王 寧,紀永剛,張 晰,梁 建,宋平艦,魯統(tǒng)臻
(1.國家海洋局北海預報中心,山東青島266033;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島 266071)
基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰遙感探測系統(tǒng)的設計
王 寧1,2,紀永剛2,張 晰2,梁 建2,宋平艦2,魯統(tǒng)臻2
(1.國家海洋局北海預報中心,山東青島266033;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島 266071)
為了滿足渤海海冰預報業(yè)務化的需求,針對渤海海冰和MODIS數(shù)據(jù)的特點,結(jié)合MODIS-TERRA數(shù)據(jù),編程實現(xiàn)了基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰遙感探測系統(tǒng)。系統(tǒng)以IDL和Visual C++作為開發(fā)語言,為海冰信息提取提供了一個統(tǒng)一的平臺,實現(xiàn)了海冰面積、海冰外緣線、海冰厚度和海冰密集度信息提取,并以專題圖和數(shù)值的形式輸出結(jié)果。通過對該系統(tǒng)的試應用可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)得到的產(chǎn)品與實際預期是一致的?;贛ODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰遙感探測系統(tǒng)的設計,為海冰預報業(yè)務部門及時、快速地獲得海冰產(chǎn)品,提高海冰預報效率,開展衛(wèi)星遙感監(jiān)測海冰業(yè)務化運行提供了保障。
MODIS;海冰;探測系統(tǒng);IDL;Visual C++
國家海洋局北海預報中心作為海洋局業(yè)務部門,負責發(fā)布渤海、黃海、東海北部海區(qū)海洋環(huán)境預報,海冰預報是其中一項重要的預報。要做到準確的海冰冰情預測,首先需要實現(xiàn)海冰參數(shù)及時、準確地獲取。
傳統(tǒng)的海冰監(jiān)測方法包括海洋站觀測、沿岸或冰區(qū)冰情調(diào)查、雷達測冰等,這些方法受到空間和時間的限制,特別是在大范圍空間信息獲取、時間動態(tài)監(jiān)測以及數(shù)據(jù)更新等方面無法滿足現(xiàn)實工作的要求。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,我國充分利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對海冰進行遙感監(jiān)測。我中心現(xiàn)有的DVBS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng),可以接收處理準實時的MODIS-TERRA/AQUA衛(wèi)星數(shù)據(jù),為海冰業(yè)務化監(jiān)測提供了條件。
MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨率成像光譜輻射計)是搭載于美國EOS系列衛(wèi)星上的一個重要傳感器,具有36個可見光-紅外光譜波段,空間分辨率分別為250 m,500 m和1000 m。MODIS是新一代的衛(wèi)星遙感信息源,與NOAA/AVHRR相比,MODIS在通道和分辨率上都有了很大的改進。加上數(shù)據(jù)以每天上、下午的頻率采集和免費接收的數(shù)據(jù)獲取政策,使得MODIS數(shù)據(jù)成為海洋環(huán)境監(jiān)測中不可多得的數(shù)據(jù)資源。對于中國的海冰監(jiān)測來說,MODIS是海冰遙感監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)源之一,對于海冰信息提取具有極高的價值[1]。
本單位已利用MODIS數(shù)據(jù)開展了海冰參數(shù)信息的提取工作,但這些信息是靠人工獲取的,如,海冰外緣線是利用現(xiàn)有的DVBS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)接收處理的數(shù)據(jù)經(jīng)過人工判讀來獲取;海冰密集度、海冰冰量是海洋站觀測人員目測的結(jié)果,通過目測的海冰冰型推測出海冰厚度的大體范圍。這樣得到的結(jié)果誤差較大,而且速度慢,不能實時地反映海冰的變化情況,無法滿足海冰預報及時、準確的要求;已有的基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰參數(shù)提取方法主要是用于極地或高緯度結(jié)冰區(qū)域。
