顏 鈺，邵冬冬，許映軍，顧 衛(wèi)

（1.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)民政部/教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；3.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；4.北京師范大學(xué)海岸帶與海冰研究中心，北京100875；5.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

海冰運(yùn)動(dòng)研究進(jìn)展綜述

顏 鈺1,2,3,4，邵冬冬5，許映軍1,2,3,4，顧 衛(wèi)1,2,3,4

（1.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)民政部/教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；3.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；4.北京師范大學(xué)海岸帶與海冰研究中心，北京100875；5.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

對(duì)海冰運(yùn)動(dòng)研究的主要進(jìn)展進(jìn)行綜合評(píng)述：概述了海冰運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的發(fā)展情況，重點(diǎn)對(duì)海冰運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬、浮標(biāo)觀測(cè)、衛(wèi)星遙感、雷達(dá)圖像監(jiān)測(cè)和數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)等技術(shù)的發(fā)展歷程和關(guān)鍵研究成果進(jìn)行總結(jié)，并根據(jù)近幾十年海冰運(yùn)動(dòng)發(fā)展現(xiàn)狀，立足于實(shí)際需求，考慮技術(shù)發(fā)展水平，討論海冰運(yùn)動(dòng)未來(lái)研究趨勢(shì)。基于現(xiàn)場(chǎng)和遙感觀測(cè)開(kāi)發(fā)具有更高時(shí)間、空間分辨率的海冰運(yùn)動(dòng)模式將是未來(lái)研究側(cè)重的方向。

海冰運(yùn)動(dòng)；數(shù)值模擬；浮標(biāo)觀測(cè)；衛(wèi)星遙感；雷達(dá)監(jiān)測(cè)；數(shù)字圖像技術(shù)

1 引言

海冰運(yùn)動(dòng)是指海冰在風(fēng)力、潮汐、洋流等多因素影響下，由多種作用力綜合作用而呈現(xiàn)出的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式。在南北極和中高緯度海區(qū)，海冰運(yùn)動(dòng)對(duì)海洋油氣開(kāi)采、海產(chǎn)養(yǎng)殖、船舶運(yùn)輸?shù)仍斐删薮笸{。海冰運(yùn)動(dòng)引起的災(zāi)害是最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害之一。1969年冬季渤海發(fā)生特大海冰災(zāi)害事件，整個(gè)海域出現(xiàn)封凍現(xiàn)象。在風(fēng)和海流的作用下，運(yùn)動(dòng)的海冰撞毀了渤海二號(hào)鉆井平臺(tái)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]；1989年美國(guó)Exxon公司Valdez油輪為躲避浮冰而偏離航道，造成輪船擱淺，三萬(wàn)多噸原油在阿拉斯加海域泄漏，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生毀滅性的影響[2]；2010年冬季渤海海冰達(dá)到近30 a最嚴(yán)重冰情，海冰災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)60億元，占當(dāng)年全國(guó)海洋災(zāi)害總損失的47.6%[1]；2014年1月，由于南極海冰快速運(yùn)動(dòng)的特性，我國(guó)雪龍?zhí)柨疾齑跔I(yíng)救俄羅斯科考船時(shí)被困于密集浮冰區(qū)，后經(jīng)多方努力成功脫困[3]。

21世紀(jì)以來(lái)，海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，海洋資源開(kāi)發(fā)和海洋運(yùn)輸?shù)冉?jīng)濟(jì)活動(dòng)日益增多。海冰實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和海冰數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、海冰防災(zāi)減災(zāi)和資源化利用等具有突出作用[4]。不論是針對(duì)大范圍的海冰運(yùn)動(dòng)形式還是具體到某一工程點(diǎn)的海冰運(yùn)動(dòng)特征的研究，均具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。對(duì)于冰區(qū)船舶運(yùn)輸尤其是近年來(lái)由于全球變暖而開(kāi)通的北極航道而言，提高海冰運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)值預(yù)報(bào)能力是極為重要的，它是海洋運(yùn)輸重要的安全護(hù)衛(wèi)者[5]。此外，海冰是一種自然資源，可通過(guò)海冰淡化得到淡水。然而海冰與其他類型資源的最大不同之處在于海冰大多不是固定的，而是具有流動(dòng)性的。海冰資源產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)過(guò)程中很重要的一個(gè)因素是選址適宜性，海冰運(yùn)動(dòng)補(bǔ)充性就是影響選址的關(guān)鍵因素之一[6]。本文對(duì)海冰運(yùn)動(dòng)研究的幾種典型方法（數(shù)值模擬、浮標(biāo)觀測(cè)、衛(wèi)星遙感、雷達(dá)圖像監(jiān)測(cè)和數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)）的主要研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，在此基礎(chǔ)上對(duì)海冰運(yùn)動(dòng)研究未來(lái)發(fā)展方向作有益探討，以期為海冰運(yùn)動(dòng)研究工作者提供參考。

