基于被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)的冰間水道提取及驗(yàn)證

劉 闖，屈 猛，陳 穎，尚小燕，龐小平,

（1.中國南極測繪研究中心，湖北 武漢 430079；2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

冰間水道是在風(fēng)力和洋流等因素的影響下，海冰漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生破裂而形成的線狀開闊水域[1-2]。由于通過冰間水道的熱通量比厚冰要多出2 個(gè)數(shù)量級(jí)，冬季北極中心區(qū)1%～2%面積的冰間水道承擔(dān)了70%的熱量交換[3]。因此，獲取冰間水道分布信息對于北極氣候變化研究具有重要的意義。

冰間水道監(jiān)測的數(shù)據(jù)源主要分為星載遙感、機(jī)載遙感和實(shí)地觀測數(shù)據(jù)三大類。Willmes[4-5]通過MODIS熱紅外影像生成溫度異常值圖，用閾值分割法提取冰間水道，經(jīng)過云濾波后合成日水道數(shù)據(jù)。Lindsay[6]使用AVHRR 數(shù)據(jù)，利用冰間水道的溫度與亮度特征設(shè)置閾值提取冰間水道。Tschudi[7]通過航空相機(jī)，微波輻射計(jì)和輻射高溫計(jì)，手動(dòng)選取每一條水道的點(diǎn)，為不同的水道設(shè)置亮度閾值通過最鄰近法得到連續(xù)的水道。屈猛[8]利用MODIS 和Landsat-8 的熱紅外遙感數(shù)據(jù)，使用劈窗算法反演海冰表面溫度，提取像元的溫度異常值后閾值分割，并對冰間水道內(nèi)湍流熱通量進(jìn)行計(jì)算。

被動(dòng)微波遙感對大尺度冰間水道提取，以及全覆蓋日數(shù)據(jù)的提供具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。但目前的被動(dòng)微波水道提取方法中，大多是基于雙通道的89.0 GHz 和18.7 GHz 垂直極化亮溫比設(shè)計(jì)算法，利用89.0 GHz 單通道水平垂直極化亮溫?cái)?shù)據(jù)提取的研究極少，且尚未有對國產(chǎn)衛(wèi)星FY-3D MWRI 數(shù)據(jù)提取冰間水道能力的評(píng)估報(bào)告。因此本文基于MWRI 亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行冰間水道的識(shí)別和精度驗(yàn)證，并與AMSR 2 被動(dòng)微波數(shù)據(jù)提取的冰間水道產(chǎn)品進(jìn)行比較，評(píng)估其在水道形態(tài)特征提取方面的能力與局限性。

1 數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)概況

1.1 AMSR2 數(shù)據(jù)

AMSR2 是搭載在JAXA 的GCOM-W1（SHIZUKU）星上的多頻微波輻射計(jì)，測量來自地球表面和大氣層的微波輻射。它有7 種頻道，每種頻道上均有垂直與水平偏振測量，其產(chǎn)品按加工等級(jí)進(jìn)行分類。本文選取L3 級(jí)別日平均亮溫?cái)?shù)據(jù)，包括89.0 GHz 的水平（H）與垂直（V）極化數(shù)據(jù)。時(shí)間分辨率為1 d，空間分辨率為6.25 km。其投影方式為NSIDC Sea Ice Polar Stereographic North。數(shù)據(jù)可在National Snow & Data Center 獲取。（網(wǎng)址為https://nsidc.org/）

獲取開闊水域掩膜及分析水道及海冰密集度關(guān)系，需要使用海冰密集度數(shù)據(jù)。本文使用的海冰密集度數(shù)據(jù)是基于AMSR 2 89.0 GHz 亮溫?cái)?shù)據(jù)使用ASI 算法反演所得到，分辨率為6.25 km，投影方式為NSIDC EASE GRID NORTH。該數(shù)據(jù)由不萊梅大學(xué)發(fā)布在https://seaice.uni-bremen.de/start/。