綜上所述,本單位需要根據(jù)渤海海域海冰的特點,開展基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰重要參數(shù)提取技術(shù)研究,開發(fā)基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰探測系統(tǒng),利用DVBS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)處理得到的LD2格式數(shù)據(jù),提供海冰外緣線、海冰面積、海冰冰厚、海冰密集度等參數(shù),為海冰監(jiān)測和海冰災害評估提供參考數(shù)據(jù),從而為海冰預報提供服務,使其能夠更加準確地預報海冰災害來臨,實時監(jiān)控災情發(fā)展,為災害的防控提供強有力的支持。
研發(fā)系統(tǒng)的主要目的是為業(yè)務化海冰預報提供準實時的、準確的海冰參數(shù)。因此,系統(tǒng)功能設計應以緊貼海冰業(yè)務化需求為目標,滿足以下需求:
(1)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)提取海冰面積、海冰外緣線、海冰厚度和海冰密集度信息;
(2)系統(tǒng)提取結(jié)果的準確率必須滿足海冰預報業(yè)務化的需要;
圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖
(3)能夠?qū)v史的提取結(jié)果進行查詢、統(tǒng)計分析;
(4)以專題圖和數(shù)據(jù)的形式輸出系統(tǒng)提取的結(jié)果;
(5)人性化、智能化設計要貫穿全過程,且界面要友好。
基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰探測系統(tǒng)具有跨平臺操作特性。系統(tǒng)采用C/S模式運行的應用系統(tǒng),利用IDL和Visual C++6.0開發(fā)而成,可運行于不同的軟硬件環(huán)境,并且可以進行移植[2]。流程圖見圖1。
基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰探測系統(tǒng)的主要功能有:數(shù)據(jù)導入、信息提取、專題圖制作等功能。其中信息提取包括:海冰檢測、海冰外緣線提取、海冰厚度提取、海冰密集度提取;專題圖制作包括:疊加經(jīng)緯網(wǎng)格、海冰面積、海冰外緣線、海冰厚度專題圖;數(shù)據(jù)信息輸出包括海冰位置、海冰厚度等信息。
從LD2數(shù)據(jù)提取相關(guān)的可見光通道數(shù)據(jù),從與其同名的頭文件中提取定標定位數(shù)據(jù),根據(jù)定標模型和相關(guān)參數(shù)對其進行定標計算,然后進行可見光通道合成,形成海冰真彩色圖像,本系統(tǒng)中真彩色合成通道為1,4,3通道。
2.2.1 海冰檢測
根據(jù)海冰預報業(yè)務的需求和渤海海域海冰的特點,本功能既可進行整個渤海海域的冰水識別,也可將渤海海域分成3個區(qū)域(遼東灣、渤海灣和萊州灣)分別進行冰水識別。
如果選擇全渤海,為了減少懸浮泥沙對海冰識別的影響[3],系統(tǒng)自動將其分為3個區(qū)域,可分別設置海冰檢測閾值,提取海冰,然后合并三區(qū)域,輸出顯示全渤海海冰數(shù)據(jù);如果選擇3個區(qū)域中的一塊,按照各子區(qū)域的經(jīng)緯度范圍裁切子區(qū)塊,并顯示裁切區(qū)域的三通道合成結(jié)果。讀取子區(qū)域閾值進行海冰檢測,輸出顯示海冰數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)將海冰檢測結(jié)果以二值圖的形式輸出為ENVI標準格式文件(.img)。
根據(jù)海冰的反射率特征[4],海冰和海水通過目視解譯就可從MODIS彩色圖像上區(qū)分出來,所以,將冰水識別結(jié)果與MODIS彩色圖像進行比較即可得到冰水識別結(jié)果是否準確。
對2009年1月13日MODIS數(shù)據(jù),利用海冰檢測的方法,得到(見圖2)海冰檢測結(jié)果。2.2.2 海冰外緣線提取
在冰水識別的基礎上,根據(jù)用戶的需要選擇是否對當前結(jié)果進行圖像變換和圖像分割[5]。如果用戶需要進行圖像變換和圖像分割,則調(diào)用圖像分割程序,設置圖像分割閾值,分割圖像,然后進行邊緣檢測[6],提取海冰外緣線,并顯示結(jié)果;如果用戶不需要進行圖像分割,直接進行邊緣檢測,提取海冰外緣線,并顯示結(jié)果。
