基于资源3号卫星的海冰监测研究

侯海倩，李家国，米晓飞，殷亚秋，张红娟

(1.中国科学院 遥感与数字地球研究所，北京 100101；2.中国矿业大学(北京)，北京 100083；3 中国地质大学 长城学院，河北 保定 071000)

1 引 言

海冰是高纬度海域最突出的海洋灾害。我国渤海每年冬季受西伯利亚冷空气的影响，海面有结冰现象出现。海冰的出现对海面气热交换影响十分显著，直接影响地球、大气的能量收支平衡，对海洋生物和海洋生态产生深刻的影响；同时在一定程度上影响到人类在海岸和海上活动实施以及设备安全运行[1]。而另一方面，海冰也提供了潜在的淡水资源[2]。因此，实时对海冰进行科学、准确地监测和预报，对海冰灾害预防和海冰资源开发具有重要的应用价值和理论意义。自1969年特大冰封以来，我国海冰监测、预报和研究工作全面地开展起来。随着遥感技术的发展，20世纪80年代开始大量应用遥感技术监测海冰。

吴奎桥等在国家卫星海洋应用中心从2000年开始接收处理MODIS数据，并于2005年利用海冰实验的实测数据和海冰光谱分析，获得了海冰厚度、密集度和外缘线等海冰数值产品[3]；刘建强等在1999年利用具有高分辨率的星载SAR资料对我国渤海海冰进行了监测研究[4]；史培军等在2002年提出了基于GIS技术和光谱特征的海冰信息分层提取法，利用AVHRR和MODIS数据对渤海海冰资源储量进行了估算[5]；罗亚威等人在2005年利用HY A数据建立了从卫星1B级数据开始的海冰反演系统，用于我国渤海海冰监测和预报[6]；邓钟等人在2011年利用HJ-1A/1B探讨适合HJ星数据的海冰提取方法[7]。

普通的遥感数据如MODIS数据空间分辨率不高，很难精确地识别较小的海冰范围，而RADA-RSAT、ERS-1和JERS-1的星载SAR资料虽具有较高的分辨率，但SAR的特点决定了应用这些资料实现实时海冰监测和业务预报是不可能的。本文正是基于前人的工作所展开的。

ZY-3搭载了四台光学相机，包括一台地面分辨率2.1m的正视全色TDI CCD相机、两台地面分辨率3.6m的前视和后视全色TDI CCD相机、一台地面分辨率5.8m的正视多光谱相机。ZY-3重访周期为5天，具备立体测绘和资源调查两种观测模式；控制定位精度优于1个像素，定位精度高，是我国第一颗高分辨率光学传输型立体测绘卫星。ZY-3的特点弥补了AVHRR和MODIS及HJA/B卫星的不足，能更好地适用于大范围中尺度区域遥感监测。因此，研究国产ZY-3数据监测海冰的方法具有重要的理论价值和实际应用意义。

2 数据分析

渤海区葫芦岛海域属于我国高纬度海区，也是我国冬季低温的主要分布区之一。在通常情况下，渤海湾初冰期最早在12月初，最晚在12月下旬前期。封冻期约为一个月左右，一般从1月上旬开始至2月中旬，终冰期最早在2月底至3月初，最晚在3月中旬末至下旬。由于几年来全球气候变暖，初冰期有所推后，终冰期有所提前。

渤海是北半球纬度最低的结冰海域。渤海海冰生消与发展的全部过程都一个年度的冬季中进行，属于一年生海冰。其冰厚变化及类型分布均比较复杂，冰厚与海冰处于何种状态(流动、固定)有关，冰型与成冰期有关。在盛冰期，该区域出现的海冰类型一般是初生冰、皮冰、灰冰、灰白冰、堆积冰，冰厚一般在10cm～30cm，也有小于5cm的，如表1所示。

表1 渤海海冰分级

研究所选用的ZY-3影像获取时间为2012年2月19日，属于海冰融冰期。实验数据经辐射校正和采用地面几何检校的内外方位元素进行系统几何校正处理。在实验前已将原始影像数据转换为表观反射率数据。研究区的实际区域如图1所示。

图1 研究区海冰图像

图2 雪、海冰、海水反射光谱特征对比引自文献(丁德文，2000)