1.2 FY-3D MWRI 數(shù)據(jù)

MWRI 是搭建在風(fēng)云三號(hào)D 星（FY-3）的微波成像儀，可以不受云霧、夜間光線的影響全天時(shí)、全天候獲取地物特征，共有5 個(gè)頻率，10 個(gè)通道實(shí)現(xiàn)對地觀測。且各個(gè)通道的空間分辨率不同，分布在10～75 km 之間。其中89.0 GHz 通道對降水散射信號(hào)敏感，常用于獲取地表降水信息。本文使用升軌亮溫軌道數(shù)據(jù)與降軌亮溫軌道數(shù)據(jù)，空間分辨率為10 km，坐標(biāo)系為WGS84。數(shù)據(jù)可在風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)官方網(wǎng)站中獲取。（網(wǎng)址為http://data.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx）。本文采用基于ASI 動(dòng)態(tài)系點(diǎn)值算法的MWRI 海冰密集度產(chǎn)品，空間分辨率為12.5 km[9]。

1.3 MODIS 數(shù)據(jù)

MODIS 是觀察系統(tǒng)（EOS）的中等分辨率光譜成像儀，搭載在Terra 星和Aqua 星上，Terra 是在10:30 過境的上午星，其數(shù)據(jù)前綴為MOD。Aqua 是在13:30過境的下午星，其數(shù)據(jù)前綴為MYD。本文選取下午星Aqua 數(shù)據(jù)MYD29P1D 進(jìn)行冰間水道的提取，其空間分辨率是1 km，投影方式為蘭勃特方位等積投影（lambert azimuthal equal-Area），數(shù)據(jù)可在National Snow & Data Center 獲取。

利用薄冰分布范圍作為被動(dòng)微波系點(diǎn)值選取的基礎(chǔ)，需要使用L2G 級(jí)MYD09GA 地表反射率數(shù)據(jù)。其空間分辨率為500 m，投影方式為正弦曲線投影。該數(shù)據(jù)可以在Earthdata 獲?。ňW(wǎng)址為https://earthdata.nasa.gov/）。為統(tǒng)一數(shù)據(jù)體系，將所有影像重投影為North Pole Stereographic。

1.4 研究區(qū)域

本研究選取北極冰間水道活動(dòng)最為頻繁的2 個(gè)地區(qū)，波弗特海與弗拉姆海峽作為研究區(qū)域，如圖1 所示。通過數(shù)據(jù)的比對選取氣象條件較好的2018-04-12和2018-04-28 進(jìn)行研究。

圖 1 研究區(qū)域范圍

1.5 實(shí)驗(yàn)流程

本文利用AMSR 2、MWRI、MODIS 3 種數(shù)據(jù)源對冰間水道進(jìn)行提取，評(píng)估不同數(shù)據(jù)源與算法提取水道的結(jié)果相似度。此外，對冰間水道提取結(jié)果進(jìn)行形態(tài)學(xué)方面探究，并對水道與海冰密集度關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)性分析，實(shí)驗(yàn)流程如圖2 所示。

圖2 技術(shù)路線圖

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 被動(dòng)微波提取冰間水道原理

基于冰間水道表面較低的亮溫特征與其細(xì)長線狀特征，被動(dòng)微波提取水道算法首先計(jì)算89.0 GHz 垂直、水平通道的發(fā)射率比值，見公式（1），再將亮溫比r圖像用中值濾波器進(jìn)行平滑。濾波后，將原亮溫比圖像r與濾波結(jié)果相減，得到亮溫比異常值r′，見公式（2）。

