朱海天，曾韜，梁超，梅涂術，孫從容

（1.國家衛(wèi)星海洋應用中心，北京100081；2.中國科學院遙感應用研究所，北京 100101）

衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測系統(tǒng)在渤海海冰監(jiān)測中的應用

朱海天1,2，曾韜1，梁超1，梅涂術1，孫從容1

（1.國家衛(wèi)星海洋應用中心，北京100081；2.中國科學院遙感應用研究所，北京 100101）

海冰是渤海冬季常見的一種海洋災害，對渤海海冰的監(jiān)測是海洋防災減災的重要一環(huán)。本文初步分析了衛(wèi)星遙感監(jiān)測渤海海冰的能力，介紹了一種結(jié)合多遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的海冰監(jiān)測系統(tǒng)的搭建方法，該系統(tǒng)實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)輸入、預處理直至海冰信息提取、成果輸出全過程的處理功能。最后介紹了該系統(tǒng)建成后在2010—2011年冬季渤海海冰監(jiān)測中的應用情況。

衛(wèi)星遙感；海冰；監(jiān)測系統(tǒng)

1 引言

我國的渤海和黃海北部近岸海域，每年冬季都有海冰出現(xiàn)。由于每年冬季的氣候條件不同，各年的冰情互有差異。一般年份，我國海冰出現(xiàn)的范圍較小，持續(xù)時間較短，厚度較薄，海冰對航運交通和其他海上活動沒有什么影響。然而，在異常寒冷的冬季，渤海和黃海北部沿岸港口和航道會被堅冰封鎖，廣大海面被厚冰覆蓋，導致船只阻滯冰中，航運被迫中斷，海上生產(chǎn)被迫停止，海洋工程設施遭冰損壞，從而造成海冰災害[1]。其中1969年，渤海的發(fā)生特大海冰災害，整個渤海海面幾乎全被海冰覆蓋，冰的厚度大、冰質(zhì)堅硬。海冰推倒海上石油平臺，使塘沽、秦皇島、葫蘆島、營口和龍口等港口的海上交通運輸處于癱瘓狀態(tài)，經(jīng)濟損失嚴重[2]。2009年冬季，渤、黃海出現(xiàn)了30年以來最嚴重的海冰災害，據(jù)山東省海洋與漁業(yè)廳不完全統(tǒng)計，僅山東省漁業(yè)直接經(jīng)濟損失就超過22億元，受災漁民損失慘重。

就海冰的觀測手段而言，長期以來主要依賴于固定觀測站、沿岸海冰調(diào)查及破冰船走航調(diào)查，這些手段雖然可以獲得某一地區(qū)較詳細的海冰信息，但是卻難以獲得實時、大面積的觀測數(shù)據(jù)。而這些實時、大面積觀測數(shù)據(jù)正是海冰災害預警預報的重要依據(jù)。近年來，隨著遙感技術的發(fā)展，衛(wèi)星遙感已經(jīng)逐步成為一種高效的海冰觀測手段。

2 衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測系統(tǒng)簡介

2.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測海冰的能力

目前，利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測海冰主要分為兩大類，一類基于可見光遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，另一類則基于微波遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。可見光衛(wèi)星海冰監(jiān)測目前主要是以EOS-MODIS為代表的中低分辨率光學傳感器為主，這類傳感器獲取數(shù)據(jù)的幅面寬、重訪周期短、圖像直觀，對于監(jiān)測海冰的結(jié)冰、融冰過程十分有效。但是可見光傳感器較容易受天氣影響，無法實現(xiàn)全天候觀測。而近年來迅速發(fā)展的微波遙感，特別是合成孔徑雷達（SAR）則具有獨特的全天候、全天時成像能力，而且SAR數(shù)據(jù)包含著豐富的海洋信息，能對可見光數(shù)據(jù)提供有力的補充[3]。

國家衛(wèi)星海洋應用中心自2009年起，將可見光衛(wèi)星和SAR衛(wèi)星相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，開展渤海海冰的常規(guī)業(yè)務化監(jiān)測工作。

2.2 數(shù)據(jù)源

目前國家衛(wèi)星海洋應用中心主要利用國內(nèi)外多顆民用遙感衛(wèi)星開展業(yè)務化海冰業(yè)務化監(jiān)測工作，其中EOS-MODIS、HY-1B、ENVISAT-ASAR、RADARSAT-2衛(wèi)星主要用于大面積常規(guī)監(jiān)測，COSMO-SkyMed、環(huán)境一號、北京一號等數(shù)據(jù)主要用來開展重點海灣的加密觀測。所用衛(wèi)星、載荷以及監(jiān)測內(nèi)容等基本特性見表1：

2.3 衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測系統(tǒng)

國家衛(wèi)星海洋應用中心建立的衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測系統(tǒng)，主要是利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，近實時獲取的渤海海冰分布范圍、面積、冰型、密集度等海冰監(jiān)測信息，利用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進行算法驗證和訂正。該監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測流程見圖1，實現(xiàn)的主要功能包括：