2 海冰運(yùn)動(dòng)研究的重要進(jìn)展

2.1 數(shù)值模擬

由于海冰監(jiān)測(cè)技術(shù)受人力、物力、成本等因素限制，目前主要以數(shù)值模擬法解決海冰運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，并且此方法已發(fā)展較為成熟。海冰運(yùn)動(dòng)，顧名思義，它是針對(duì)海冰這一對(duì)象由動(dòng)力因素主導(dǎo)的空間位置變化的過(guò)程。Felzenbaum[7]將海冰運(yùn)動(dòng)速度與海面風(fēng)速、風(fēng)向以及海域流速、流向等動(dòng)力因素結(jié)合起來(lái)，建立了最早的海冰運(yùn)動(dòng)模型。更為具體的動(dòng)力學(xué)模式則必須考慮作用在冰上的多種動(dòng)力因素，包括風(fēng)應(yīng)力、流應(yīng)力、科氏力、冰內(nèi)應(yīng)力及海面梯度力等（見(jiàn)圖1），從而構(gòu)建包括海冰質(zhì)量連續(xù)方程、海冰內(nèi)部相互作用的本構(gòu)方程以及海冰漂移動(dòng)力方程等在內(nèi)的數(shù)值模式。

圖1 海冰動(dòng)量平衡圖

國(guó)外海冰數(shù)值模擬研究始于上世紀(jì)70年代末，Hibler[8]最早提出了在歐拉坐標(biāo)下構(gòu)建有限差分法的海冰動(dòng)力模式，創(chuàng)造性地用粘塑性流變學(xué)理論研究冰原，并構(gòu)建半隱式數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，對(duì)海冰動(dòng)力學(xué)研究作出開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬過(guò)程中往往以擾動(dòng)較大的多介質(zhì)狀態(tài)存在，拉格朗日坐標(biāo)系對(duì)擾動(dòng)小的多介質(zhì)狀態(tài)更契合，而歐拉坐標(biāo)系更契合于擾動(dòng)大的單介質(zhì)狀態(tài)。針對(duì)這一特點(diǎn)，F(xiàn)lato[9]在海冰數(shù)值模擬時(shí)通過(guò)建立質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格法將拉格朗日與歐拉兩種坐標(biāo)系耦合起來(lái)，使其將歐拉方法的計(jì)算扭曲嚴(yán)重的二維流體力學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)和拉格朗日方法的計(jì)算多種物質(zhì)和自由面運(yùn)動(dòng)的能力結(jié)合起來(lái)。然而，質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格法坐標(biāo)系間數(shù)據(jù)的交換導(dǎo)致數(shù)值擴(kuò)散，大大增加了計(jì)算復(fù)雜性。因此Gutfraind等[10]將最早應(yīng)用于天體物理研究的光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法運(yùn)用到海冰運(yùn)動(dòng)模擬中，將海冰模擬分解成足夠多個(gè)具有各自質(zhì)量、動(dòng)量和能量的海冰粒子，計(jì)算出海冰運(yùn)動(dòng)情況。然而在自然條件下，不論極區(qū)還是局地海域，均表現(xiàn)出很強(qiáng)的海冰斷裂、重疊和堆積等離散特性，上述3種數(shù)值方法均將海冰視為連續(xù)介質(zhì)而無(wú)法解釋海冰離散的特點(diǎn)。Shen等[11]考慮海冰的類似顆粒材料力學(xué)行為，將顆粒流理論應(yīng)用到海冰運(yùn)動(dòng)研究，并建立了基于海冰碰撞流變學(xué)的離散元模型，對(duì)碎冰區(qū)海冰運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。4種主要海冰動(dòng)力模式特點(diǎn)如表2所示。

