高时间分辨率遥感影像中渤海海冰信息的提取总体研究

1、高时间分辨率遥感影像中渤海海冰信息的提取总体研究 前 言全球海冰主要分布在以南极洲陆地为中心的南大洋，以北极中心水域为主的北冰洋，以及包括波罗的海、鄂霍次克海、白令海、哈德逊海、库克湾、芬兰湾和黄海、渤海等海域的北半球亚极区。北半球南半球前 言渤海是北半球纬度最低的结冰海域。渤海长约300n mile（东北西南向），宽约187n mile（东西向），面积约为82700km2，平均水深18m，最大水深78m。渤海海冰生肖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。渤海冰情概述北极3741N渤海冰期渤海冰情等级前 言前 言国际上海冰研究历史较早，研究内容包括了海冰物理、力学性质及其工程

2、应用；海冰生消、运动的热力学、动力学过程及海冰监测与预报等方面；以及随后开展的海冰与全球变化、海冰生态系统等方面。我国海冰的研究起步较晚，主要是为了解决渤海和黄海北部海洋工程设计中冰荷载和海冰灾害的预警等问题而开展。近年来，为了解决环渤海地区的缺水问题，海冰资源化利用的相关研究也积极开展，这是在国际上没有先例的海冰研究方向。目前相关研究单位已经在海冰资源储量估算、海冰采集及淡化技术、海冰水农业利用等方面取得了进展。 海冰相关研究进展开展渤海海冰的资源性或灾害性研究，需要积累多种海冰参数的资料，结冰范围和厚度分布就是其中关键的参数。对于范围广、不断变化中的参数，只有高时间分辨率的卫星遥感技术才有

3、潜力提供具有时效性的信息。论文就是针对高时间分辨率的卫星遥感影像，主要是Modis和NOAA/AVHRR资料，应用相关的数字图像处理技术和分析室内外实验采集的海冰反射光谱数据，进行渤海海冰的结冰范围和厚度参数信息的提取研究。 前 言论文研究背景第二部分渤海结冰范围信息的提取研究结冰范围目前进行“冰水分离”的方法都是对整个渤海海区使用全局阈值或整体分类的方法。常规方法云；陆地；海水；海冰 可见光反射率红外辐射值可见光反射率与红外辐射值的比值全局阈值（统计直方图）对冬季渤海海区的影像进行不同类别数目的分类，结果显示都不能将海冰和海水区准确分开。因此在低空间分辨率和低光谱分辨率影像数据中，部分海冰像

4、元和海水像元在光谱特征中是混淆的，因为这不仅仅是低对比度的问题。整体分类（分类结果图，蓝色表示其中一个类别）据对系列海区影像的分析，渤海海区的悬浮物质的集中区域是基本上相对固定的，这提供了进行大分区可能。方法一：分区提取 渤海海区（渤海北部分区图）方法二：局地对比度（高分辨率影像）（低空间分辨率的海冰影像）（对象多边形） 同质化的图斑 基本信息单元特征信息：光谱、面积、纹理、同尺度相邻对象的关系、不同尺度对象的关系进行尺度20、10分割第一次分类第二次分类第三次分类1、分割2、分类（蓝色区域是海水类型对象，黄色区域是海冰类型对象，其他是未分类对象） （遥感成像过程）伪海冰像元 （1）（2）信号

5、采集包括两个过程，一是地物的电磁波信息传送到遥感平台，另一个过程是地物的电磁波信息经过传感器记录下来。 剔除方法 （卫星平台的系统响应函数及其逆处理过程） 影像的边界梯度线系统畸变因素函数的估计逆滤波 维纳滤波 海冰和海水相邻 水道和冰中湖1：海水区2：海冰区冰水混合像元 统计线性分解 方法一：TM降分辨率像元和MODIS混合像元的关系式 冰水混合像元的统计线性分解模型 冰水混合像元的研究区 A是包含该像元的海冰对象的灰度均值，B是有公共边界的海水对象的灰度均值。 局地端元线性分解 方法二：黑色多边形是影像对象的范围；蓝色是海水类型对象；黄色()、浅黄色()、土黄色()是海冰类型对象，其中黄色

6、为冰水交界的海冰类型对象。小结渤海结冰范围信息的提取第三部分海冰厚度参数的光谱特征实验研究 目前冰厚反射率模型存在的问题 国内外研究中，针对一年生海冰厚度的估算都把相当注意力放在了冰体可见光反射率信息上，但是这些研究既没有建立相关的基础物理理论，也没有渤海海区现场的有关冰厚变化的有效基础数据集及据此建立的相关关系模型，此外用来检验和建立模型的卫星同步大范围的实时观测数据也很缺乏。以往通过反射率计算冰厚的方法，实际上都不能真正确定两种信息之间联系的具体形式。前期实验建立了对海冰光谱特征的基本认识，共进行了室内淡水冻结成冰实验、室内海水冻结成冰实验、室内海冰样本实验、室外盐池平整冰实验。基础实验是