渤海一年生海冰的反射光谱曲线形状与海水和雪相似，其反射峰水平高于海水，但比雪低很多，且具有多个特征点。从图2的整体形状可以看出：从可见光到近红外波段，雪的反射率值最高达80%，冰次之(在30%～60%之间)，水的反射率值最低(10%左右)，至波长等于或大于1200 nm的红外波段，冰和水的反射率接近全吸收体而难以区分[8]。因而ZY-3卫星，4个波段中，蓝：435nm～480nm，绿：455nm～492nm，红：622nm～770nm，近红外：780nm～3 000nm，适合海冰监测研究。

3 海冰厚度提取

3.1 技术路线

本文主要的技术路线如图3所示。

图3 技术路线

3.2 数据预处理

由于数据是GEC级别，故先对其进行几何校正，获得地表反射率。然后就是海冰厚度提取的前期工作即陆地和海水的去除。本文采用NDVI阈值法对海陆进行分离，-1≤NDVI≤1，负值表示地面覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射；0表示有岩石或裸土等，NIR和R近似相等；正值，表示有植被覆盖，也就是陆地。在介绍冰水分离方法之前先介绍一个重要的参量——反照率。

海冰反照率是研究海冰表面特性、海冰厚度、海冰分布的重要光学参量之一，利用卫星数据推导海冰反照率是进行海冰研究的重要方法之一。国内外学者对海冰已做了大量的观测与研究，通常海冰的反照率不大于雪的反照率0.8，通常维持在0.1与0.7之间，当雪覆盖于海冰之上时，反照率会发生跃升[9]。

目前还没有基于ZY-3卫星影像对地表反照率的反演。故通过对比分析ZY-3数据和HJ-1A的CCD数据各波段的参数，两者传感器4个波段分布位置十分接近，因此采用W Knap等人提出的基于冰川、冰水地面测量结果的二次多项式公式进行海冰反照率的计算[10]，公式如下：

(1)

其中，α2为第2波段的反射率，α4为第4波段的反射率。

由现有资料可知，水的反照率远远小于海冰的反照率，可用此特性将海水和海冰区分。如图4所示。

图4 反照率

根据Bayes分类准则，以冰水分布曲线的交点，即两峰之间的“谷底”作为冰水的分界点时，误判率最小[11-12]。本文使用双峰法实现了冰水分界点的自动提取，和直接输入经验参数相比，有效地降低了误差，提高了图像精度。如果是在有云天气下拍摄的影像还应将云去除掉，因为该数据云覆盖量为0，故在此不再赘述云去除方法。

在海冰信息提取过程中，由于白冰和积雪相似，故对此进行分析说明。经查询，2012年1月3日到2月19日渤海区葫芦岛地区并无雨雪降临。但是考虑到实际中可变的因素较多，故又根据冰雪具有较大反照率差异这一特点进行了对比分析。图5(a)为在所截取的实验数据海冰反照率图像中陆地上的一部分，图5(b)为相应的假彩色合成的实际图像，之前推断有可能是雪域，而且陆地上还有许多其他类似的区域，此类区域分带状或块状存在，但是疑似雪域部分的反照率均在0.4以下，与积雪的反照率数值不符，而且此时城区内房屋、公路等处并无积雪痕迹出现，继而又通过人工识别假彩色图像上的对应区域，最终断定疑似雪域部分并非为积雪覆盖，而是陆地上的水域在冬季结冰而致。因已对陆地做出划分，所以陆地上少量出现的水域结冰部分并不影响整体对海冰的判别。

图5 疑似雪域部分

3.3 海冰厚度反演公式

Weller认为，海冰厚度率与其反照率有很大的相关性；Grenfell从光学角度得出了海冰厚度与反照率的有关结果，并得到了两者之间的递增关系。Grenfell等人假设冰厚与海冰反照率呈指数递增关系，当海冰厚度在2cm～9cm范围内递增时，其反照率从0.11递增到0.24。表达式如下：

α(h)=αmax[1-kExp(-μh)]k=1-αsea/αmax

(2)

其中，α(h)是厚度为h的海冰所对应的反照率，αmax是无限大冰厚对应的反照率，αsea为海水对应的反照率，参数μα为关于反照率的衰减系数。

3.4 冰厚反演参数修订及噪声去除

目前研究认为海冰反照率通常在0.1与0.7之间，利用上述式(2)对冰厚进行反演时，αsea取值为0.1，αmax取值为0.7。但经反演得到的海冰反照率受到卫星资料、图像质量以及辐射定标等因素的影响，表现出一定的不确定性。本文根据冰厚反演公式参数定义以及研究区海水及海冰反照率的实际统计结果对上述参数进行修订，αsea修订为研究区海水的平均值0.162，αmax修订为海冰的最大值0.496。参数μα受到气温与地域的影响，并且卫星资料的来源不同、辐射定标不同其反照率也是有差别的。可应用谢锋等人[13]的研究方法，利用葫芦岛港和鲅鱼圈港的实测气象数据和海冰厚度数据，根据冻结(融)冰度日法[14]计算，取μα的平均值为1.209。