隨著海冰數(shù)值模擬不斷發(fā)展，更多的海冰動(dòng)力模式也被應(yīng)用于渤海海冰運(yùn)動(dòng)模擬中。季順迎等[12]考慮海冰熱力過(guò)程，采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)遼東灣小尺度區(qū)域進(jìn)行4天的海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)模型對(duì)遼東灣區(qū)域不規(guī)則海冰漂移演化過(guò)程有較強(qiáng)適應(yīng)性。季順迎等[13]將質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格法應(yīng)用于渤海海冰模擬中。模型先在歐拉坐標(biāo)下用差分法對(duì)海冰連續(xù)性方程及動(dòng)力方程進(jìn)行計(jì)算，求得各網(wǎng)格的海冰質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，接著在拉格朗日坐標(biāo)里求取海冰質(zhì)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)。結(jié)果表明在對(duì)遼東灣海冰的模擬中，質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格法能較好地解釋海冰流變過(guò)程，能較好地描述海冰運(yùn)動(dòng)特征。王建鋒[14]引入顯隱交替有限差分格式，建立遼東灣浮冰運(yùn)動(dòng)模型。在拉格朗日坐標(biāo)下，利用該模型模擬得到海冰的運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)還對(duì)影響海冰運(yùn)動(dòng)的風(fēng)、流拖曳力和冰內(nèi)應(yīng)力等因素進(jìn)行探討。蘇潔等[15]將普林斯頓大學(xué)的海洋模式與中國(guó)國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心發(fā)展的海冰模式耦合在一起，構(gòu)建了冰-海洋耦合的動(dòng)力-熱力模式，對(duì)渤海海冰與海洋的動(dòng)力作用進(jìn)行了模擬，并著重探討了潮汐對(duì)海冰運(yùn)動(dòng)模式的影響。米麗麗[16]將海冰離散為有一定尺寸、密集度和厚度的圓盤(pán)單元，針對(duì)海冰生消和運(yùn)動(dòng)中存在的非連續(xù)分布及形變特性，建立了改進(jìn)的海冰動(dòng)力離散元模型。在對(duì)遼東灣的海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬中，模擬結(jié)果和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與油氣平臺(tái)工程點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好。

表1 主要海冰動(dòng)力模式對(duì)比

表2 6種常用海冰浮標(biāo)比較

2.2 浮標(biāo)觀測(cè)

浮標(biāo)觀測(cè)是獲取冰厚、冰溫、氣壓和水深等參數(shù)以及海冰運(yùn)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的重要手段[17-18]。一般的地面觀測(cè)站如雷達(dá)監(jiān)測(cè)站只能獲取沿岸基站附近海域海冰資料，而破冰船和冰面營(yíng)地等成本過(guò)高，通常只在短期海冰研究中應(yīng)用，長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)不太適用。然而大范圍和長(zhǎng)時(shí)間序列的海冰現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是必要的，自動(dòng)測(cè)量浮標(biāo)就很好地解決這一問(wèn)題。近年來(lái)，通過(guò)浮標(biāo)觀測(cè)所得海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)一方面提高了衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)海冰的解譯精度，另一方面通過(guò)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合，提高了對(duì)海冰的短期預(yù)報(bào)精度。海冰浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海冰運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和海冰形態(tài)、變形率等多方面研究[17]。浮標(biāo)可放置在固定冰或漂流浮冰上，其中放在漂流浮冰上所得數(shù)據(jù)即為海冰運(yùn)動(dòng)漂移軌跡[18]。海冰浮標(biāo)技術(shù)開(kāi)發(fā)主要涉及布設(shè)方式、數(shù)據(jù)傳輸、電池續(xù)航和工作壽命等因素，表2為6種常用海冰浮標(biāo)的比較。

自上世紀(jì)60年代以來(lái)，海冰浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)便在冰區(qū)開(kāi)始得到應(yīng)用。然而由于電池續(xù)航能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)纫蛩氐南拗?，一套海冰浮?biāo)設(shè)備的工作壽命僅為幾天。經(jīng)過(guò)30 a的發(fā)展，浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)有長(zhǎng)足的進(jìn)步。1991年，國(guó)際北極浮標(biāo)計(jì)劃正式啟動(dòng)。該計(jì)劃旨在北極地區(qū)建立浮標(biāo)漂流網(wǎng)絡(luò)，以提供浮標(biāo)所在區(qū)域地理位置信息和基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)。兩年后，與北極浮標(biāo)計(jì)劃類似，主要研究區(qū)為南大洋的南極浮標(biāo)計(jì)劃成立。Rigor等[23]利用北極浮標(biāo)計(jì)劃提供的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，北極海冰自西向東其平流運(yùn)動(dòng)速度逐漸降低，且海冰距俄羅斯西伯利亞海岸越來(lái)越遠(yuǎn)。李娜等[24]則運(yùn)用北極浮標(biāo)計(jì)劃提供的數(shù)據(jù)定量研究風(fēng)對(duì)海冰運(yùn)動(dòng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)海冰運(yùn)動(dòng)速度約為風(fēng)速的2.13%。Schwegmann等[25]將美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心提供的威德?tīng)柡Ｓ?989—2005年間的每日海冰運(yùn)動(dòng)浮標(biāo)觀測(cè)日數(shù)據(jù)與AVHRR衛(wèi)星圖像解譯的海冰運(yùn)動(dòng)信息作比較，結(jié)果表明衛(wèi)星解譯數(shù)據(jù)與浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，但71%的衛(wèi)星圖像解譯的海冰速度要小于浮標(biāo)實(shí)際觀測(cè)的海冰運(yùn)動(dòng)速度。鄧娟等[26]將浮標(biāo)數(shù)據(jù)與MODIS影像結(jié)合起來(lái)，研究了2008年中國(guó)第三次北極科學(xué)考察期間浮標(biāo)所在區(qū)域海冰運(yùn)動(dòng)軌跡和速度等運(yùn)動(dòng)特征。同時(shí)其利用小波分析法得到海冰運(yùn)動(dòng)速度存在明顯的周期性變化規(guī)律。2014年9月，我國(guó)第六次北極科考隊(duì)布放了4組海冰溫度鏈和漂移浮標(biāo)，這是我國(guó)首次完成海冰浮標(biāo)陣列的布放。海冰浮標(biāo)陣列將改善過(guò)去單個(gè)浮標(biāo)觀測(cè)獲取數(shù)據(jù)的局限性，可更全面獲取極地海冰變化的特點(diǎn)。

