MODIS影像支持下的渤海海冰時空特征變化分析

陳艷紅，劉瑞敏，龍　輝

(1. 石家莊經濟學院，河北 石家莊 050031； 2. 北京城建勘測設計研究院有限責任公司，

北京 100101； 3. 江蘇萬源測繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222000)

CHEN Yanhong,LIU Ruimin，LONG Hui

MODIS影像支持下的渤海海冰時空特征變化分析

陳艷紅1，劉瑞敏2，龍輝3

(1. 石家莊經濟學院，河北 石家莊 050031； 2. 北京城建勘測設計研究院有限責任公司，

北京 100101； 3. 江蘇萬源測繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222000)

Change Analysis of the Spatio-temporal Characters of Sea Ice in the Bohai Sea Based on MODIS Images

CHEN Yanhong,LIU Ruimin，LONG Hui

摘要：基于2000—2014年渤海區域每年冰期的MODIS影像數據，利用ENVI進行了數據處理并提取了海冰信息，通過ArcGIS軟件對每年海冰結冰日、盛冰日、終冰日的具體時間及每年海冰最大面積數據進行了統計分析。研究結果表明，14年間渤海海冰的初冰日呈退后狀態，盛冰日和終冰日均有所提前，整體冰期基本維持在70~100天。通過對最長冰期和最短冰期的海冰面積信息進行詳細分析發現，渤海的冰期長短、盛冰日海冰面積和冰情等級三者之間密切相關。

引文格式： 陳艷紅，劉瑞敏，龍輝. MODIS影像支持下的渤海海冰時空特征變化分析[J].測繪通報，2015(9)：83-86.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0286

關鍵詞：渤海海冰；MODIS；時空變化；統計分析

中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0083-04

收稿日期：2015-01-07

作者簡介：陳艷紅(1977—)，女，碩士，講師，主要從事測繪與地理信息方面的教學與研究工作。E-mail：bjcyh@163.com

一、引言

渤海海域的海冰一般起于12月中旬，至第2年3月中旬終止[1]。為減少海冰災害對經濟的影響，海冰研究已成為我國海洋事業研究的主要課題。自1999年Terra衛星發射以來，國內一些學者基于MODIS影像對渤海海冰進行了研究。如鄧娟等[2]證明了MODIS影像對海冰和海水的判別精度高；鄭小莉等[3]對MODIS數據檢測海冰的能力進行了評估分析。本文選擇2000年12月至2014年2月渤海14個冰期內的MODIS影像，根據提取的海冰信息數據對渤海海冰長期時空變化特征進行分析。

二、數據獲取與海冰信息提取

1. MODIS數據獲取

筆者從美國戈達德航天中心網站免費下載2000—2014年(每年12月5日至第二年3月25日)的MODIS遙感影像圖，從研究目的出發選擇下載250 m分辨率的MODIS L1B數據。依據研究內容與數據質量，利用每個渤海冰期MODIS遙感影像，篩選出能查看海冰初冰日、盛冰日、終冰日3個時間節點的影像，共選擇42幅MODIS影像作為研究的基礎數據。

2. MODIS數據處理

MODIS數據的HDF文件中自帶了相關的定位信息。本文主要應用ENVI 4.4進行數據處理[4]，主要步驟有：①MODIS數據預處理，包括幾何校正和大氣校正，另外為方便提取海冰信息，應進行經緯度裁剪、矢量化海域及掩膜等基本處理；②影像增強處理，針對不同的MODIS影像采用Laplacian、Robert等合適的濾波算法進行增強處理，以提高人工目視解譯提取海冰信息的精度。

3. 海冰信息提取

綜合考慮ENVI軟件的易于實現性和面積提取的精確性，本研究在提取渤海海冰信息時，采用最基礎的歸一化積雪指數與目視解譯相結合的方法從MODIS影像中提取海冰面積的像元數，該方法是ENVI軟件中提取遙感影像中目標信息最常用的方法，實踐次數多，精度和可靠性較高。通過ENVI提取海冰面積的像元數，每個像元面積為0.062 5 km2，在ArcGIS 10.0中進行面積計算，計算結果見表1。

三、渤海海冰時空特征變化分析

1. 海冰冰情變化特征

渤海處于北半球緯度最低的結冰海域，屬于半封閉式的內海，受周圍陸地氣溫環境的影響較大，使得渤海的海冰種類以新海冰和一年冰為主[5]。海冰面積是分析海冰發展變化的主要數據依據，每年冬季的海冰最大面積數據更是判斷該冰期冰情等級的關鍵因子。

根據表1中渤海海冰面積信息統計結果，參考國家海洋局于1973年制定的《中國海冰冰情預報等級》的劃分標準[6]，利用ArcGIS制作渤海海冰冰情等級分布圖(如圖1所示)。

表1　2000—2014年渤海冰期海冰面積信息

圖1　渤海海冰冰情等級分布

2. 海冰冰期變化特征

通常將每年海冰冰期分為初冰期、盛冰期和融冰期[7]，因而出現3個相對應的時間節點，即初冰日、盛冰日和終冰日。根據表1的渤海海冰信息的統計結果，得到每年冬季渤海海冰的冰期日數統計(見表2)。