式中，TB,89V和TB,89H為89.0 GHz 垂直極化與水平極化亮溫?cái)?shù)據(jù)；r為垂直水平極化比。

式中，Medianω(r)是經(jīng)過窗口為ω的中值濾波器后的亮溫比圖像；r′為亮溫比異常值圖像，利用MYD09GA數(shù)據(jù)提取薄冰范圍參考Cavalieri[10-11]文中方法，將反射率數(shù)據(jù)合成寬波段反照率，設(shè)置閾值提取薄冰范圍。在異常值圖的基礎(chǔ)上結(jié)合薄冰范圍圖，以異常值分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律選取系點(diǎn)值，薄冰的低系點(diǎn)記為r′0，其高系點(diǎn)值為r′100，系點(diǎn)之間的值采用線性插值方法計(jì)算，如公式（3）所示。線性插值得到的異常值越大，像元為冰間水道的可能性也就越大，本文將其稱為水道密集度（LC）。

2.2 熱紅外遙感數(shù)提取冰間水道原理

MYD29P1D 數(shù)據(jù)提取水道的算法基于冰間水道表面溫度較周圍海冰較高的原理。參考Willmes[5]溫度異常值閾值分割算法，使用中值濾波器對海冰表溫產(chǎn)品進(jìn)行平滑，將原像元溫度值與中值濾波后產(chǎn)品作差[13]，見公式（4），利用迭代閾值法得到閾值，該閾值將溫度異常值二值化用以提取水道。

圖3 與圖4 為3 種數(shù)據(jù)提取的4 月12 日、4 月28 日波弗特海與弗拉姆海峽冰間水道及被動(dòng)微波對應(yīng)的海冰密集度分布。水道密集度值在20%～100%之間的AMSR2 冰間水道像元與MODIS 水道的空間位置一致性較強(qiáng)，對于寬度較大的冰間水道均有檢測；水道密集度值在0 ～20%之間的水道像元僅能表示較小尺度的冰間水道，且存在部分錯(cuò)檢。AMSR2 能夠檢測到的冰間水道寬度最小約為2.5 km。

圖3 波弗特海冰間水道及海冰密集度圖

圖4 弗拉姆海峽冰間水道提取圖

MWRI 亮溫?cái)?shù)據(jù)提取的冰間水道整體水道密集度較低，大部分為水道密集度在10%～100%區(qū)間內(nèi)的冰間水道像元。水道密集度在10%～100%范圍內(nèi)的像元，能夠與MODIS 提取的寬度較大的冰間水道較好地重疊；水道密集度值在0 ～10%的像元?jiǎng)t加強(qiáng)了冰間水道的連續(xù)性，使水道呈現(xiàn)面狀特征而非線狀特征。經(jīng)過ENVI 中測距工具的手動(dòng)測量估計(jì)，MWRI 能夠檢測到的冰間水道寬度最小約為4 km。

式中，ΔT為溫度異常值；T為表面溫度；Medianω(T)為濾波后的海冰溫度。

2.3 冰間水道形態(tài)學(xué)特征提取原理

利用LSD 算法對冰間水道進(jìn)行檢測并計(jì)算。定義冰間水道長度為水道端點(diǎn)間大圓航線的劣弧距離，見公式（5）。其中，ER 為地球半徑。

3 閾值劃分

3.1 熱紅外遙感閾值

選用ω=31 的窗口對海冰表面溫度進(jìn)行中值濾波。設(shè)置迭代的限差為0.001，利用迭代閾值法生成分割的閾值，閾值的選取如表1 所示。

表1 MODIS 閾值的選取

3.2 可見光遙感閾值

利用MODIS 地表反射率合成寬波段反照率（BA），見公式（7），可以設(shè)立0.1 ≤BA≤0.6 的閾值對薄冰范圍進(jìn)行提取。

BA=0.326 5×B1+0.436 4×B3+0.236 6×B4 （7）

3.3 被動(dòng)微波系點(diǎn)值

選用ω=7 作為中值濾波窗口，作差得到亮溫比異常值。通過與可見光的冰間水道進(jìn)行對比，分別統(tǒng)計(jì)落在薄冰范圍與非薄冰范圍的像元，由統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律選取的系點(diǎn)值如表2 所示。

