多源数据检验南极AMSR-E海冰密集度产品精度

苏昊月，赵 羲

（1.武汉大学 中国南极测绘研究中心，湖北 武汉 430079）

多源数据检验南极AMSR-E海冰密集度产品精度

苏昊月1，赵 羲1

（1.武汉大学 中国南极测绘研究中心，湖北 武汉 430079）

根据船测方法在MODIS影像上提取模拟船测海冰密集度，并与船测数据联合验证AMSR-E海冰密集度产品。结果表明，AMSR-E海冰密集度与模拟船测海冰密集度的一致性高于其与船测海冰密集度，且相同时间、相同尺度下的海冰密集度之间一致性较高，不同时间、相同尺度下的海冰密集度之间存在不同程度的差异。

海冰密集度；海冰边界；MODIS；船测数据；南极

极地海冰对温度特别敏感，是全球气候变化的指示器。海冰边界是气-冰-水相互作用的区域，影响着热交换、物质平衡等[1]。从1978年开始，不受天气和昼夜影响的被动微波遥感数据被广泛应用于提取海冰密集度（SIC）、监测海冰范围变化[1-4]。国内外的研究主要是利用船测数据、光学遥感影像等验证海冰密集度产品的精度，Worby和Comiso用船测数据验证SSM/I（special sensor microwave imager）海冰密集度产品在海冰边界的精度，发现二者在海冰增长期的一致性高于融化期[2]；Cavalieri等则用10景MODIS影像验证了AMSR-E（advanced microwave scanning radiometer for the earth observing system）海冰密集度产品精度，发现二者的平均均方根误差在2%～24%之间，误差集中在边缘冰区[3]。这些研究大多是两组数据的验证分析，很少有多源数据的综合比较。本文首先依据船测方法在MODIS影像上提取模拟船测海冰密集度（simulated，SIC），再计算MODIS相应于12．5 km分辨率海冰密集度产品的海冰密集度（MODIS SIC），最后利用SIC、船测海冰密集度（ship SIC）验证了4种AMSR-E海冰密集度产品的精度。

1 数据与方法

1.1 AMSR-E海冰密集度产品

2002年5月发射升空的Aqua卫星上搭载着被动微波传感器AMSR-E，它提供了6个频率的双极化数据，空间分辨率从5 km到50 km。从美国冰雪中心网站上下载了AMSR-E/Aqua Daily L3 12．5 km Brightness Temperature, Sea Ice Concentration, & Snow Depth Polar Grids数据集，该数据集包括采用NASA Team 2算法（NT2）和Bootstrap 算法(BBA)的海冰密集度日平均（daily）数据和升轨（ascending）数据。

1.2 MODIS影像分类海冰

中分辨率成像光谱仪MODIS也搭载于Aqua卫星，有36个波段，分辨率从250 m到1 km。本文选取了4景MODIS/Aqua部分区域无云的影像，获取时间分别为2002-12-20、2003-10-19、2003-12-21和2005-02-18（图1）。MYD02-L1B数据下载自LAADS（atmosphere archive and distribution system）网站，其中500 m分辨率的3、4波段重采样到250 m，与1波段一致。这3个波段再进行几何校正、太阳天顶角校正、辐射定标，生成TOA（top-of-the-atmosphere）反射率。假设地面是朗伯体，单波段地表反照率与反射率近似相等，与MODIS对应的可见光TOA反照率的计算公式如下：

α=0.331B1+0.424B3+0.246B4

式中，B1、B3、B4分别为MODIS第1、3、4波段的TOA反射率[5]。

图1 MODIS影像位置示意图（来源：http://add.antarctica.ac.uk/）

本文采用阈值法对可见光TOA反照率进行划分。根据南极地表反照率测量结果[6]，将MODIS像素分为4类，即开阔海域、新冰、初期冰和一年冰，各类型的TOA反照率范围为：公开海域α＜0.12；新冰0.12≤α＜0.24；初期冰0.24≤α＜0.46；一年冰0.46≤α。

最后还需将海冰类型合并，生成海冰-非海冰二值图，用于提取模拟船测海冰密集度。

1.3 船测数据与模拟船测海冰密集度

船测数据基于ASPeCt（antarctic sea ice processes and climate）海冰目视观测标准获取，提供了以破冰船为中心、半径1 km范围内的海冰密集度、海冰类型、海冰厚度、浮冰尺寸等信息，是可靠的地面验证数据。本文所用船测数据来自1980～2005年间83次航海和2次直升机飞行的观测记录（下载自http://aspect．antarctica．gov．au/data/ASPECT_Allvoys_obs_mindist6．txt，其中用于分析比较的24个船测点对应上述4 d的MODIS影像）。

由于船测数据受时间、空间的制约，可用于验证海冰密集度产品精度的数据较少，如果依据ASPeCt船测方法，从MODIS影像上提取模拟船测海冰密集度，可获得较多的验证数据。船测方法观测的是半径1 km范围内的海冰情况，因此用一个9×9均值算子处理海冰-非海冰二值图上的每一个像素，计算81个像素中海冰所占的比例，得到新的250 m分辨率影像即为模拟船测海冰密集度影像。

图2 各种海冰密集度之间的相关关系

2 结果分析

2.1 海冰密集度验证与分析

在24个船测点的位置，一共统计了7种海冰密集度， 即NT2 Ascending、NT2 Daily、BBA Ascending、BBA Daily、Ship SIC、Simulated SIC和MODIS SIC。MODIS SIC是与12．5 km AMSR-E像素对应的海冰-非海冰二值图上50×50个MODIS像素中海冰像素所占比例。这7种SIC之间的相关关系见图2，实线代表线性回归趋势线，虚线代表横纵坐标轴相等的直线Y=X。

