NASA MOD IS海冰產(chǎn)品評(píng)價(jià)分析
——以遼東灣海冰監(jiān)測(cè)為例

馬龍

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院,大連 116026)

NASA MOD IS海冰產(chǎn)品評(píng)價(jià)分析
——以遼東灣海冰監(jiān)測(cè)為例

馬龍

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院,大連 116026)

NASA開(kāi)發(fā)的MOD IS海冰產(chǎn)品可提供全球范圍的海冰分布和冰表溫度信息,但將其直接用于局地和區(qū)域海冰監(jiān)測(cè)時(shí),其精度還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。以遼東灣冬季海冰監(jiān)測(cè)為例,對(duì)MOD IS海冰產(chǎn)品進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品將區(qū)域內(nèi)絕大部分海冰標(biāo)識(shí)為云。根據(jù)NASA的海冰算法,利用反射率和冰表溫度 (Ice Surface Temperature,IST)數(shù)據(jù)對(duì)海冰范圍進(jìn)行提取,結(jié)果表明,利用 IST可以有效提取海冰分布信息。

MOD IS;冰表溫度 (IST);海冰

0 引言

海冰作為冰雪圈的一部分,不僅對(duì)局地和區(qū)域氣候產(chǎn)生影響,還對(duì)半球乃至全球的大氣環(huán)流和氣候產(chǎn)生影響。遙感技術(shù)在海冰動(dòng)態(tài)、海冰災(zāi)害和海冰資源監(jiān)測(cè)方面具有重要作用。自 1969年特大冰封以來(lái),我國(guó)海冰監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和研究工作全面開(kāi)展起來(lái),在海冰常規(guī)觀測(cè)基礎(chǔ)上,已開(kāi)展了衛(wèi)星和航空遙感技術(shù)的應(yīng)用研究[1]。MOD IS是當(dāng)前新一代“圖譜合一”的光學(xué)遙感探測(cè)器,目前,在軌的 Terra和Aqua衛(wèi)星搭載的 MOD IS傳感器,可以滿足白天 2次的重復(fù)觀測(cè)頻率,已成為海冰監(jiān)測(cè)的重要工具[2]。美國(guó)國(guó)家航天局 (NASA)利用 MOD IS數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了海冰產(chǎn)品 (包括 IST數(shù)據(jù)),該產(chǎn)品算法基于一組判別條件,具有計(jì)算量小,無(wú)需人工干預(yù)的特點(diǎn),適合于全球海冰的監(jiān)測(cè)。但在局地和區(qū)域海冰監(jiān)測(cè)時(shí),直接應(yīng)用 NASA開(kāi)發(fā)的MOD IS海冰產(chǎn)品的效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文根據(jù)NASA的海冰算法,利用反射率和 IST數(shù)據(jù)對(duì)冬季遼東灣海冰范圍進(jìn)行提取,同時(shí),獲取相應(yīng)區(qū)域 NASA的 MOD IS海冰產(chǎn)品,對(duì) MOD IS監(jiān)測(cè)海冰的方法進(jìn)行了分析,指出應(yīng)用 IST可以有效獲取海冰范圍信息。

1 NASA MOD IS海冰產(chǎn)品

目前,有 MOD IS/Terra和 MOD IS/Aqua兩個(gè)版本的海冰產(chǎn)品。需要說(shuō)明的是,MOD IS/Aqua第 6波段的探測(cè)器僅有 30%在工作,因此,該探測(cè)器需采用第 7波段數(shù)據(jù)提取海冰信息。對(duì)于冰表溫度信息的提取,2個(gè)傳感器采用的算法一致。

MOD IS海冰產(chǎn)品,準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是產(chǎn)品系列,共有 4個(gè) (表 1)。除了 MOD 29產(chǎn)品外,表 1中依次排列的產(chǎn)品均由上一級(jí)產(chǎn)品獲得,每個(gè)產(chǎn)品都包括海冰分布和冰表溫度數(shù)據(jù)。MOD 29產(chǎn)品由MOD ISL1B數(shù)據(jù)根據(jù)MOD IS海冰算法得到。MOD 29PG和MOD 29P1分成白天 (D)和夜晚 (N)數(shù)據(jù)。對(duì) MOD 29進(jìn)行 EASE-Grid投影,得到 MOD 29PG產(chǎn)品。作為中間產(chǎn)品,MOD 29PG沒(méi)有存檔,投影后的MOD 29PG會(huì)有重疊問(wèn)題。MOD 29P1產(chǎn)品由MOD 29PG產(chǎn)品生成,其根據(jù)一定的打分算法,選擇分值最高的重疊像元作為最終像元。

