NASA MOD IS海冰产品评价分析——以辽东湾海冰监测为例

马龙

(大连海事大学航海学院,大连 116026)

NASA MOD IS海冰产品评价分析
——以辽东湾海冰监测为例

马龙

(大连海事大学航海学院,大连 116026)

NASA开发的MOD IS海冰产品可提供全球范围的海冰分布和冰表温度信息,但将其直接用于局地和区域海冰监测时,其精度还有待进一步验证。以辽东湾冬季海冰监测为例,对MOD IS海冰产品进行了分析,发现该产品将区域内绝大部分海冰标识为云。根据NASA的海冰算法,利用反射率和冰表温度 (Ice Surface Temperature,IST)数据对海冰范围进行提取,结果表明,利用 IST可以有效提取海冰分布信息。

MOD IS;冰表温度 (IST);海冰

0 引言

海冰作为冰雪圈的一部分,不仅对局地和区域气候产生影响,还对半球乃至全球的大气环流和气候产生影响。遥感技术在海冰动态、海冰灾害和海冰资源监测方面具有重要作用。自 1969年特大冰封以来,我国海冰监测、预报和研究工作全面开展起来,在海冰常规观测基础上,已开展了卫星和航空遥感技术的应用研究[1]。MOD IS是当前新一代“图谱合一”的光学遥感探测器,目前,在轨的 Terra和Aqua卫星搭载的 MOD IS传感器,可以满足白天 2次的重复观测频率,已成为海冰监测的重要工具[2]。美国国家航天局 (NASA)利用 MOD IS数据开发了海冰产品 (包括 IST数据),该产品算法基于一组判别条件,具有计算量小,无需人工干预的特点,适合于全球海冰的监测。但在局地和区域海冰监测时,直接应用 NASA开发的MOD IS海冰产品的效果还有待进一步验证。

本文根据NASA的海冰算法,利用反射率和 IST数据对冬季辽东湾海冰范围进行提取,同时,获取相应区域 NASA的 MOD IS海冰产品,对 MOD IS监测海冰的方法进行了分析,指出应用 IST可以有效获取海冰范围信息。

1 NASA MOD IS海冰产品

目前,有 MOD IS/Terra和 MOD IS/Aqua两个版本的海冰产品。需要说明的是,MOD IS/Aqua第 6波段的探测器仅有 30%在工作,因此,该探测器需采用第 7波段数据提取海冰信息。对于冰表温度信息的提取,2个传感器采用的算法一致。

MOD IS海冰产品,准确地说应该是产品系列,共有 4个 (表 1)。除了 MOD 29产品外,表 1中依次排列的产品均由上一级产品获得,每个产品都包括海冰分布和冰表温度数据。MOD 29产品由MOD ISL1B数据根据MOD IS海冰算法得到。MOD 29PG和MOD 29P1分成白天 (D)和夜晚 (N)数据。对 MOD 29进行 EASE-Grid投影,得到 MOD 29PG产品。作为中间产品,MOD 29PG没有存档,投影后的MOD 29PG会有重叠问题。MOD 29P1产品由MOD 29PG产品生成,其根据一定的打分算法,选择分值最高的重叠像元作为最终像元。

表 1 MOD IS海冰系列产品[3]Tab.1 MODIS sea ice data products[3]

2 MOD IS海冰产品算法

MOD IS海冰产品算法[4]即指生成MOD 29产品的算法,其依据是海冰同无冰海水在可见光和近红外波段的反射率差异。算法的输入数据如表 2所示。

表 2 MODIS海冰算法的输入数据Tab.2 MODIS data product inputs to the MODIS sea ice algorithm

海冰算法要求输入的像元为海洋信息,且无云遮挡。这些信息可由MOD 03和MOD 35_L 2产品提供。算法由如下一组判别条件组成:

如果某像元同时满足上述 3个条件,那么该像元就确定为海冰。对于较薄的海冰 (厚度 <10 cm,没有雪覆盖),其反射率较低,利用雪被指数 (NDSI)不容易分辨。在这种情况下,可利用冰表面和海水表面的温度差异进行识别。MOD IS计算冰表面温度 (IST)的算法为

式中,T31、T32分别为MOD IS第 31、32波段的亮温值;θ为从天底点算起的扫描角;a、b、c、d为由经验确定的系数,选择时,需要参考研究区的位置和T31的温度取值 (表 3)。

表 3 计算冰表温度 (IST)采用的系数[3]Tab.3 Coefficients used in the calculation of IST

3 辽东湾海冰监测

渤海是中国纬度最高的海域,也是中国冬季低温的主要分布区之一。周围分布着黄河、海河及辽河等河流,大量淡水源源不断地流人渤海,降低了渤海的海水盐度,为结冰提供了有利条件。受冬季西风环流的影响,渤海每年都有不同程度的结冰现象[5,6]。为了避免其他干扰因素,研究选择晴天数据进行分析。以 2009年 12月 23日的辽东湾海冰为例,获取了当日的MOD ISL1B以及MOD 29数据(图 1,数据为 MOD IS/Terra采集 )。

