MODIS多波段数据对南极海冰变化的监测研究

以归一化雪被指数法为基础,根据南极的环境特点,提出了MODIS影像的0.86μm与1.24μm的新波段组合方法,分别实现了晴空与薄云下的海冰提取,大幅度地提高了南极海冰监测的效率与分辨率。结合AMSR-E微波数据进行了海冰变化研究,得到2002~2010年的全南极海冰范围与净冰面积都在2月份达到最小值,均值分别为3.17×106 km2与2.42×106 km2;都在9月份达到最大值,均值分别为18.40×106 km2与16.60×106 km2。而全南极海冰的年际变化可分为三个阶段:从2002~2004年,海冰基本持平;2005~2007年,海冰减少;2008~2010年,海冰重新增长,这与南极海冰20a长周期的推断相符合,但9年间的全南极海冰无明显的趋势性变化。     

基于卫星测高后向散射系数的极区海冰分布特性研究

海冰对气候变化非常敏感,了解极地海冰分布范围和表面属性不仅对于极地环境非常重要,对全球温度趋势估计和建立全球气候模型非常关键。ENVISAT卫星可覆盖至南北纬81.4°,其携带的RA2雷达高度计为极地海冰研究提供了周期性的主动微波海冰探测途径。本文用ENVISAT雷达高度计探测的Ku波段后向散射系数对2011年南极和北极各月份的海冰覆盖特征（范围和海冰表面属性）进行了详细研究,利用海水和海冰的不同散射特征,设置后向散射系数阈值为13db可成功分离海冰和海水。除夏季外,雷达高度计和美国冰雪数据中心基于辐射计获取的极区海冰覆盖边界高度符合。因北极中央区域（81.4°N以北）没有轨迹覆盖,本文只估计了南极海冰的覆盖面积,夏季海冰的覆盖范围面积比辐射计探测结果偏大,这和雷达高度计对离散薄冰较强的观测能力关,在海冰密集分布的其他季节结果则有很好的符合,其中冬季面积平均差异为0.17 Mkm2。分析了南极和北极海冰的分布特征差异,和南极相比北极冬季海冰表面较粗糙干燥,而夏季海冰表面湿度较大。本文研究结果表明ENVISAT雷达高度计可准确的探测包括海冰覆盖和海冰表面属性变化在内的海冰季节性演变过程,可在海冰监测、极地科考等领域中发挥重要作用。     

面向极地海冰变化监测的卫星遥感技术研究进展

介绍了遥感传感器技术的发展,着重探讨了其在观察极地地区进行观测的适用性。极地地区与全球气候变化之间的关系和相互作用是气候变化研究的焦点。海冰的广泛覆盖对大气、海洋和极地地区特别是对其他地方的、其他进程的陆地和海洋生态系统产生重大影响。海冰覆盖了极地海洋广阔的区域,而两极地区的海冰受气候变化影响而产生的变化却不同,北极海冰面积减少趋势明显而南极海冰面积却有上升趋势。本研究回顾了海冰遥感领域的相关文献,评估不同传感器监测海冰物理特性的优势和劣势。分析了传感器的规格和获取的数据,概括了它们如何发展以满足用户不断增长的需求。同时,讨论了不同的遥感技术和观测方法及其在监测海冰变化方面的适用性。本文利用不同的数据集对海冰特性进行进一步的研究,总结了用于海冰监测的数据集以监测这些实地很难到达的区域。     

验潮与GPS联合监测南极中山站附近海冰厚度变化

基于力学平衡原理,提出了一种联合验潮与GPS测量极区海冰厚度的新方法。由海冰上的GPS观测可得到海冰上表面高,验潮可提供海水面高,联合两种观测数据可计算得到海冰干弦高度,再结合海冰表面积雪厚度与冰雪密度数据,由力学平衡原理可构建海冰厚度的计算模型。根据这一原理,通过中国第28次南极科考队在中山站附近海冰上的实验,监测到了2012年9月22日至11月9日的海冰厚度变化。与钻孔实测冰厚相比,其总体精度达到了cm级,最大差异为8.9cm,差异的均方根为5.4cm。     