表 1 MOD IS海冰系列產(chǎn)品[3]Tab.1 MODIS sea ice data products[3]

2 MOD IS海冰產(chǎn)品算法

MOD IS海冰產(chǎn)品算法[4]即指生成MOD 29產(chǎn)品的算法,其依據(jù)是海冰同無(wú)冰海水在可見(jiàn)光和近紅外波段的反射率差異。算法的輸入數(shù)據(jù)如表 2所示。

表 2 MODIS海冰算法的輸入數(shù)據(jù)Tab.2 MODIS data product inputs to the MODIS sea ice algorithm

海冰算法要求輸入的像元為海洋信息,且無(wú)云遮擋。這些信息可由MOD 03和MOD 35_L 2產(chǎn)品提供。算法由如下一組判別條件組成:

如果某像元同時(shí)滿足上述 3個(gè)條件,那么該像元就確定為海冰。對(duì)于較薄的海冰 (厚度 <10 cm,沒(méi)有雪覆蓋),其反射率較低,利用雪被指數(shù) (NDSI)不容易分辨。在這種情況下,可利用冰表面和海水表面的溫度差異進(jìn)行識(shí)別。MOD IS計(jì)算冰表面溫度 (IST)的算法為

式中,T31、T32分別為MOD IS第 31、32波段的亮溫值;θ為從天底點(diǎn)算起的掃描角;a、b、c、d為由經(jīng)驗(yàn)確定的系數(shù),選擇時(shí),需要參考研究區(qū)的位置和T31的溫度取值 (表 3)。

表 3 計(jì)算冰表溫度 (IST)采用的系數(shù)[3]Tab.3 Coefficients used in the calculation of IST

3 遼東灣海冰監(jiān)測(cè)

渤海是中國(guó)緯度最高的海域,也是中國(guó)冬季低溫的主要分布區(qū)之一。周?chē)植贾S河、海河及遼河等河流,大量淡水源源不斷地流人渤海,降低了渤海的海水鹽度,為結(jié)冰提供了有利條件。受冬季西風(fēng)環(huán)流的影響,渤海每年都有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象[5,6]。為了避免其他干擾因素,研究選擇晴天數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以 2009年 12月 23日的遼東灣海冰為例,獲取了當(dāng)日的MOD ISL1B以及MOD 29數(shù)據(jù)(圖 1,數(shù)據(jù)為 MOD IS/Terra采集 )。

圖 1 MOD ISL1B真彩色增強(qiáng)圖 (左)和 MOD 29彩色分割圖 (右)Fig.1 Enhanced natural color of MODISL 1B(left)and density slice of M OD 29

由圖 1(左)可以看出,遼東灣頂部的海域有大量海冰覆蓋,這與同期實(shí)際情況和相關(guān)報(bào)道一致。對(duì)比圖 1(右)發(fā)現(xiàn),MOD IS海冰產(chǎn)品 (MOD 29)卻將此區(qū)域標(biāo)識(shí)為云,海冰僅在沿岸分布。對(duì)于 IST數(shù)據(jù),同樣將該區(qū)域標(biāo)識(shí)為云,未作 IST的計(jì)算。

考慮到研究區(qū)數(shù)據(jù)獲取時(shí)為晴天,因此無(wú)需云掩模數(shù)據(jù)便可直接利用反射率數(shù)據(jù)和 IST數(shù)據(jù)提取海冰分布信息。

(1)根據(jù)反射率數(shù)據(jù)提取海冰分布信息。利用上述判別條件組的 3個(gè)條件進(jìn)行海冰識(shí)別,并將提取的海冰信息 (紅色區(qū)域)疊加到真彩色圖像上 (圖 2);

圖 2 基于反射率特征提取海冰信息Fig.2 Seaice information extraction based on reflectance

(2)根據(jù) IST數(shù)據(jù)提取海冰分布信息。利用式(1)獲取 IST,并以 271.4 K為閾值[4]提取海冰信息(<271.4 K)(圖3)。