（1）開發(fā)海冰遙感業(yè)務可視化平臺，支持EOS-MODIS、 HY-1B、 ENVISAT-ASAR、 RADARSAT-2、COSMO-SkyMed、環(huán)境一號、北京一號等數(shù)據(jù)的輸入；

表1 海冰監(jiān)測所用衛(wèi)星基本特性

（2）建立海冰識別模型，提取海冰外緣線信息；

（3）支持海冰識別模型的半自動訂正，包括修改，剔除、合并、邊緣矢量化等功能；

（4）計算海冰外緣線近陸距離及海冰密集度等相關信息；

（5）利用專題制圖工具，自動生產(chǎn)向各級用戶及公眾發(fā)布的渤海和黃海北部區(qū)域及各重點區(qū)域的專題圖以及監(jiān)測通報。

2.3.1數(shù)據(jù)管理模塊

實現(xiàn)對GeoTIFF、ERDAS IMAGE、JPEG等標準柵格數(shù)據(jù)、Shapefile格式矢量數(shù)據(jù)的的輸入、輸出及管理，并按照日期生成每日的產(chǎn)品數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)以及專題圖目錄，對海灣分區(qū)，云層、河流、海冰外源線、行政區(qū)劃等Shapefile文件進行管理。

2.3.2 數(shù)據(jù)預處理模塊

數(shù)據(jù)預處理模塊由數(shù)據(jù)讀取子模塊、數(shù)據(jù)預處理子模塊組成，主要功能是為海冰遙感監(jiān)測系統(tǒng)提供所需的各種格式的影像數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的兼容性。能對遙感數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)幾何校正、輻射校正、斑點噪聲過濾等預處理過程，為進行海冰識別做好準備。

2.3.3海冰識別模塊

對光學衛(wèi)星，利用其可見光、中紅外和遠紅外通道數(shù)據(jù)，結(jié)合海冰、海水、云在可見光、紅外通道的光譜特征，可進行海冰的識別和提取[4]。對SAR衛(wèi)星，主要是利用海冰在SAR圖像上的紋理特征進行海冰提取，主要采用灰度共生矩陣（GLCM），通過相異度、對比度、熵、角二階距等海冰的紋理統(tǒng)計特征量開展海冰的檢測與提取工作[5]，進而獲取海冰分布范圍、面積、冰型、密集度、外緣線等信息。

2.3.4海冰識別訂正模塊

利用自動識別模塊完成海冰的自動識別完成以后，由于渤海海冰類型復雜，現(xiàn)有算法尚在不斷完善中，尚不能完全實現(xiàn)渤海海冰信息的完全自動化識別。因此，需使用半自動訂正模塊，根據(jù)專家知識對感興趣區(qū)的海冰進行手動、半自動提取和篩選功能。

2.3.5成果制作模塊

利用遙感算法提取出的海冰專題制圖產(chǎn)品和GIS專題制圖工具，形成渤海海灣、黃海北北部、萊州灣、遼東灣以及任意感興趣區(qū)的專題圖產(chǎn)品，供發(fā)布使用，并按相關規(guī)范計算浮冰外緣線近陸距離及海冰密集度，最終形成海冰產(chǎn)品專題圖及監(jiān)測報告。

3 監(jiān)測系統(tǒng)在2010—2011年冬季海冰監(jiān)測中的應用

自上世紀90年代以來，渤海初冰日平均為12月初[6]。因此監(jiān)測系統(tǒng)自2010年11月下旬開始利用EOS-MODIS和ENVISAT衛(wèi)星進行預警性監(jiān)測。2010年12月11日衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到遼東灣底部開始出現(xiàn)海冰，2010—2011年冬季渤海海冰監(jiān)測工作正式啟動。12月11日渤海出現(xiàn)海冰后，隨著氣溫的降低，黃海北部、渤海灣和萊州灣也相繼出現(xiàn)海冰，海冰分布面積逐漸加大。至1月15日，遼東灣浮冰外緣線超過60 nm，達到海冰警報級別。1月30日監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到渤海、黃海北部海冰總面積達到本次海冰監(jiān)測的最大值，其中渤海海冰分布面占渤海海冰總面積的47%。隨著氣溫的回升，1月下旬至2月上旬海冰面積有所減少，2月6日渤海各監(jiān)測區(qū)均解除海冰警報。2月10日受冷空氣的影響，遼東灣又達到了海冰警報級別，之后隨著氣溫回升，海冰融化較快，2月16日海冰警報解除。2月中旬至三月上旬，渤海開始逐漸融化，至3月10日海冰全部融化。

