的海冰从卫星图像中解译出来，解译的准确程度如何，就看其与 实况的相符程度了。目前的验证工作主要是采用与卫星同步的航拍，并在航拍像片上标出地 理位置，从而可以与卫星海冰图像解译出来的海冰作对比，建立起解译标志，但是航空遥感 次数不多，所获数据也很有限。由于卫星高度的原因，卫星照片的分辨率较低，只能获取大尺度范围的海冰特征信息， 对于获取中小尺度的海
9、冰参数就很困难 10。为了能提供比较精确的海冰参数，更好的服务豆丁网精品论文于冰区石油平台，我们在 JZ93 平台建立了工程点模式的海冰监测和预报系统，利用雷达、CCD 海面流冰监测系统、雷达测冰厚仪器，配合数字照相机及乘坐破冰船现场测冰，能够 实时监测海冰，获取 JZ9-3 油矿周围小尺度范围内比较精确的海冰参数。这些数据是对大尺 度卫星遥感数据的补充，在标定过程中起着重要作用，为卫星遥感资料反演提供更为可靠的 依据。3.1 卫星图片的选取EOS 系列卫星平台上唯一直接发布的对地观测仪器 MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradio-meter
10、) 是 Terra ( EOS-AM) 和 Aqua (EOS-PM) 系列卫星的主要探测仪 器。MODIS 仪器的地面分辨率分别为 250m，500m，1 000m，扫描宽度达 2330km。国家 卫星海洋应用中心接收的 EOS/ MODIS 资料信号比较稳定,最大空间分辨率可达到 250m， 相对 NOAA/ AVHRR 和 HY1A 资料有更好的实际应用价值。Terra 卫星过境时间为北京 时间 100011 00，Aqua 卫星为 12001300，每天接受的资料基本都能覆盖整个 渤海区域。本文使用的海冰图像就是中午的图像是 EOS 环境卫星资料，分辨率 250 米，高 于气象卫星 4
11、 倍。同时，卫星观测时间在 11 时左右，地面光照较强，因此可以看到丰富的 海面和冰面及地表信息。经初步筛选，共得到效果较好的卫星图片 46 幅。图 1 所示为 2007 年 1 月 12 日 11：04 时 EOS 卫星的渤海海冰监测图，从图中可以清楚的看到海冰及其他目 标物。图 1 EOS 卫星的渤海海冰监测图图 2 工程点 JZ9-3 油矿位置图Fig .1 EOS satellite monitoring of the Bohai sea ice imageFig. 2 Location of JZ9 -3 oil field3.2 卫星图片的标定在一般的海冰监测图中，海冰和云雾的区分
12、主要是颜色和形状。海冰一般为蓝灰色，云 雾为白色或灰色，海水为深蓝色，陆地为褐色或褐黄色。由于有时海冰和云雾颜色较接近， 此时就需要通过形状上予以区分。辨识出海冰后，利用卫星图片上带有的经纬信息，划分网 格，即可找到工程点（JZ9-3 油矿，位置见图 2）。为了保证标定的准确度，将工程点周围1.5 海里的范围内的区域定为标定区域，首先对选定区域进行灰度增强处理，再对其进行灰度分析，便可得出该区域中海冰所对应的灰度范围。对所得到的大量灰度数据进行统计分类，并与平台现场观测海冰结果进行相关比较，从而可以得到不同冰型所对应的灰度值（范围）。 图 35 所示表明了处理流程及结果。图 3 选取的卫星图片
13、图 4 选定的标定区域（放大）Fig . 1 Selected sea ice imageFig .4 Selected area of calibration图 5 Bitmap Analysis 灰度数据示图Fig .4 Gray data of bitmap analysis将卫星图片处理结果与现场观测数据进行比对，数据呈现出较好的一致性，规律明显， 从而说明对卫星图片的标定结果可信，也进一步证明了可以通过判读卫星图片的海冰灰度值 来识别不同类型的流冰。表 1 所列为冰皮、尼罗冰、莲叶冰所对应的灰度值范围。表 1 卫星图片标定结果与现场观测比对表Tab.1 Comparison betw
14、een calibration results of satellite images and the observed results日期卫星图片现场观测识别 海冰类型时间灰度值时间流冰类型冰厚（厘米）2007 -01-0811时30分60-7511、12时R、Ni4-8R2006 -02-0413时20分46-6613、14时Ni、R、G6-12Ni2005 -01-0810时51分49-6 511时P、Ni、R5-10P4 结论经对 46 幅 EOS 卫星海冰图片进行标定，并与现场定时观测结果进行比对分析，统计 分析后得到了冰皮、尼罗冰、莲叶冰在特定冰厚时所对应的灰度值范围。由于近年来冰
15、情较 轻，现场观测到的灰白冰、白冰等类型流冰的资料不够充分；另外，由于天气（云、雾）等 原因，所得的效果好的卫星图片数量有限，这些都制约着标定精度的进一步提高，使得统计 分析得出的灰度结果不够广泛。但是，从本文标定结果来看，对卫星海冰监测的标定是非常 有意义的，具有很好的实用价值，一定程度上能够满足工程需要。同时，这也为海冰的监测、 预报服务提出了一种新的思路。参 考 文 献1国家科委国家计委国家经贸委自然灾害综合研究组. 灾害知识普及.http:/210.72.100.62国巧真, 陈云浩,李京等.遥感技术在我国海冰研究方面的进展J.海洋预报,2006,23(4):95 -103 3马开玉,
16、 丁裕国,屠其璞等.气候统计原理与方法M.北京:气象出版社,1993.4李志军, 张占海.中国 2003 年北极海冰调查及未来北极海冰研究战略J.极地研究,2004, 16(3):202-210 5黄润恒, 刘清革.从卫星遥感图像序列计算辽东湾海冰运动速度矢量J.遥感学报,1997,1(4):298-3056顾松刚. 海冰厚度的测算研究以渤海辽东湾海冰为例D.北京:北京师范大学,2004.7曹梅盛, 晋锐.遥感技术监测海冰密集度.遥感技术与应用J.2006,3(21):259-2648史培军,范一大,哈斯等.利用 AVHRR 数据和 MODIS 数据测算海冰资源量J. 自然资源学报,2002,
17、17 (2):138-143.9龚家龙, 臧恒范.NOAA 卫星海冰图像的分析J.遥感信息.1988(02)10 卢鹏, 李志军,董西路等.基于遥感影像的北极海冰厚度和密集度分析方法J.极地研研,2004,16(4):317-323豆丁网精品论文Discuss on satellite monitoring of sea ice and its calibrationZhuang Hongchang, Dong Hong, Wang Xiaofang, Sun HongdongEnvironmental Science and Engineering college, Dalian Marit
18、ime University, Dalian, PRC (116026)AbstractSatellite monitoring of sea ice has been gaining more and more attention, it is the most effective means to get the sea ice parameters. But, measured data must be taken to verify satellite monitoring method to ensure its accuracy. In this paper, some softw
19、are was used in satellite images processing. And the gained gr ay data were used to compare with the more precise sea ice parameters gained from years of observing the small area around the JZ9- 3 oil field. Through this c omparative analysis, calibration of satellite monitoring of sea ice was done.Keywords: sea ice, satellite monitoring, calibration, gray data