表2 薄冰系點(diǎn)值

4 分析結(jié)果

4.1 冰間水道提取結(jié)果

表3 為3 種數(shù)據(jù)提取的冰間水道總面積，3 種數(shù)據(jù)提取的冰間水道總面積維持在同一數(shù)量級(jí)。被動(dòng)微波提取水道總面積略小于熱紅外遙感提取結(jié)果，可能原因是被動(dòng)微波遙感使用的亮溫比異常值算法主要針對薄冰覆蓋的冰間水道，漏檢了部分開闊水域覆蓋的冰間水道。對于波弗特海28 日提取結(jié)果，反而出現(xiàn)了熱紅外遙感總面積最小的情況。從冰間水道的分布可以看出，28 日波弗特海3 種數(shù)據(jù)水道分布范圍整體出現(xiàn)了較為吻合的情況，可能原因是當(dāng)日水道大部分為薄冰覆蓋，被動(dòng)微波提取結(jié)果較好，而其像元分辨率較低則高估了水道面積。

表3 冰間水道總面積對比

綜上，AMSR 2 亮溫?cái)?shù)據(jù)提取水道的結(jié)果，對冰間水道這一線狀特征的描述較為適中，MWRI 分辨率較低、像元尺寸較大，會(huì)高估冰間水道的寬度。兩者對于冰間水道總面積的提取，都會(huì)存在一定的低估。

4.2 冰間水道形態(tài)學(xué)特征

除了對水道面積進(jìn)行對比以外，本文還利用LSD算法對被動(dòng)微波提取的冰間水道進(jìn)行直線提取。表4為冰間水道長度的對比，被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)提取出的冰間水道相對于MODIS 數(shù)據(jù)源會(huì)高估冰間水道的實(shí)際長度。該高估現(xiàn)象的原因可能是被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)較大的像元，使冰間水道連接性增高。

表4 冰間水道提取結(jié)果長度對比

對冰間水道結(jié)果圖做最小外接矩形檢測，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5 所示。在冰間水道形態(tài)學(xué)參數(shù)方面，3 種數(shù)據(jù)源得到的冰間水道寬度分布均服從冪律分布規(guī)律，且證實(shí)了被動(dòng)微波亮溫?cái)?shù)據(jù)具有提取出寬度大于像元分辨率1/3 的冰間水道的可能性?？偟膩碚f，AMSR 2 與MWRI 亮溫?cái)?shù)據(jù)提取的冰間水道對長度和寬度都存在約為MODIS 數(shù)據(jù)2 倍的情況。

圖5 AMSR 2、MWRI、 MODIS 冰間水道寬度分布圖

4.3 AMSR 2、MWRI 數(shù)據(jù)海冰密集度與冰間水道關(guān)系

以AMSR 2 數(shù)據(jù)提取的冰間水道作為分析對象，如圖3 與圖4 所示。12 日和28 日波弗特海水道密集度值為100%的像元，對應(yīng)的海冰密集度大多在50%以下；水道密集度值在50%～100%范圍內(nèi)的水道像元與具有線狀特征的海冰密集度像元高度重合。

在弗拉姆海峽，水道密集度在50%～100%范圍內(nèi)的水道像元覆蓋了大部分海冰密集度較低區(qū)域，50%以下的水道密集值像元覆蓋了次顯著的區(qū)域，以及少數(shù)位于格陵蘭海附近和北冰洋高密集度混合區(qū)域。從目視分析整體角度上看，AMSR 2 6.25 km 海冰密集度數(shù)據(jù)與水道范圍較一致。

以10%為區(qū)間，統(tǒng)計(jì)各海冰密集度區(qū)間內(nèi)像元的水道密集度，如圖6 所示。整體上，較高海冰密集度的像元多出現(xiàn)在低水道密集度的區(qū)域，較低海冰密集度像元出現(xiàn)在水道密集度為100%的像元位置幾率更大。對于落在水道范圍內(nèi)的海冰密集度100%的像元，認(rèn)為它是異常的，約占整體冰間水道像元數(shù)量的5%。異常原因可能是由于冰間水道結(jié)構(gòu)較小，存在冰水混合現(xiàn)象的海冰密集度像元難以表現(xiàn)出來。