至此，利用上述方法，海冰信息已经得到了很好地提取，由于误差的不可避免性，图像上会有一些噪声，本文利用灰度形态学算法对图像进行搜索去噪，将满足结构元素的象元进行去除或合并，得到最终的海冰厚度提取结果。如图6所示。

图6 海冰厚度提取效果图

图7(a)为原始数据的反照率图像，图7(b)为去掉陆地和水域的海冰厚度分布图。据相关资料显示，2011年冬季海冰冰情属于轻冰年，而且2月19日已进入融冰期，从图7(b)可以看出冰厚大都集中在15cm以下，即初生冰和灰冰为主，与调查资料想吻合。

图7 提取结果分析图

3.5 结果分析

据现有资料来看，在主动遥感领域用来进行海冰研究的数据主要有MODIS、AVHRR、Landsat和HJ-1-A-B星数据。从理论上讲，分辨率为1.1km的AVHRR数据只能分辨出巨冰盘和大冰盘，最大分辨率为250m的MODIS数据也只能分辨出巨冰盘(水平尺度大于2km)、大冰盘(0.5km～2km)和中冰盘(100m～500m)。再考虑冰盘之间缝隙大小的不同，必然要造成海冰信息提取时海冰信息和海水信息之间的信息融合问题和混合像元的问题。在同一时刻，在海冰密度较高的区域，由低分辨率遥感数据提取的海冰信息，要比用高分辨率遥感数据提取的海冰信息所造成的误差大。在计算海冰面积时，高分辨率遥感数据的计算结果更接近实际情况，其计算结果也比用低分辨率遥感数据计算出的结果小[5]。HJ星分辨率较高为30m，可以用于海冰信息提取[7]。但是也是仅限于在海冰密度较小、冰盘较大时相对较适用。

ZY-3卫星较高的分辨率是其最大的优势，5m的分辨率足以满足各种类型、状态和各个时段的海冰信息提取。 对轮船出海前的预警预报、冬季水产捕捞等提供了更为有效的资料。

因为所用的研究区数据是2013年2月19日的海冰数据，此时的海冰处于融冰期，大块完整的海冰数量很少，大都是相对较小的海冰。但是采用该法能很清晰地将比较小块的海冰提取出来。

4 结束语

本文利用ZY-3卫星数据，以渤海临近葫芦岛海域为例，对海冰冰厚的遥感估算方法进行了研究。根据上述方法，选取2012年2月19日渤海葫芦岛海域资料，确定结冰范围及反演海冰冰厚分布，得到了当天海冰结冰范围和海冰厚度分布图，并讨论了估算结果的合理性，得出了以下结论：

(1)利用ZY-3卫星数据的反照率数据可以进行冰水分离，从而提取出海冰范围。

(2)利用反照率与海冰厚度的指数关系建立的海冰厚度反演公式，可以用于海冰厚度的估算。

(3)海冰反照率受到卫星资料、图像质量以及辐射定标等因素的影响，表现出一定的不确定性。本文在对研究区海水及海冰反照率信息统计分析的基础上，对海冰厚度反演公式中αsea、αmax等参数进行修正。从得到的初步验证结果来看，基本上符合渤海葫芦岛海域海冰分布的实际情况，可以为海冰资源的监测利用提供参考数据。

本文提出了基于ZY-3的海冰冰厚的遥感估算方法，包括海冰结冰范围提取以及海冰厚度反演，这只是对海冰监测的基础性工作，还有许多工作需要深入：

(1)利用卫星数据推导海冰反照率是对海冰进行定量研究的前提。如何准确地对海冰反照率进行反演是急需进一步讨论的问题。

(2)海冰冰厚遥感估算精度的验证是今后需要进一步探讨的问题。通过实地测量冰厚并与遥感估算冰厚值做对比分析是方法之一，但该方法需要在范围较大的海冰区内进行大量的实测工作；另一种方法是通过实验室或采冰现场进行光谱测量，绘制光谱曲线，建立渤海海冰厚与反照率关系的经验曲线，利用其与本文提到的冰厚-反照率指数曲线得到的相关系数推论遥感估算冰厚的精度。

(3)准确识别海冰和积雪覆盖是海冰信息提取的重要部分。

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