图 1 MOD ISL1B真彩色增强图 (左)和 MOD 29彩色分割图 (右)Fig.1 Enhanced natural color of MODISL 1B(left)and density slice of M OD 29

由图 1(左)可以看出,辽东湾顶部的海域有大量海冰覆盖,这与同期实际情况和相关报道一致。对比图 1(右)发现,MOD IS海冰产品 (MOD 29)却将此区域标识为云,海冰仅在沿岸分布。对于 IST数据,同样将该区域标识为云,未作 IST的计算。

考虑到研究区数据获取时为晴天,因此无需云掩模数据便可直接利用反射率数据和 IST数据提取海冰分布信息。

(1)根据反射率数据提取海冰分布信息。利用上述判别条件组的 3个条件进行海冰识别,并将提取的海冰信息 (红色区域)叠加到真彩色图像上 (图 2);

图 2 基于反射率特征提取海冰信息Fig.2 Seaice information extraction based on reflectance

(2)根据 IST数据提取海冰分布信息。利用式(1)获取 IST,并以 271.4 K为阈值[4]提取海冰信息(<271.4 K)(图3)。

图 3 基于 IST提取海冰分布Fig.3 Sea ice extraction based on IST

由图 2可见,基于判别条件组的方法没能正确获取海冰分布信息,而根据 IST提取的海冰信息较好地反映了实际情况 (图 3)。真彩色图像上的海冰分布较 IST提取的范围小,这可能由于初生冰较薄、色调较暗,不宜同海水区分的缘故。

以上结果表明,将MOD IS海冰算法应用于局地和区域海冰监测时有其局限性。同时,海冰反射率与冰的种类、表面状况及成像时间等多种因素有关,这些因素的变化会造成冰水分界点反射率值的较大变化,从而影响算法的精度。亮温反映了海水结冰时的凝结点温度,这一温度在一定海域内的变化较小,具有稳定性。因此,用 IST资料统计出的冰水分界点误判概率最小,可作为区分海冰和海水的阈值。

4 结论

(1)在范围较小的研究区使用MOD IS海冰产品时应慎重,其获取的海冰范围可能同实际情况不符。

(2)利用 IST提取海冰范围可以取得较好的效果,在算法设计和速度上也具有优势。当然,如果对计算量没有要求,采用监督分类、神经网络分类等也可以获得满意的效果。

(3)MOD IS海冰算法主要提供全球海冰分布和冰表温度信息,而关于海冰的其他信息,比如,海冰类型、密集度等,还没有全球普适的算法,这些信息的提取还局限于局地或区域性的范围。

[1] 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.

[2] 吴龙涛,吴辉碇,孙兰涛,等.MOD IS渤海海冰遥感资料反演[J].中国海洋大学学报,2006,36(2):173-179.

[3] Riggs G A,Hall D K,Salomonson V V.MOD IS Sea Ice Products User Guide to Collection 5[R/OL].University of Colorado:National Snow and Ice Data Center,2007[2010-3-24].http://modis-snow-ice.gsfc.nasa.gov/siug_c5.pdf.

[4] Hall DK,Riggs GA,Salomons on V V.Algorithm Theoretical Basis Document(ATBD)for the MOD ISS now and Sea Ice-Mapping Algorithm s[R/OL].Washington:NASA,2001[2010-3-24].http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod10.pdf.

[5] 潘淑杰.EOS/MOD IS卫星资料在渤海海冰监测中的应用研究[D].银川:兰州大学,2008.

[6] 纪永刚.基于微波图像的辽东湾海冰典型要素信息提取[D].青岛:中国科学院海洋所,2006.

[7] Riggs GA,HallD K,Ackerman SA.Sea Ice Extent and Classification Mapping with the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Airborne Simulator[J].Remote Sensing of Environment,1999,68:152-163.

(责任编辑:刁淑娟)

The Evaluation of NASAM OD IS Sea Ice Products:a Case Study of Sea Ice in Liaodong Bay

MA Long
(Navigation College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)

NASA MOD IS sea ice products provide global information of sea ice extent and ice surface temperature(IST).However,when it is used for local and regional sea ice mapping,its accuracy needs further validation.Taking sea ice in Liaodong Bay as an example,the author analyzed MOD IS sea ice products,and the result shows that almost all the sea ices in this area are identified as clouds.Based on NASA sea ice algorithm,the author extracted sea ice extent by using sea ice reflectance and ice surface temperature respectively.The results show that ice surface temperature can extract the distribution of sea ice effectively.

MOD IS;IST;Sea ice

马 龙 (1977-),男,讲师,博士,主要从事遥感应用研究。

TP 79

A

1001-070X(2011)01-0115-03

2010-03-23;

2010-05-15

教育部新教师基金项目“海上溢油极化 SAR监测方法研究”(编号:20092125120007)。