7、在2003/3004、2004/2005、2005/2006连续三个冰季在渤海东北部海区现场进行。实验研究的目的是采集渤海海冰反射光谱的测量数据，及冰厚的现场实测数据，以期能较客观、准确的认识渤海海冰厚度与其反射率之间的相关关系，并建立基于遥感数据关系模型。海冰光谱特征的实验研究计划人工淡水冰人工海水冰自然海冰室外盐池海冰前期实验 初步认识 （室内海冰光谱）（盐池海冰光谱） 海冰光谱曲线的形状特征 海冰光谱曲线随厚度变化的规律性 基本冰型鲅鱼圈位于渤海的东北角，是整个渤海冰情最重、最稳定的海区之一。实验地点 4018N12206E冬季平均水温表层海水盐度平均初冰日平均终冰日平均冰期固定冰平均厚

8、度-1.5 -1.025.930.011月17日3月24日128天38.3cm （鲅鱼圈地理位置及附近海区的TM影像） 单层平整冰在渤海中最先出现，是气水冰界面间热力作用最直接的体现，其他各种构造形态的冰都是由不同厚度（或不同时期的）平整冰破碎后重组再继续发展的。因此单层平整冰是揭示一年生海冰的本质光谱信息的最基本冰型。自然环境中外界干扰是客观存在，较常见的是冰上覆盖有薄薄的积雪，在日光下融化后在夜间又冻结，和表层冰胶合在一起，形成特殊的表面层；另一种情况是，冻结的海水比较混浊，冻结形成的海冰冰体中含有很多的泥沙等杂质。影响海冰光谱的因素 (光谱测量)(厚度测量)实验工作2004年实验现场20

9、05年实验现场实验过程 光谱测量时天气晴朗，风速较小，时间范围在中午11：00-13：00，距海冰表面40cm处垂直角度测定；在其前后准同步测量参考板反射太阳辐射光谱的平均值。以测试点为中心5050cm面积的整个冰块从冰盘中切割下，测量四周的厚度取平均值作为该点的厚度，单位cm。共进行170个现场冰洞样本的光谱测量，包括09cm厚度的样本42个、1019cm厚度的样本90个、2035cm厚度样本36个 。实验过程 洁净平整冰光谱反射曲线的5个特征光谱区间。（渤海不同厚度的洁净平整冰的反射光谱曲线） 560600nm10701130nm1030nm附近800nm附近900nm附近（测试样本的反射

10、光谱与厚度的对比关系 ）（测试样本的可见光反射率的平均值随厚度变化的规律）3-8cm厚度范围内的样本的厚度变化和可见光反射率变化之间没有确定的关系，不能通过后者反映前者的变化；3-10cm厚度范围内的样本的厚度变化和可见光反射率变化之间有趋势性的关系，但相关关系不是完全确定；从3-10cm、3-11cm、3-12cm、3-36cm厚度范围，样本的厚度变化和可见光反射率变化之间有确定的关系，能通过后者反映前者的变化。（从3cm厚度开始的冰厚与可见光反射率相关分析） （从10cm厚度开始的冰厚与可见光反射率相关分析） （表面有积雪覆盖的相似厚度的海冰样本反射光谱曲线 ）（冰体内含有泥沙的冰样和洁净

11、冰样的反射光谱曲线对比） （洁净样本和非洁净样本反射曲线的导数波形分析 ）630-660nm690-785nm815-915nm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。在总体水平上随着厚度增加，在可见光波段海冰反射率是一种非线性的递增趋势；在连续厚度增加变化中，可见光反射率并不是连续变化的过程，而是表现为一种阶梯状递增的形式，并分出了39cm，1020cm，2036cm三个层次，其最大值在附近。渤海海冰光谱特征第四部分冬季渤海的海冰厚度信息提取研究 自然状态下进行平整冰光谱测试实验： 乘坐破冰船深入海区； 沿岸固定冰光谱测量。实验过

12、程渤 海海上实验路线和采样点沿岸光谱实验点海上实验过程光谱测量定位和雷达扫描调整航向相关气象参数记录实验过程人工搬运网兜绳套（样本采集）实验结果（海上卫星同步实验样本的反射光谱曲线） 洁净平整尼罗冰的可见光反射峰值是左右。含有悬沙的尼罗冰和莲叶冰的可见光反射峰值分布在间，它们对应的厚度范围在5-9cm。含有悬沙的灰冰的可见光反射峰值分布在之间，对应的厚度范围在10-16cm。含有悬沙的灰白冰的可见光反射峰值分布在之间，对应的厚度范围在26-38cm。堆积冰和积雪总是结合在一起，因此反射光谱曲线形状和积雪相似，没有明显的反射峰值点，可见光反射峰水平大于，最大达到。实验观测到的沿岸固定冰厚度分布在