2.3 衛(wèi)星遙感技術(shù)

衛(wèi)星遙感，也被稱為航天遙感，是以運(yùn)行于太空中的飛行器從太空中觀測(cè)地球表面的一種技術(shù)。衛(wèi)星遙感具有探測(cè)范圍廣，成像迅速，可以對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。但在過(guò)去，衛(wèi)星圖像精確度低、天氣狀況影響大等弊端使其在應(yīng)用過(guò)程中受限。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，觀測(cè)資料精度大幅提高，用衛(wèi)星資料獲取大范圍的海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)已成為一種有效方法[27-31]。提供海冰運(yùn)動(dòng)研究數(shù)據(jù)的衛(wèi)星傳感器包括超高分辨率輻射計(jì)（AVHRR）[28,31]、NASA散射計(jì)（NSCAT）[30]、專用微波成像儀（SSM/I）[28]、高級(jí)微波掃描輻射計(jì)（AMSRE）[29]和合成孔徑雷達(dá)（SAR）[27]。

從衛(wèi)星資料獲取海冰運(yùn)動(dòng)信息的方法主要包括最大協(xié)相關(guān)方法（Maximum Correlation Criterion，MCC）、小波分析方法、和光流法。最常用的估算大面積海冰運(yùn)動(dòng)的方法是MCC法[31-32]。該方法利用協(xié)相關(guān)分析法對(duì)連續(xù)的衛(wèi)星遙感圖像進(jìn)行處理，從而得到海冰運(yùn)動(dòng)信息。方法簡(jiǎn)要敘述如下：

考慮兩個(gè)二維信號(hào)f（x,y）和g（x,y），其定義域?yàn)閨x|＜L，|y|＜L，兩個(gè)信號(hào)間具有空間延遲，即兩個(gè)信號(hào)間的位移量（x0,y0），關(guān)系如下：

在（x0,y0）點(diǎn)，協(xié)方差rfg的值為：

式中：E［］是數(shù)學(xué)期望值，mf、mg是信號(hào)的平均值，由式（1）和（2）得到空間延遲（x0,y0）情況下，最大協(xié)相關(guān)系數(shù)為：

實(shí)際情況下，兩個(gè)信號(hào)是部分相關(guān)，即ρ（x0, y0）＜1。確定出系數(shù)最大的點(diǎn)后兩個(gè)信號(hào)之間的位移量（x0,y0）也隨即得到，具體操作步驟參見(jiàn)吳龍濤等[32]報(bào)道。

Ninnis等[31]首先在波弗特海域?qū)CC法應(yīng)用于AVHRR遙感圖像中，進(jìn)而得到該海區(qū)的海冰運(yùn)動(dòng)速度，其結(jié)果與海冰浮標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)一致；黃潤(rùn)恒等[33]利用MCC方法從相鄰24 h的AVHRR圖像跟蹤海冰的表觀運(yùn)動(dòng)，得到了遼東灣海冰表觀位移的空間分布；吳龍濤等[32]將該法應(yīng)用于MODIS圖像中，基于海冰運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)獲得渤海大范圍海冰運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)。同時(shí)將風(fēng)速和潮流資料與海冰運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行回歸分析，建立渤海海冰運(yùn)動(dòng)速度和風(fēng)速或流速的關(guān)系。Lavergne等[29]利用MCC方法計(jì)算得到AMSR-E傳感器反演的北極海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并且每48 h得到一整幅北極海冰運(yùn)動(dòng)的矢量場(chǎng)，極大縮短了獲取海冰運(yùn)動(dòng)信息的時(shí)間。

除了最大協(xié)相關(guān)方法，小波分析方法、光流法等也被用于衛(wèi)星圖像獲取海冰運(yùn)動(dòng)信息研究中。Liu等[30]將二維高斯小波變換方法運(yùn)用到北極地區(qū)NSCAT和SSM/I衛(wèi)星圖像中，獲取了北極海冰運(yùn)動(dòng)信息，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了北極海冰主要環(huán)流模式周期為4 d。Yu等[34]利用二維小波分析方法從AMSR-E衛(wèi)星圖像中解譯出北冰洋海冰運(yùn)動(dòng)矢量圖，并討論了2005—2007年間北極海冰運(yùn)動(dòng)和變形的特性。