圖6 AMSR 2 SIC 區(qū)間內(nèi)像元的LC 分布

對AMSR 2 亮溫?cái)?shù)據(jù)提取的冰間水道及其海冰密集度產(chǎn)品而言，海冰密集度小于80%的像元，為冰間水道像元的可能性較大；密集度在80%～100%范圍內(nèi)的像元，為冰間水道像元的可能性較小。冰間水道與海冰密集度整體成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

以MWRI 數(shù)據(jù)提取的冰間水道作為分析對象，如圖3 與圖4 所示。波弗特海12 日和28 日的水道密集度為100%的像元，海冰密集度大部分都在90%以下；水道密集度在大于70%區(qū)間內(nèi)的像元位置，與大部分具有線狀特征的海冰密集度區(qū)域重合；0～70%水道密集度區(qū)間內(nèi)的像元，大多位于高海冰密集度以及明顯線狀特征的像元邊緣區(qū)域。

弗拉姆海峽12 日和28 日水道密集度為100%的像元，大部分都位于顯著的海冰邊界區(qū)域，這些區(qū)域的海冰密集度在15%～70% 之間；水道密集度在40%～100% 范圍內(nèi)的水道像元，能夠基本覆蓋較為明顯線狀特征，這些區(qū)域的海冰密集度大致在80%～95% 之間；20%～40% 區(qū)間內(nèi)的水道密集度值像元，大多位于海冰密集度95% 左右的線狀特征邊緣；小于20% 水道密集度的像元分布，一部分同20%～40%區(qū)間相似，另一部分則位于100%海冰密集度像元處。

以10% 為間隔劃分區(qū)間，統(tǒng)計(jì)MWRI 各海冰密集度區(qū)間內(nèi)像元的水道密集度。如圖7 所示，較低海冰密集度的像元，在波弗特海區(qū)域水道密集度多為100%，在弗拉姆海峽則呈散布狀態(tài)。在高海冰密集度范圍，落在50%以下水道密集度區(qū)間內(nèi)的像元約占全部的85%。冰間水道內(nèi)100%海冰密集度的異常像元，約占水道像元總數(shù)的9%，異常原因可能是12.5l km 的較大尺度數(shù)據(jù)更易發(fā)生冰水混合現(xiàn)象。

圖7 MWRI SIC 像元內(nèi)LC 的分布

總體而言，海冰密集度小于85%的像元，為冰間水道像元的可能性較大；海冰密集度在85%～100%范圍內(nèi)的像元是否為冰間水道，需要綜合考慮水道密集度等因素。

5 結(jié) 語

本文使用89.0 GHz 單通道垂直水平極化比算法，結(jié)合MODIS 地表反射率數(shù)據(jù)生成的薄冰范圍選取系點(diǎn)，生成冰間水道分布圖。由此對冰間水道形態(tài)學(xué)特征以及海冰密集度相關(guān)性進(jìn)行了探究。

主要結(jié)論如下:

1） 通過LSD 直線檢測算法和最小外接矩形算法，計(jì)算本文中被動(dòng)微波數(shù)據(jù)源提取冰間水道的長度和寬度。被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)提取出的冰間水道長度要遠(yuǎn)高于熱紅外遙感，在冰間水道寬度方面，3 種數(shù)據(jù)提取結(jié)果服從冪律分布特征。2）被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)提取的冰間水道，大尺度冰間水道與MODIS 水道空間分布范圍均較為一致。冰間水道密集度與海冰密集度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。對于AMSR 2，水道密集度空間范圍與海冰密集度較為一致；對于MWRI，在冰間水道密集度高的像元，與海冰密集度分布范圍較為吻合，低水道密集度的像元上與海冰密集度分布范圍存在不一致情況。