2010—2011年渤海海冰監(jiān)測中，國家衛(wèi)星海洋應用中心利用多顆光學及SAR衛(wèi)星，制作并發(fā)布了衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測通報93期，監(jiān)測通報示例見圖2，專題圖示例見圖3。向國家海洋局、國家海洋環(huán)境預報中心、北海分局、環(huán)渤海省市的相關單位定向提供了海冰冰清服務，并通過網(wǎng)站向社會公眾發(fā)布海冰信息，為渤海海冰防災減災發(fā)揮了重要的作用。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

圖2 監(jiān)測通報示例

總的看來，光學衛(wèi)星如HY-1B、EOS-MODIS，由于具有覆蓋面積大、數(shù)據(jù)免費的優(yōu)勢，在大面積常規(guī)監(jiān)測方面有著重要的作用。但是該類衛(wèi)星受分辨率限制，監(jiān)測精細程度不夠，在針對重點港灣、石油平臺的精細化監(jiān)測中尤其顯得力不從心，而且光學衛(wèi)星易受云霧等天氣條件影響，單一依靠光學衛(wèi)星無法保證冰期的不間斷監(jiān)測。SAR衛(wèi)星則具有和光學衛(wèi)星互補的特點，首先SAR衛(wèi)星不受天氣因素影像，可以全天候工作，保障冰期的不間斷監(jiān)測，其次SAR衛(wèi)星具有高分辨率成像模式，可以針對重點區(qū)域進行精細監(jiān)測。目前在軌運行的商用SAR衛(wèi)星多達8顆，通過多星之間的組合調(diào)配，完全有能力實現(xiàn)對渤海重點區(qū)域組成一個高空間分辨率、高時間分辨率的衛(wèi)星觀測網(wǎng)。但是由于目前商用SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)均依賴國外衛(wèi)星，價格昂貴，監(jiān)測成本高，在經(jīng)費有限的條件下難以得到廣泛的應用。因此，現(xiàn)階段渤海海冰衛(wèi)星遙感監(jiān)測主要采用以光學衛(wèi)星為主，結(jié)合SAR衛(wèi)星輔助監(jiān)測的模式，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，實現(xiàn)有限經(jīng)費下的最優(yōu)化監(jiān)測。

圖3 專題圖示例

4 小結(jié)

本系統(tǒng)基于ArcGIS Engine平臺開發(fā)，界面友好，功能較齊全，同時模塊化的設計使系統(tǒng)具有很好的可擴展性。本系統(tǒng)的建成和應用，實現(xiàn)了渤海海冰的業(yè)務化監(jiān)測工作，已經(jīng)在2010—2011年渤海冬季海冰監(jiān)測工作中發(fā)揮了重要作用。但是，由于渤海海冰受氣溫多變、潮汐碰撞等原因影響，具有十分復雜的特性，目前的識別算法尚不能完全滿足全自動業(yè)務化監(jiān)測的需要，監(jiān)測結(jié)果還需要通過專家知識進行修正。未來將結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查資料更好的完善海冰提取識別方法，使系統(tǒng)一步步朝著自動業(yè)務化監(jiān)測的方向發(fā)展。

[1]張方儉,費立淑.我國的海冰災害及其防御[J].海洋通報,1994,13(5):75-83.

[2]李志軍.渤海海冰災害和人類活動之間的關系[J].海洋預報,2010,27(1):8-12.

[3]Johannessen O M,et al.Remote Sensing of Sea Ice in the Northern Sea Route[M].New York:Springer,2007.

[4] 吳奎橋,徐瑩,郝軼萌.MODIS數(shù)據(jù)在海冰遙感中的應用[J].海洋預報,2005,22(Z1):44-49.

[5]張晰,張杰,紀永剛.基于紋理特征分析的遼東灣SAR影像海冰檢測[J].海洋科學進展.2008,26(3):386-393.

[6]王相玉,張惠滋,嚴素等.渤、黃海北部海冰年代時空變化特征分析[J].海洋預報,2007,24(2):26-32.

Satellite remote sensing of sea ice monitoring system in the Bohai Sea

ZHU Hai-tian1,2，ZENG Tao1，LIANG Chao1，MEI Tu-shu1，SUN Cong-rong1

(1.National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081 China;2.Institute of Remote Sensing Applications Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101 China)

Sea ice is a common oceanic disaster in winter in the Bohai Sea,the monitoring of sea ice plays an important role in the disaster prevention and mitigation.This study is undertaken to analyze the ability of monitoring sea ice by satellite remote sensing,and details how to build a sea ice monitoring system based on multi-source satellite remote sensing data.Many components such as data imput,pre-processing,information extraction and output result were included in the monitoring system.Finally,the application of this system in the 2010—2011 winter was introduced as a demonstration.

satellite remote sensing;sea ice;monitoring system

P731

A

1003-0239（2011）06-0055-05

2011-04-11

國家海洋局青年海洋科學基金資助項目（2008428）；海洋公益行性行業(yè)科研專項（201105016）

朱海天(1981-)，男，助理研究員，研究方向為海洋遙感。E-mail:zht@mail.nsoas.gov.cn