2.4 雷達(dá)圖像監(jiān)測(cè)

海冰雷達(dá)圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)對(duì)比一段時(shí)間內(nèi)不同雷達(dá)圖像，從而獲得監(jiān)測(cè)海域內(nèi)海冰的運(yùn)動(dòng)距離和方向，進(jìn)而確定海冰速度矢量場(chǎng)及其變化規(guī)律。圖2為岸基雷達(dá)測(cè)量示意圖。雷達(dá)圖像監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)范圍適中、圖像精度高、連續(xù)采集能力強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)便以及運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為海冰運(yùn)動(dòng)研究中重要手段之一[35]。海冰雷達(dá)圖像識(shí)別主要包括基于光流法[36]的速度場(chǎng)識(shí)別和基于特征點(diǎn)匹配法[37]的重點(diǎn)冰塊速度識(shí)別這兩種方法。

圖2 岸基雷達(dá)測(cè)量示意圖[35]

海冰速度場(chǎng)識(shí)別首先將圖像分塊化，之后對(duì)分塊后的圖像進(jìn)行光流法處理。該方法通過(guò)觀測(cè)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)海冰運(yùn)動(dòng)所形成的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析雷達(dá)圖像中像素強(qiáng)度隨時(shí)間的變化及相關(guān)性，從而確定目標(biāo)像素點(diǎn)的位置改變。假設(shè)目標(biāo)像素點(diǎn)A（x,y）在t時(shí)刻強(qiáng)度為I（x,y,t），忽略t時(shí)刻內(nèi)海冰塊在兩幅圖像中的微小形變，有：

式中：δx和δy分別是橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)位移，δt是時(shí)間間隔。對(duì)上式進(jìn)行泰勒展開(kāi)：

式中：O2為可以忽略的高階展開(kāi)項(xiàng)。由此可得：

通過(guò)對(duì)海冰雷達(dá)圖像目標(biāo)像素點(diǎn)強(qiáng)度分析，可求得海冰的水平和垂直速度分量。結(jié)合海冰位移與時(shí)間間隔，矢量合成后即可生成該海區(qū)海冰速度場(chǎng)。

重點(diǎn)冰塊速度識(shí)別過(guò)程中計(jì)算量較小，因此可運(yùn)用特征點(diǎn)匹配法這一精度更高的算法進(jìn)行運(yùn)算[37]。首先提取重點(diǎn)冰塊的特征點(diǎn)，并確定該區(qū)域的目標(biāo)像素點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算某一像素點(diǎn)與周?chē)?個(gè)像素點(diǎn)的亮度均值之差，差值最大的點(diǎn)即鎖定為目標(biāo)像素點(diǎn)。通過(guò)查找并匹配兩幅雷達(dá)圖像中所有目標(biāo)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移，海冰運(yùn)動(dòng)情況即可求出。假設(shè)t1時(shí)刻雷達(dá)圖像表示為 p(x,y)=σ(x,y)，t2時(shí)刻雷達(dá)圖像即可表示為 q(x,y)=σ(x+Δx,y+Δy)，其中(Δx,Δy)是t1與t2間的位移。海冰運(yùn)動(dòng)分析即可簡(jiǎn)化為計(jì)算(Δx,Δy)。海冰運(yùn)動(dòng)位移(Δx,Δy)可通過(guò)以下幾步計(jì)算而得。首先 p(x,y)和q(x,y)的互相關(guān)函數(shù)的計(jì)算公式如下所示：

σ(x,y)自相關(guān)函數(shù)的計(jì)算公式如式（9）所示：

之后互相關(guān)函數(shù) p(x,y)和q(x,y)可轉(zhuǎn)換為自相關(guān)函數(shù)σ(x,y)的計(jì)算：

自相關(guān)函數(shù)在原點(diǎn)取極大值，即：rpq(τx,τy)≤rpq(-Δx,-Δy)，通過(guò)尋找式（8）中t1與t2時(shí)刻雷達(dá)圖像的互相關(guān)函數(shù)的最大值所在位置(-Δx,-Δy)，就能夠得到海冰運(yùn)動(dòng)位移(Δx,Δy)。在考慮圖像幾何比例變化的情況下，運(yùn)動(dòng)位移除以時(shí)間間隔Δt即可求出海冰運(yùn)動(dòng)速度。