基于多源遥感数据的北极新冰提取及范围时序变化分析

本文利用多源遥感数据从不同空间尺度对2004年至2012年间北极地区新冰进行了提取并对其范围变化进行了分析。统计分析结果表明,北极海冰总体覆盖面积与北极近地表气温的变化呈反比;新冰覆盖面积的变化与海冰总面积的变化相比较缓慢;北极各个区域新冰覆盖范围的变化与各区域近地表温度的变化有较大的关联。     

基于形态学的海冰外缘线自动提取

海冰外缘线是一个描述北极海冰快速变化的重要指示参数,对近岸冰区航行保障和海冰灾害预警具有实际意义。本文首先基于形态学中的方法分别识别数据中的主体冰域、主体水域和碎冰区。其次利用可变图像闭运算方法将较大碎冰与主体冰区合并,最后再利用连通域方法提取海冰外缘线。该方法可适用于任何冰水二值数据集,包括海冰密集度产品数据、卫星图像、航拍图像以及其他冰水混合数据。本文基于AMSR-E海冰密集度数据,利用此方法提取了北冰洋10个区域的海冰外缘线,与15%海冰密集度等值线比较表明,本文方法能够保留较大面积的碎冰区域,并将其与主体冰域合并处理,因此所提取的海冰外缘线在衡量大尺度海冰范围方面更为合理。     

利用CryoSat-2测高数据研究南极威德尔海海冰出水高度时空变化

为了提高南极海冰出水高度的估算精度,以威德尔海为例,基于CryoSat-2卫星测高数据,联合冰桥计划(IceBridge)机载测高数据和科考船走航观测数据,获取应用最低点高程法反演海冰出水高度的最佳估计参数,进而估算并分析了 2011-2017年,每年5月-10月威德尔海海冰出水高度的时空变化.结果表明,最佳的出水高度...     

利用船测数据以及Landsat-7 ETM+影像评估南极海冰区AMSR-E海冰密集度

利用第26次中国南极科学考察期间收集的海冰密集度船基观测资料以及由Landsat-7 ETM+得到的海冰密集度来验证AMSR-E南极海冰区海冰密集度产品的精度。AMSR-E海冰密集度与船基目视观测的海冰密集度存在着一定的线性关系(R²=0.816), 但两者匹配得并不是很好。与ETM+海冰密集度相比,AMSR-E数据趋向于低估海冰密集度,在25景晴空条件下的ETM+影像中,平均海冰密集度偏差(AMSR-E海冰密集度-ETM+海冰密集度)从-5.33%到-21.5%,而相应的均方根误差RMSE (Root Mean Squared Errors)从13.7%到33.8%。依据Landsat-7 ETM+ 海冰分类,AMSR-E数据海冰密集度最大的误差产生于新冰区。     

利用FY-3B MWRI遥感数据反演南极海冰表面积雪厚度

海冰表面积雪厚度是冰冻圈和全球气候系统的重要组成部分,在海洋、海冰和大气的能量传输中起着关键的作用。针对目前缺乏南极海冰表面积雪厚度国产卫星遥感数据产品的问题,本文探索应用FY-3B MWRI被动微波亮温数据开展南极海冰表面积雪厚度的遥感反演研究。结果表明基于2016年FY-3B MWRI 18.7 GHz、36.5 GHz垂直极化亮温及海冰密集度数据,采用Comiso03模型反演的积雪厚度结果较Markus98更好,与AWI2016年部署在威德尔海的浮标(2016S31、2016S37、2016S40)观测的积雪厚度同日同像元对比的偏差为-1.72 cm。FY-3B MWRI反演的2016年南极海冰表面积雪厚度与美国雪冰数据中心发布的GCOM-W1 AMSR-2积雪厚度产品整体上具有较好的一致性(时空平均偏差为-0.11 cm、相关系数为0.90),积累期和稳定期(4—10月)两者差异较小(时空平均偏差为-0.81 cm,相关系数为0.93),消融期(11月—次年3月)差异较大(时空平均偏差为2.76 cm,相关系数为0.85),差异主要分布在威德尔海北部和东南极冰边缘区。开展FY-...     