表2　2000—2014年渤海冰期日數統計

根據表2數據可知，2000—2014年渤海海冰冰期最短為71 d，最長為95 d，大部分冰期日數徘徊在80~90 d，冰期日數較20世紀偏少了5 d左右。2012—2013年的冰期為整個研究年際的最大值，分析該冰期的海冰發展情況發現，海冰最大面積為30 236.875 km2，并不屬于嚴重冰清年份，但是根據MODIS影像數據的篩選及后期處理結果顯示，該冬季渤海海域的初冰日較早，終冰日推遲到3月13日，融冰期持續時間長，致使整個冰期時間加長。另外，2000—2001年和2009—2010年的冰期達到94 d，也屬于研究年際中的高峰值，通過查看這兩個冰期的其他海冰信息發現這兩個冰期的冰情均屬于重冰等級。同時，根據表2，2001—2002年和2006—2007年的渤海海冰冰期同為71 d，是整個研究年際內的最小值，查看兩個年份的海冰面積信息得知這兩個冰期的渤海冰情均屬于輕冰等級，因此確定渤海海冰的冰期長短與冰情等級有著直接的聯系。

3. 海冰盛冰日面積變化特征

根據表1的海冰面積信息，采用Excel制作海冰最大面積年際變化圖(如圖2所示)。

由圖2顯示的渤海海冰最大面積年際變化圖及表1的面積數據統計結果可知，2000—2014年的14個冰期中，2000—2001年的海冰最大面積超過40 000 km2，達到本研究時段的最高峰；在2001—2002年的冰期中海冰最大面積大幅度減少低于10 000 km2，下滑幅度達到79.4%；之后連續4個冰期的海冰最大面積呈平穩上升狀態，到2006-02-08海冰最大面積接近30 000 km2，達到常冰等級；在2006年冬季的冰期中海冰最大面積再次大幅度減少，2007-02-11海冰最大面積值也低于10 000 km2，基本接近2000—2001年的海冰最大面積值，屬于輕冰年；2007—2008年的冰期中海冰最大面積呈上升趨勢，上升幅度達58%；2008—2009年冰期中海冰最大面積再次減少17%，統計為17 505.625 km2；2009—2011年兩年的冰期中海冰面積大幅度增加，接近40 000 km2，連續兩個冰期的海冰最大面積相差幅度僅為0.4%，均屬于重冰年；2011—2014年這3年的冬季冰期中，海冰最大面積較之前兩年明顯下降，到2013—2014年海冰最大面積更是急速減少，低于15 000 km2，達到2006—2007年以來海冰面積的最低點。

圖2　渤海海冰最大面積年際變化

四、結束語

本文采用14年渤海冬季MODIS影像為主要數據源，對渤海海冰時空特征的長期變化進行了分析研究，主要包括海冰冰情變化特征、海冰冰期變化特征、海冰盛冰日面積變化特征，并提出了相應的結論。為提高海冰面積變化的精度，未來在采用較高分辨率的衛星影像及多傳感器數據融合方面還要加強研究。

參考文獻：

[1]韓素芹,黎貞發,孫治貴,等.EOS/MODIS衛星對渤海海冰的觀測研究[J].海洋通報,2005,25(6):624-628.

[2]鄧娟,柯長青,雷瑞波,等.2009年春夏季北極海冰運動及其變化監測[J].極地研究,2013,25(1):96-104.

[3]鄭小莉,楊曉梅,劉興權.衛星遙感影像對海洋監測能力的評估分析——以渤海海區為例[J].地球信息科學學報,2009,11(6):860-866.

[4]杜啟勝,劉志平,王新生.基于ENVI的MODIS數據預處理方法[J].地理空間信息,2009,7(4):98-100.

[5]余勇.衛星遙感監測渤海遼東灣海冰變化規律的研究[D].大連:大連海事大學,2011.

[6]唐茂寧,劉煜,李寶輝,等.渤海及黃海北部冰情長期變化趨勢分析[J].海洋預報,2012,29(2):45-49.

“中海達杯”第八屆全國高等學校測繪學科青年教師講課競賽閉幕

[本刊訊]由教育部高等院校測繪類專業教學指導委員會、中國測繪地理信息學會教育工作委員會聯合主辦的“中海達杯”第八屆全國高等學校測繪學科青年教師講課競賽日前在西安落下帷幕。

競賽活動于2015年7月31日至8月2日在西安科技大學舉辦。出席講課競賽的代表來自全國70多所高等院校，達300余人。其中參加講課競賽的青年教師113人，來自全國50所高校；做評委和仲裁工作的57位教授，來自全國45所高校。 本次競賽有4門課：測量學、大地測量學基礎、攝影測量遙感和地圖制圖基礎。比賽采用按課程分組預賽、決賽的形式進行，設特等獎、一等獎和二等獎。

經過緊張激烈的角逐，信息工程大學馮其強、武漢大學詹總謙、西安科技大學婁寧等14名選手獲特等獎；西安科技大學席晶，武漢大學史俊波，河南理工大學王輝連、李天子等30名選手獲一等獎；遼寧科技大學宮雨生、蘭州理工大學凌晴、安徽理工大學王世航、遼寧工程技術大學劉正綱等47名選手獲二等獎。

選手們在競賽期間進行了廣泛的交流，不僅賽出了水平，也充分展示了各校的教學水平和教學風格。這次講課競賽不僅是一次全國測繪學科課堂教學方法的競賽，也是對近幾年的教學理念、教學能力和教學改革成果的檢驗。通過競賽，青年教師的教學水平、運用多媒體技術教學的能力及駕馭課堂教學的能力都有了很大提高。選手們在講課過程中不僅充分發揮了多媒體技術的優勢，也較好地繼承和發揚了傳統教學方法的先進經驗和教學方法。

(本刊編輯部)