海冰雷達(dá)圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)始于上世紀(jì)90年代。孫鶴泉等[38]通過(guò)對(duì)遼東灣油田平臺(tái)記錄的雷達(dá)圖像進(jìn)行重點(diǎn)冰塊速度識(shí)別，確定了該海區(qū)內(nèi)海冰平均相對(duì)位移，從而計(jì)算出海冰的平均速度。Mahoney等[35]使用岸基雷達(dá)對(duì)美國(guó)阿拉斯加波羅海域沿岸海冰進(jìn)行了兩年的觀測(cè)，獲得了沿岸海冰的冰速分布特征。趙寶剛等[39]基于雷達(dá)圖像監(jiān)測(cè)，結(jié)合粒子測(cè)速法完成海冰運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)的快速雷達(dá)遙感觀測(cè)。該方法在遼東灣工程點(diǎn)附近海域的海冰預(yù)報(bào)中得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全天候海冰運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)。Karvonen[40]使用芬蘭波羅的海岸基雷達(dá)監(jiān)測(cè)所得海冰雷達(dá)圖像，對(duì)角點(diǎn)進(jìn)行了連續(xù)追蹤，有效獲取該海域海冰運(yùn)動(dòng)規(guī)律。季順迎等[41]于2011/12年冬季全冰期對(duì)遼東灣油氣平臺(tái)鄰近海域進(jìn)行了連續(xù)雷達(dá)監(jiān)測(cè)，通過(guò)研究監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)不同特征點(diǎn)的移動(dòng)，獲得連續(xù)兩天的海冰速度監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)而確定了整個(gè)工程點(diǎn)附近海域的海冰速度場(chǎng)分布，同時(shí)證明該區(qū)域海冰的運(yùn)動(dòng)受潮流影響表現(xiàn)出明顯的周期性。孫鶴泉等[3]應(yīng)用特征點(diǎn)匹配法和光流法得到海冰運(yùn)動(dòng)矢量圖，并對(duì)以上兩種方法進(jìn)行對(duì)比：與特征點(diǎn)匹配法相比，光流法對(duì)細(xì)節(jié)和光滑性的描述要更精確；但對(duì)計(jì)算效率而言，特征點(diǎn)匹配法仍是海冰運(yùn)動(dòng)研究的首選算法。

2.5 數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)

圖3 數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)流程

衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展為大范圍海冰運(yùn)動(dòng)資料的獲取提供巨大幫助。然而衛(wèi)星傳感器距地面遙遠(yuǎn)，遙感圖像分辨率大多不高，目前通常只能獲取較大范圍海冰運(yùn)動(dòng)信息，而難以得到小尺度范圍的信息。獲取海冰運(yùn)動(dòng)必要參數(shù)的最直接方法是現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，但現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的獲取往往受到特殊地理位置及惡劣天氣條件等限制。海冰數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)可較好解決以上問(wèn)題。數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)可提供高分辨率海冰圖像，可完整地呈現(xiàn)小尺度海冰運(yùn)動(dòng)信息。數(shù)字圖像中各像素點(diǎn)代表的實(shí)際距離可通過(guò)與已知長(zhǎng)度的參照物進(jìn)行比對(duì)而得。將一定時(shí)間內(nèi)的兩幅圖像中的同一特征塊提取出并進(jìn)行差異匹配后即可快速準(zhǔn)確地獲得海冰塊體運(yùn)動(dòng)速度信息。與海冰雷達(dá)圖像監(jiān)測(cè)方法相比，數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)法計(jì)算得到的海冰運(yùn)動(dòng)參數(shù)更為準(zhǔn)確。因此，在冰區(qū)工程點(diǎn)附近海域開(kāi)展海冰數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)可有效補(bǔ)充衛(wèi)星遙感和雷達(dá)等手段的不足，構(gòu)建立體監(jiān)測(cè)體系。海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)流程如圖3所示。

近幾年來(lái)，海冰數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)也有較快發(fā)展。王宇新等[42]對(duì)遼東灣油氣平臺(tái)海冰監(jiān)測(cè)站架設(shè)的數(shù)碼像機(jī)拍攝的視頻進(jìn)行處理，將視頻分解成時(shí)間序列圖像，提取圖像中Harris角點(diǎn)為海冰特征點(diǎn)，之后利用灰度相關(guān)特征匹配函數(shù)對(duì)不同時(shí)刻圖像的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配。根據(jù)特征點(diǎn)的匹配信息可得到其移動(dòng)距離及方向，進(jìn)而得到海冰速度場(chǎng)分布。Leisti等[43]在破冰船安裝海冰照相系統(tǒng)，每分鐘拍攝一張照片，經(jīng)過(guò)圖像識(shí)別獲取實(shí)時(shí)海冰運(yùn)動(dòng)信息。張項(xiàng)[44]建立了目標(biāo)過(guò)濾海冰跟蹤法，可滿足海冰現(xiàn)場(chǎng)追蹤的需求。該方法首先將海冰圖像灰度化和去除噪聲，之后按照一定規(guī)則分割圖像，并利用近似形態(tài)學(xué)處理得到清晰圖像，最后應(yīng)用目標(biāo)過(guò)濾法對(duì)海冰塊體進(jìn)行跟蹤。Hagen等[37]建立實(shí)時(shí)海冰運(yùn)動(dòng)處理系統(tǒng)，對(duì)航空攝影系統(tǒng)拍攝的圖像進(jìn)行處理，所求得海冰運(yùn)動(dòng)速度與浮標(biāo)觀測(cè)基本一致。