图2a、b中样点集中分布在Y=X直线左上方，AMSR-E海冰密集度产品高估了海冰密集度，且船测海冰密集度与AMSR-E海冰密集度线性关系较弱，同样是日平均数据，Bootsrap算法的相关系数大于NT2算法，更接近实际值。图2c、d是模拟船测海冰密集度与AMSR-E海冰密集度产品的相关关系，NT2算法和Bootstrap算法的R2分别为0．804 1和0．788 5，高于NT2、Bootstrap算法与船测海冰密集度的相关系数。船测数据与MODIS影像上模拟的船测数据的观测方式不一样，前者是地面目视观测，受观测者视野、观测经验等主观因素的影响，后者是基于遥感影像模拟的数据，与遥感影像反演的海冰密集度产品有相同的观测方式，更具有可比性，相关关系也会较高。

在图2e、f中，相同时间、相同尺度下NT2 Ascending SIC与BBA Ascending SIC以及MODIS SIC的相关关系均较高，R2分别为0．955 3和0．887 3。图2e中样点都分布在Y = X直线的左上方，且BBA-NT2的值都小于0，均值为-10，说明NT2算法生成的海冰密集度值大于Bootstrap算法。图2f表明，相对于MODIS SIC，NT2算法低估了海冰密集度。图2g、h是不同时间、相同尺度下海冰密集度的比较。图2g中NT2 Ascending SIC与NT2 Daily SIC的相关系数达到了0．986 8，影像获取时间的差异只引起了极其微小的变化，因为12．5 km的像素分辨率对海冰1 d内运动所产生的海冰密集度变化并不敏感。图2h实际船测SIC与模拟船测SIC存在很弱的线性关系，所有样点都在Y=X直线的左上方，说明模拟船测数据高估了海冰密集度。可能因为实际船测SIC与模拟船测SIC的测量时间不同，最大的时间差可以达到24 h，在2 km的像素分辨率下容易反映出海冰密集度的变化，同时，二者观测方式的不同也是导致差异的主要原因。

2.2 海冰边界分析

从被动微波遥感数据生成的海冰密集度产品上提取海冰范围时，通常将15%海冰密集度所在位置视为海冰边界[2,7]。船测数据中，在最北纬出现的海冰密集度大于等于10%的位置被视为海冰边界[2]。本文24个船测点中只有1个点属于海冰边界，该点对应2002-12-20的MODIS影像。图3为当日船测SIC、NT2 Daily、BBA Daily按照纬度变化的密集度曲线，图中垂直实线代表船测海冰边界位置，与坐标轴平行的虚线代表被动微波遥感海冰密集度产品区分海冰与海水的15%阈值。可以看出船测海冰边界处的NT2 Daily SIC为86%，BBA Daily SIC为63%，均不等于15%，且大于10%，说明在海冰边界处，被动微波遥感海冰密集度产品与船测边界不一致。在海冰边缘，海冰在风力作用下形成许多被海域分隔开的海冰带，表现为图3中船测海冰密集度的陡降、陡增无规律的变化，Bootatrap算法生成的海冰密集度更接近船测SIC。

图3 海冰密集度曲线图

3 结 语

本文通过比较分析7种海冰密集度发现，船测SIC与AMSR-E SIC的差异大于模拟船测SIC与AMSR-E SIC之间的差异，相同时间、相同尺度下的海冰密集度之间一致性较高，不同时间、相同尺度下的海冰密集度之间存在不同程度的差异。在小尺度的情况下，海冰在观测时间差内的运动能在一个像素中反映出来，导致较大的差异，而大尺度像素不能反映1 d内海冰的变化，往往差异较小。此外观测方式不同也会导致数据的不一致。海冰边界分析表明，AMSR-E海冰密集度产品的边界与船测边界不一致，南极海冰边界受多种因素的影响，会出现许多不规律的情形，用单一阈值确定海冰边界不够可靠。

[1] Ozsoy-Cicek B,Xie H,Ackley S F, et al．Antarctic Summer Sea Ice Concentration and Extent: Comparison of ODEN 2006 Ship Observations,Satellite Passive Microwave and NIC Sea Ice Chart[J]．The Cryosphere,2009(3):1-9

[2] Worby A P,Comiso J C．Studies of the Antarctic Sea Ice Edge and Ice Extent from Satellite and Ship Observations[J]．Remote Sensing of Environment,2004,92:98-111

[3] Cavalieri D J,Markus T,Hall D K,et al．Assessment of AMSR-E Antarctic Winter Sea-Ice Concentrations Using Aqua MODIS[J]．IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2010,48(9):3 331-3 339

[4] 席颖,孙波,李鑫．利用船测数据以及Landsat-7 ETM+影像评估南极海冰区AMSR-E海冰密集度[J]．遥感学报,2013,17(3):520- 526

[5] Liang S L, Shuey C J, Russ A ,et al．Narrowband to Broadband Conversions of Land Surface Albedo: II．Validation[J]． Remote Sensing of Environment,2002,84:25-41

[6] Brandt R E,Warren S G．Surface Albedo of the Antarctic Sea Ice Zone[J]．Journal of Climate,2005,18: 3 606-3 622

[7] 牟龙江,赵进平．格陵兰海海冰外缘线变化特征分析[J]．地球科学进展,2013,28(6):709-717

P237.9

B

1672-4623（2015）02-0033-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.013

苏昊月，硕士，研究方向为极地海冰遥感。

2014-05-28。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41301463）。