利用全极化SAR数据的极化特征获取海冰密集度的算法

本文提出了一种利用全极化SAR数据的极化特征获取海冰密集度算法。首先,对全极化SAR数据进行多视化及滤波等预处理,以获取相干矩阵与协方差矩阵;其次,通过相干矩阵与协方差矩阵获取若干极化特征,对这些极化特征进行相关性与冗余性分析,构建最优特征空间;然后,将最优特征空间作为输入量放入神经网络分类器中,得到海冰分类结果;最后,根据海冰分类结果提取海冰密集度。选用拉布拉多南部海域2景全极化Radarsat-2影像获取海冰密集度,与业务化海冰密集度产品ASI-3125进行对比研究。本文算法结果与ASI-3125海冰密集度分布趋势基本一致,总体上略大于ASI-3125海冰密集度,标准差值分布为3.46%和6.82%,说明利用高分辨率全极化SAR数据在监测边缘区域小尺寸破碎海冰方面具有优势。     

多源遥感数据在南极冰雪变化监测中的应用研究

正南极独特的地理环境和恶劣的自然条件给南极冰雪变化的系统研究带来了种种限制,直到卫星遥感技术的发展为相关研究提供了新的技术与方法。然而,在南极冰雪环境快速变化的前提下,单一的遥感传感器难以满足人类对南极的持续监测;因此,多源遥感数据在南极冰雪变化监测中的应用研究成为了南极科学研究与遥感技术研究双双发展的必然。本文使用光学遥感影像、主动微波遥感影像及被动微波遥感影像等多源遥感数据,分别在南极局部区域与     

2000—2015年北极夏季反照率变化及其与海冰密集度的关系

作为影响极区热平衡的关键因素,北极反照率会对北极气候与环境变化产生重要影响。采用CLARA-A2-SAL(The CM SAF Cloud,Albedo and Radiation)反照率产品分析2000—2015年北极夏季反照率月尺度和年尺度的时空变化,并探索北极反照率与海冰密集度的关系。结果表明,近15年间北极夏季反照率降幅达到12.20%,8月反照率下降趋势最显著,每10年减少0.040;随着海冰的融化,北极夏季反照率发生由高到低的变化;北极中央密集冰区与周边海域的反照率变化呈现出显著的空间差异性;北极反照率与海冰密集度呈稳定的正相关。研究北极反照率的时空变化及其影响因素可为解释海冰变化成因、预测北极海冰变化趋势提供参考。     

FY-3B/MWRI北极海冰密集度ASI算法反演研究

近年来,由于“北极放大”的气候效应,使得北极海冰变化受到了越来越多的关注。而作为海冰被动微波遥感的主要参数,海冰密集度SIC (Sea Ice Concentration)能够表征海冰的主要状态,可用于指导极区走航以及进行不同尺度的海冰变化研究。通过该参数还可以计算出海冰面积、海冰范围等信息,对极区冰情预测以及气候变化研究具有重要意义。本研究探讨了如何利用FY-3B/MWRI (FY-3B/MicroWave Radiometer Imager)较高分辨率通道数据来反演北极地区海冰密集度。基于ASI (ARTIST (Arctic Radiation and Turbulence Interaction STudy) Sea Ice)算法,本研究通过改进算法系点值的方法反演了北极地区海冰密集度,并将反演结果与MWRI海冰密集度产品进行了对比。首先利用Aqua/MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)反射率数据获得的海冰密集度对二者进行了验证。结果表明,本研究选用的新系点值ASI算法在全部数据集范围内的平均偏差与MWRI海...     

利用IceBridge测高数据计算海冰干舷的方法研究

冰桥计划(Operation IceBridge,OIB)自2009年启动以来,为监测南北极海冰、冰盖和冰川的变化,提供了大量高精度、高分辨率的观测数据。本文从准确、快速处理计算海冰干舷的需求出发,以南极威德尔海2017年11月14日海冰航线中机载地形扫描测绘仪1B级测高数据(airborne topographic mapper level-1B elevation and return strength, ATM L1B)4个扫描条带为实验区,提出了结合ATM L1B测高数据表面反射率截止值和高程最低点的方法来计算海冰干弦。结果表明利用表面反射率R<0.33提取冰间水道内ATM L1B点,再从中取高程最低10个点计算局部海面高是准确、可行的方法。该方法能够实现程序化快速、准确处理大量ATM L1B数据,计算海冰干舷。     