3 小結(jié)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

綜上所述，過(guò)去幾十年來(lái)，海冰運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬、浮標(biāo)觀測(cè)、衛(wèi)星遙感、雷達(dá)圖像監(jiān)測(cè)和數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，總結(jié)各方法的主要優(yōu)缺點(diǎn)、運(yùn)用領(lǐng)域及當(dāng)前主流技術(shù)（模型、方法）如表3所示。

自上世紀(jì)60年代以來(lái)，浮標(biāo)觀測(cè)、數(shù)值模擬等技術(shù)發(fā)展極大地促進(jìn)了對(duì)于海冰運(yùn)動(dòng)的研究，海冰運(yùn)動(dòng)研究也逐漸從理論研究轉(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，這對(duì)于海冰預(yù)報(bào)是至關(guān)重要的。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感手段以及數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)的涌現(xiàn)則對(duì)不同尺度的海冰運(yùn)動(dòng)研究提供了更為有力的支持。嘗試分析海冰運(yùn)動(dòng)研究的進(jìn)一步發(fā)展方向和重點(diǎn)如下：

（1）目前海冰運(yùn)動(dòng)研究的區(qū)域主要集中于極地，尤其是針對(duì)北極海冰的研究，而對(duì)部分只存在季節(jié)性海冰的地區(qū)研究工作相對(duì)較少，主要集中在波羅的海等海域，對(duì)如中國(guó)渤海、日本海、北海等人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁的海域研究有待加強(qiáng)；

（2）未來(lái)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)和遙感觀測(cè)開(kāi)發(fā)具有更高時(shí)間、空間分辨率的海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)值模式是研究的新方向。目前，現(xiàn)有的幾種主要海冰運(yùn)動(dòng)研究方法有機(jī)結(jié)合，能使各種方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。如浮標(biāo)獲取的海冰運(yùn)動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提高了衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感手段對(duì)海冰運(yùn)動(dòng)信息的解譯精度，促進(jìn)了數(shù)值模式算法的優(yōu)化。與此同時(shí)，衛(wèi)星、雷達(dá)遙感手段以及數(shù)值模式等又彌補(bǔ)了浮標(biāo)觀測(cè)的區(qū)域局限性；

表3 海冰運(yùn)動(dòng)研究方法對(duì)比

（3）在海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方面，以往研究大多針對(duì)大尺度海冰運(yùn)動(dòng)，而對(duì)小尺度海冰運(yùn)動(dòng)的研究較少。由于海冰具有災(zāi)害性，有可能對(duì)沿岸的港口、電廠以及海上平臺(tái)和船舶造成危害，因此，對(duì)各類海洋工程小尺度的海冰運(yùn)動(dòng)研究，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。此外，近年來(lái)在渤海海冰資源利用及海冰淡化研究中，也需了解不同海區(qū)的海冰運(yùn)動(dòng)特征，這對(duì)合理評(píng)估海冰資源的流動(dòng)補(bǔ)充性至關(guān)重要。加強(qiáng)小尺度海冰數(shù)值模擬研究可為海冰防災(zāi)減災(zāi)和海冰資源產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供重要參考；

（4）隨著海洋觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，海冰運(yùn)動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量將更加龐大，類型也將更加豐富，數(shù)據(jù)也具有很強(qiáng)的區(qū)域分布特性。將近年來(lái)蓬勃發(fā)展的大數(shù)據(jù)理念應(yīng)用到海冰運(yùn)動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)中，可更好地組織管理龐大的數(shù)據(jù)信息，應(yīng)用多源海冰資料的融合分析，發(fā)展海冰資料同化技術(shù)，更大程度地挖掘海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的分布性、多源性和多樣性等潛在價(jià)值。同時(shí)海冰運(yùn)動(dòng)研究涉及學(xué)科多，單一研究團(tuán)隊(duì)很難在海冰運(yùn)動(dòng)研究各領(lǐng)域均處于領(lǐng)先地位，因此可通過(guò)建立海冰運(yùn)動(dòng)研究合作平臺(tái)，相互借鑒，取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)建一支高效、穩(wěn)定的海冰運(yùn)動(dòng)研究技術(shù)隊(duì)伍。此外，加強(qiáng)國(guó)際合作，以科學(xué)目標(biāo)為前提，集成觀測(cè)，形成綜合性觀測(cè)體系。如建立浮標(biāo)觀測(cè)共享機(jī)制，將各國(guó)家獨(dú)立浮標(biāo)數(shù)據(jù)上傳至國(guó)際共享平臺(tái)，大大提高數(shù)據(jù)使用效率和價(jià)值；