13、47-95cm，其反射峰水平和堆积冰、积雪交错，但是有反射峰值点，可见光反射峰值大于，最大达到。统计回归的冰厚与卫星数据的可见光通道的灰度值间相关关系的算法；海边通过目视观测，确定可观测范围内的各种冰型，以此估算海冰的厚度；确定各种冰型与卫星数据的可见光通道的灰度值间对应关系，以此估算海冰的厚度。海冰厚度的计算和观测方法冰 型定 义尼罗冰厚度在10厘米之内，能产生指状重叠的薄冰层。莲叶冰厚度在10厘米之内，直径在0.3-3米范围内的圆形冰块灰冰厚度在10-15厘米的初期冰，受到挤压时发生重叠灰白冰厚度在15-30厘米，受到挤压时大多成脊白冰厚度在30-70厘米的一年冰（TM、AVHRR及Mod

14、is数据可见光各通道对应的海冰反射光谱的位置） 可见光反射率值与样本厚度的相关性分析 ModisNOAA/AVHRRTMTM数据Modis数据（典型影像通道可见光反射率值变化的标准差分析） 根据标准差最小原则，选择TM数据的第2波段、Modis数据的第4波段作为划分厚度范围的参数；根据标准差最大原则，以TM数据的第3波段与第2波段之比、Modis数据的第1波段与第4波段之比作为判读是否洁净的参数；根据厚冰的近红外波段稳定性相比高的规律，以TM数据的第3波段与第4波段之比、Modis数据的第1波段与第2波段之比作为区分堆积冰、积雪与沿岸固定冰的参数。海冰厚度信息的最佳波段选择第一天次日（连续影像

15、中实验样区及其厚度范围划分结果） （同步实测点对应的Modis数据反射率百分比分布图及冰型分界范围）基于遥感数据提取厚度相关信息的步骤针对Modis数据，以第4波段反射率作参数，小于9.6%的海冰像元属于尼罗冰、莲叶冰（包括洁净尼罗冰），在9.7%10.3%范围内的海冰像元属于灰冰，在10.4%12%范围内的海冰像元属于灰白冰，大于12.1%的海冰像元属于堆积冰、积雪及沿岸固定冰类型，最大值在23.5%左右。基于遥感数据提取厚度相关信息的步骤 （同步实测点位置及对应的影像厚度范围划分） 第一步，确定对应波段的冰型划分分界点值。第二步，识别洁净冰型，修正其所对应的厚度范围。基于遥感数据提取厚度相

16、关信息的步骤 （洁净平整冰提取结果示意图） 第三步，识别沿岸固定冰冰型，修正其所对应的厚度范围。基于遥感数据提取厚度相关信息的步骤 （沿岸固定冰提取结果示意图）检验论文研究对最敏感光谱范围的确定，及对反射率值按冰型类型划分值域范围的准确性。针对Modis数据的渤海海冰厚度信息提取方法的验证 2006年1月22日（同步实测点位置及对应的影像厚度范围划分）NOAA/AVHRR影像的冰厚信息提取分析 选择2002年1月23日的影像进行分析。AVHRR影像第1通道的划分范围是对比Modis影像的冰厚信息提取结果来确定的，划分范围是尼罗冰、莲叶冰（反射率值：）、灰冰（反射率值：）、灰白冰（反射率值：）、

17、堆积冰、积雪（反射率值：）。陆地陆地ModisAVHRR建立分类类型定义 渤海北部典型冰情分析 2001/2002、2002/2003、2004/2005三个冬季典型冰情类型图尼罗冰、莲叶冰和灰冰是近年来分布最广的冰型，随着厚度范围层级的提升，其分布面积不断减小。（冰型叠加分类的类型像元总数统计 ）结论和讨论结论 1 论文采取两种方法来实现高时间分辨率影像中结冰范围信息准确提取；为提高信息提取的精度，采用成像模型逆处理的方法剔除伪海冰像元，采用动态确定端元的方法对冰水混合像元的线性分解。 对于洁净的单层平整冰，随着其厚度的增加，总体水平上在可见光反射率是随之呈非线性的递增趋势；在厚度的连续增加变化中，反射率并不是连续变化的过程，而是表现为一种阶梯状递增的形式，并分出了39cm，1019cm，2036cm三个层次，其最大值在附近。结论 2 根据海上自然海冰的反射光谱实验分析，论文首先筛选出针对海冰厚度信息提取的最佳遥感波段（Modis：CH4），提出了基于该波段厚度范围的划分界线值；通过两个波段的比值信息，进行洁净冰型和沿岸固定冰型的厚度范围区间的调整。结论 3 对于冰厚信息提取，基于可见光反射率的方法比较有效的领域是薄冰（厚度小于40cm）和裸冰（无积雪、污染物覆盖），对厚冰和有积雪覆盖误差明显增大。