基于TerraSAR-X全极化数据的北极地区海冰信息提取

北极地区海冰既受全球气候变化的影响,同时也影响着全球气候的变化,因此,北极地区已成为研究全球气候变化的热点区域之一。然而,由于北极地区环境恶劣,传统的实地勘测方法成本高,且难度较大。遥感技术,特别是合成孔径雷达(SAR)和全极化SAR技术的迅速发展,为北极地区海冰信息的提取提供了更加有效的数据获取方法。以TerraSAR-X全极化数据为基础,采用SEATH(separability and thresholds)面向对象影像分析方法,评估各种极化特征用于提取北极地区海冰信息的能力,并通过分类实验对其结果进行验证。研究表明:|VV|,T11和SPAN等极化特征对海冰具有较好的区分度,这将为大范围的北极地区海冰信息提取以及海冰监测卫星的参数设计提供理论基础。     

基于Bootstrap算法的FY-3/MWRI北极海冰密集度反演

海冰作为全球气候系统的重要组成部分,不仅影响着大气与海洋环流,也是气候变化的重要指示器。海冰密集度是描述极地海冰极为重要的地球物理参数之一。本文基于风云三号卫星微波成像仪(MWRI)亮温数据开展北极海冰密集度反演研究,采用线性回归和阈值法确定了动态亮温系点值,利用天气滤波器和陆地污染修正法消除了天气和陆地对海冰密集度反演的影响,计算了2019年—2020年海冰范围和海冰面积并与同类产品进行了比对。结果表明,本研究获取的北极海冰密集度产品与NSIDC发布的海冰密集度产品有较高的相关性,海冰密集度的差异在冬季小于3%,夏季小于8%。利用SAR数据进行了不同产品的结果评估,结果表明本文算法的反演结果优于NASA Team算法,在冬季精度约有1%的提升,在夏季精度约有4%左右的提升。动态亮温系点值较好地反映了海冰辐射特性的季节变化。本研究为中国自主卫星的海冰密集度产品的业务化发布奠定了基础。     

基于Landsat-8数据和MODIS数据的渤海海冰信息提取

渤海地区是我国经济最为发达的地区之一,但每年冬季该地区经常遭受不同程度的海冰灾害。截至目前,海冰灾害已经造成该地区石油平台多次倒塌,船舶受损和航运受阻,严重影响该地区的经济发展~([1])。本文基于2016年的Landsat-8辽东湾数据和MODIS渤海数据进行海冰范围的提取,并计算海冰的面积、密集度等信息,然后建立MODIS数据海冰的短波宽带反射率和厚度之间的对应关系,计算出海冰的厚度,从而对海冰实现分类。     

南极海冰密集度多源数据的交叉检验

通过研究交叉检验船测样点上的7种不同尺度的海冰密集度数据,发现相同时间和相同空间尺度的海冰密集度值吻合度最高,不同时间不同尺度的海冰密集度值的相关性较弱。由数据获取时间不同引起的密集度差异在高分辨率数据上体现明显。真实船测点与伪船测点之间的吻合度不高,受观测者主观因素、天气条件、影像处理质量和伪船测点提取方法的影响。虽然伪船测点方法在海冰边界研究中具有快速、大面积提取边界点的优势,但需要控制提取算法中的误差传播。     

MODIS影像支持下的渤海海冰时空特征变化分析

基于2000-2014年渤海区域每年冰期的MODIS影像数据,利用ENVI进行了数据处理并提取了海冰信息,通过ArcGIS软件对每年海冰结冰日、盛冰日、终冰日的具体时间及每年海冰最大面积数据进行了统计分析。研究结果表明,14年间渤海海冰的初冰日呈退后状态,盛冰日和终冰日均有所提前,整体冰期基本维持在70~100天。通过对最长冰期和最短冰期的海冰面积信息进行详细分析发现,渤海的冰期长短、盛冰日海冰面积和冰情等级三者之间密切相关。     

基于HJ-1C SAR数据的辽东湾海冰分类

针对海冰遥感分类问题,使用我国首颗民用合成孔径雷达卫星环境一号星(HJ-1C)图像的S波段VV极化SAR数据进行辽东湾海冰分类,提出了一种针对单极化SAR数据的海冰分类方法。使用基于SAR数据的3种海冰信息作为分类依据,即灰度信息、灰度共生矩阵纹理信息及基于平整冰面积百分比提取的平整冰密集度信息。研究结果表明,平整冰密集度信息是区分碎冰和风致纹理粗糙开阔水的有效信息。使用最大似然法与决策树融合的分类方法可以有效地识别封冻期辽东湾海域的碎冰、平整冰和开阔水3种类型,为海冰分类提供了一种新思路。