（5）經(jīng)過(guò)五十多年發(fā)展，世界上部分發(fā)達(dá)國(guó)家已建立起較為完善的海冰運(yùn)動(dòng)立體觀測(cè)體系，如美國(guó)將多源衛(wèi)星、海岸自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)及基于NOAA的浮標(biāo)觀測(cè)整合起來(lái)形成海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)。我國(guó)海洋科學(xué)研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有差距。雖然目前我國(guó)衛(wèi)星遙感、雷達(dá)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬等技術(shù)發(fā)展較好，然而海上固定式長(zhǎng)期海洋綜合觀測(cè)平臺(tái)構(gòu)建、固定浮標(biāo)及ARGO浮標(biāo)等應(yīng)用較少，導(dǎo)致海冰現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料較為匱乏。未來(lái)我國(guó)需對(duì)海上觀測(cè)平臺(tái)、浮標(biāo)觀測(cè)等進(jìn)行更多資金和技術(shù)的支持，構(gòu)建并完善海冰運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)的立體觀測(cè)體系；

（6）以新的科學(xué)目標(biāo)和科學(xué)任務(wù)為指引，使用新儀器設(shè)備觀測(cè)，并對(duì)經(jīng)典的海冰運(yùn)動(dòng)研究?jī)x器設(shè)備整體性能進(jìn)行革新，提高適用范圍、觀測(cè)區(qū)間、觀測(cè)精度、觀測(cè)壽命等指標(biāo)。如小尺度的區(qū)域海冰運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可引入近幾年來(lái)發(fā)展迅速的無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)，結(jié)合數(shù)字圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)將其運(yùn)用到海冰運(yùn)動(dòng)研究。另外，GPS結(jié)合小型定位跟蹤器技術(shù)對(duì)于監(jiān)測(cè)流冰的短時(shí)運(yùn)動(dòng)狀況也十分有效。就提高適用范圍而言，對(duì)渤海、日本海等一年生海冰區(qū)，研發(fā)出具有良好浮載性能和適應(yīng)能力的海冰浮標(biāo)為提升區(qū)域適用性的技術(shù)關(guān)鍵。在氣候變暖背景下，北極目前所放置海冰浮標(biāo)的位置在將來(lái)可能面臨夏季無(wú)冰的情況，如何應(yīng)對(duì)這種情況值得研究。此外，目前海冰浮標(biāo)的電池壽命多為兩到三年，技術(shù)的革新將為更長(zhǎng)時(shí)間尺度的連續(xù)觀測(cè)提供可能。

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Review on sea ice motion

YAN Yu1,2,3,4，SHAO Dong-dong5，XU Ying-jun1,2,3,4，GU Wei1,2,3,4
（1.Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster,Ministry of Education,Beijing Normal University,Beijing 100875 China; 2.Academy of Disaster Reduction and Emergency Management,Ministry of Civil Affairs&Ministry of Education,Beijing Normal University, Beijing 100875 China;3.Faculty of Geographical Science,Beijing Normal University,Beijing 100875 China;4.Coastal Zone and Sea Ice Research Center,Beijing Normal University,Beijing 100875 China;5.State Key Laboratory of Water Environment Simulation&School of Environment, Beijing Normal University,Beijing 100875 China)

This paper provides a review on sea ice motion.The development of sea ice motion is first outlined. The historical development and state-of-the-art of the numerical simulation,buoy observation,satellite remote sensing,radar observation and digital image processing technology related to sea ice motion research are concluded.The trends and future directions of sea ice motion research are further discussed in terms of technological development and practical application.The development of sea ice motion models with higher temporal and spatial resolution using in-situ and remote sensing observation will be the focus in future.

sea ice motion;numerical simulation;buoy observation;satellite remote sensing;radar observation; digital image processing technology

P731.15

A

1003-0239（2017）03-0085-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.03.011

2016-10-28；

2016-11-28。

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41571510）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014KJJCB02)。

顏鈺（1993-），男，博士在讀，主要從事海冰運(yùn)動(dòng)觀測(cè)與數(shù)值模擬研究。E-mail：yanyu@mail.bnu.edu.cn

顧衛(wèi)（1956-），男，教授，博士，主要從事海冰資源開(kāi)發(fā)利用研究。E-mail：weigu@bnu.edu.cn