在日常的海冰調(diào)查中,海冰外緣線是利用飛機或船舶進行現(xiàn)場調(diào)查。由于條件限制,飛機或船舶不能獲得與衛(wèi)星同步的海冰外緣線資料,而且飛機或船舶獲得的外緣線資料只是針對部分海域,不能在MODIS圖像上很好地反映出來。最好的驗證外緣線的方法是利用MODIS數(shù)據(jù)的反射率特征,通過目測的方式得到海冰外緣線。選用2009年1月26日11點04分MODIS數(shù)據(jù),結(jié)果見圖3。
2.2.3 海冰厚度提取
本系統(tǒng)采用謝峰[7]等的研究方法,利用海冰厚度反照率公式提取海冰厚度信息。公式如下:
式中,α()h是海冰對太陽短波輻射波段的反照率,它是一個隨冰厚變化的數(shù)值[8],為海水反照率,取為0.1;μα是關(guān)于反照率的衰減系數(shù),應用謝峰等的研究方法,利用葫蘆島港和鲅魚圈港的實測氣象數(shù)據(jù)和海冰厚度數(shù)據(jù),根據(jù)凍結(jié)(融)冰度日法計算μα。經(jīng)計算,取μα的平均值為1.209。
本文選用2008年1月30日10點27分的MODIS數(shù)據(jù)提取遼東灣海冰厚度,厚度分布結(jié)果見圖4。
根據(jù)國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心提供的2008年1月30日鲅魚圈海域雷達海冰監(jiān)測結(jié)果可知,該海域沿岸固定冰,平整單層冰厚度一般為20~25 cm;海上流冰冰型以尼羅冰、冰皮和灰冰為主,厚度一般為5~10 cm。根據(jù)圖4的海冰分布顯示,在鲅魚圈附近海域冰厚范圍是5~25 cm,這與雷達監(jiān)測結(jié)果是基本一致的,說明冰厚反演結(jié)果與實際冰情是基本相符合的。
2.2.4 海冰密集度提取
根據(jù)海冰預報業(yè)務的需求,海冰密集度定義為一定區(qū)域內(nèi)流冰覆蓋面積占流冰分布海面的成數(shù)[9]。
各類海冰的可見光近紅外實測反射波譜表明,隨冰型、冰面粗糙度狀況的不同,海冰在0.4~0.7 μm處反射率遠高于海水。因此,在冰水識別的基礎上,選擇MODIS第1通道數(shù)據(jù)進行海冰密集度監(jiān)測。采用以下公式計算密集度:
式中,S冰為選取海域內(nèi)海冰面積,S總為選取海域內(nèi)海冰和海水的總面積,P為海冰密集度。
本文的海冰密集度是根據(jù)海冰預報業(yè)務的需求設計的,用鼠標選擇需要計算密集度的海域,在屏幕右側(cè)顯示選擇的海域范圍和密集度結(jié)果。具體實現(xiàn)見圖5。
根據(jù)海冰預報業(yè)務對海冰產(chǎn)品的需求,本功能主要輸出以下內(nèi)容:疊加經(jīng)緯網(wǎng)格的遙感數(shù)據(jù)圖、海冰面積專題圖、海冰外緣線專題圖、海冰厚度專題圖,并支持保存和打印圖片文件。
圖2 MODIS假彩色合成圖與海冰檢測結(jié)果
圖3 MODIS假彩色合成圖與海冰外緣線產(chǎn)品結(jié)果
圖4 MODIS假彩色合成圖與海冰厚度產(chǎn)品結(jié)果
圖5 海冰密集度計算
圖6 海冰厚度專題圖
圖7 兩點間距離計算
該功能實現(xiàn)計算海冰外緣線距灣底的距離,用戶用鼠標畫出兩點間的直線或在對話框中輸入起始點和終點的經(jīng)緯度,計算兩點間直線距離。系統(tǒng)實現(xiàn)見圖7。
本文計算直線距離的公式利用GIS中根據(jù)兩點經(jīng)緯度計算距離公式計算,得到的是地球表面兩點間的實際距離。
針對海冰預報業(yè)務化的需求,并結(jié)合MODIS數(shù)據(jù)渤海海冰的特點,本文設計了基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰探測系統(tǒng),實現(xiàn)了海冰信息提取和產(chǎn)品的輸出。
該系統(tǒng)基于C/S結(jié)構(gòu),具有界面友好、操作簡便、響應速度快,系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定可靠,系統(tǒng)兼容性高。通過該系統(tǒng)的應用可以發(fā)現(xiàn),所設計的系統(tǒng)能夠迅速、準確地獲得適合渤海海域海冰參數(shù)。
未來將不斷吸納新的海冰參數(shù)提取方法,使系統(tǒng)逐步完善,完善查詢統(tǒng)計分析模塊。
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P731
A
1003-0239(2011)01-0033-06
2010-04-14
國家“863”遙感海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)(2007AA092102)
王寧(1978-),女,工程師,從事海洋遙感應用研究。E-mail:wn780324@126.com