圖 3 基于 IST提取海冰分布Fig.3 Sea ice extraction based on IST

由圖 2可見(jiàn),基于判別條件組的方法沒(méi)能正確獲取海冰分布信息,而根據(jù) IST提取的海冰信息較好地反映了實(shí)際情況 (圖 3)。真彩色圖像上的海冰分布較 IST提取的范圍小,這可能由于初生冰較薄、色調(diào)較暗,不宜同海水區(qū)分的緣故。

以上結(jié)果表明,將MOD IS海冰算法應(yīng)用于局地和區(qū)域海冰監(jiān)測(cè)時(shí)有其局限性。同時(shí),海冰反射率與冰的種類、表面狀況及成像時(shí)間等多種因素有關(guān),這些因素的變化會(huì)造成冰水分界點(diǎn)反射率值的較大變化,從而影響算法的精度。亮溫反映了海水結(jié)冰時(shí)的凝結(jié)點(diǎn)溫度,這一溫度在一定海域內(nèi)的變化較小,具有穩(wěn)定性。因此,用 IST資料統(tǒng)計(jì)出的冰水分界點(diǎn)誤判概率最小,可作為區(qū)分海冰和海水的閾值。

4 結(jié)論

(1)在范圍較小的研究區(qū)使用MOD IS海冰產(chǎn)品時(shí)應(yīng)慎重,其獲取的海冰范圍可能同實(shí)際情況不符。

(2)利用 IST提取海冰范圍可以取得較好的效果,在算法設(shè)計(jì)和速度上也具有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然,如果對(duì)計(jì)算量沒(méi)有要求,采用監(jiān)督分類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類等也可以獲得滿意的效果。

(3)MOD IS海冰算法主要提供全球海冰分布和冰表溫度信息,而關(guān)于海冰的其他信息,比如,海冰類型、密集度等,還沒(méi)有全球普適的算法,這些信息的提取還局限于局地或區(qū)域性的范圍。

[1] 國(guó)巧真,陳云浩,李 京,等.遙感技術(shù)在我國(guó)海冰研究方面的進(jìn)展[J].海洋預(yù)報(bào),2006,23(4):95-103.

[2] 吳龍濤,吳輝碇,孫蘭濤,等.MOD IS渤海海冰遙感資料反演[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2006,36(2):173-179.

[3] Riggs G A,Hall D K,Salomonson V V.MOD IS Sea Ice Products User Guide to Collection 5[R/OL].University of Colorado:National Snow and Ice Data Center,2007[2010-3-24].http://modis-snow-ice.gsfc.nasa.gov/siug_c5.pdf.

[4] Hall DK,Riggs GA,Salomons on V V.Algorithm Theoretical Basis Document(ATBD)for the MOD ISS now and Sea Ice-Mapping Algorithm s[R/OL].Washington:NASA,2001[2010-3-24].http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod10.pdf.

[5] 潘淑杰.EOS/MOD IS衛(wèi)星資料在渤海海冰監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].銀川:蘭州大學(xué),2008.

[6] 紀(jì)永剛.基于微波圖像的遼東灣海冰典型要素信息提取[D].青島:中國(guó)科學(xué)院海洋所,2006.

[7] Riggs GA,HallD K,Ackerman SA.Sea Ice Extent and Classification Mapping with the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Airborne Simulator[J].Remote Sensing of Environment,1999,68:152-163.

(責(zé)任編輯:刁淑娟)

The Evaluation of NASAM OD IS Sea Ice Products:a Case Study of Sea Ice in Liaodong Bay

MA Long
(Navigation College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)

NASA MOD IS sea ice products provide global information of sea ice extent and ice surface temperature(IST).However,when it is used for local and regional sea ice mapping,its accuracy needs further validation.Taking sea ice in Liaodong Bay as an example,the author analyzed MOD IS sea ice products,and the result shows that almost all the sea ices in this area are identified as clouds.Based on NASA sea ice algorithm,the author extracted sea ice extent by using sea ice reflectance and ice surface temperature respectively.The results show that ice surface temperature can extract the distribution of sea ice effectively.

MOD IS;IST;Sea ice

馬 龍 (1977-),男,講師,博士,主要從事遙感應(yīng)用研究。

TP 79

A

1001-070X(2011)01-0115-03

2010-03-23;

2010-05-15

教育部新教師基金項(xiàng)目“海上溢油極化 SAR監(jiān)測(cè)方法研究”(編號(hào):20092125120007)。