基于MODIS数据的渤海海冰厚度反演算法优化

朱星源; 苏洁; 宋梅; 杨茜; 梁韵

doi:10.12284/hyxb2022141

基于MODIS数据的渤海海冰厚度反演算法优化

doi: 10.12284/hyxb2022141

朱星源^1,,
苏洁^{1, 2, ,},
宋梅¹,
杨茜^{1, 3},
梁韵^{1, 4}

1.
中国海洋大学海洋与大气学院，山东青岛 266100
2.
中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，山东青岛 266100
3.
中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃兰州 730000
4.
中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室，广东广州 510301

基金项目: 国家自然科学基金面上项目 (42176208)。

详细信息

作者简介:
朱星源（1997-），男，山东省临沂市人，主要研究方向为卫星海洋学。E-mail：xingxingzhihuo123@foxmail.com

通讯作者:
苏洁（1966-），女，教授, 主要从事北极海冰热力学研究。E-mail：sujie@ouc.edu.cn

中图分类号: P731.15
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出版历程
- 收稿日期: 2022-01-07
- 修回日期: 2022-06-12
- 网络出版日期: 2022-10-24
- 刊出日期: 2023-01-17

Optimization of the Bohai Sea ice thickness retrieval algorithm based on MODIS data

Zhu Xingyuan^1
,,
Su Jie^{1, 2
, ,},
Song Mei¹,
Yang Qian^{1, 3},
Liang Yun^{1, 4}

1.
College of Oceanography and Atmosphere, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
2.
Key Laboratory of Physical Oceanography, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
3.
State Key Laboratory of Cryospheric Science, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
4.
State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China

摘要

摘要: 海冰厚度是监测与研究渤海海冰的重要参数。为了获取更加可靠的渤海海冰厚度数据，本研究基于MODIS数据对海冰厚度反演中的冰水分离环节和冰厚计算方法都进行了改进。对于冰水分离环节，本文在Canny边缘检测算子提取海冰基础上，加入了二值化处理、阈值判别等步骤，实现了较高精度的渤海海冰范围自动化提取。通过试验确定了海冰厚度与反照率指数关系模型中的参数，包括海冰衰减系数和海水反照率参数，使其更加符合渤海海区的物理特征。将改进后算法的海冰厚度反演结果与渤海海上石油平台实测数据进行比较，并分析了误差来源。结果表明，经过对算法的改进，海冰厚度与反照率指数关系模型的反演结果与实测数据之间的平均绝对误差由7.05 cm缩小到2.74 cm，相关系数由0.434提高到0.485。
- 海冰厚度 /
- 渤海 /
- 反演算法 /
- MODIS /
- 冰水分离
Abstract: Sea ice thickness is a crucial parameter for monitoring and studying sea ice in the Bohai Sea. Aiming to get more reliable data conveniently, we improved the ice thickness retrieval algorithm based of MODIS data, including the ice separation process and ice thickness calculation method. In terms of ice-water separation process, some steps like binary processing, threshold discrimination were added based on sea ice extracting with Canny edge detector, which successfully realized the automatic high-precision extraction of sea ice range in the Bohai Sea. Meanwhile, through experiments, we optimize the parameters of the exponential model between sea ice thickness and albedo, including sea ice attenuation coefficient and sea water albedo parameters, to make it more consistent with the physical characteristics of the Bohai Sea area. The sea ice thickness retrieval results of the improved algorithm are compared with the measured data of the Bohai offshore oil platform, and the error reasons are analyzed. The results show that the average absolute error decreases from 7.05 cm to 2.74 cm, and the correlation coefficient increases from 0.434 to 0.485.
- sea ice thickness /
- Bohai Sea /
- retrieval algorithm /
- MODIS /
- ice-water separation

HTML全文

图 1 获取实测数据的石油平台位置

Fig. 1 Positions of oil platform observing the measured data

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图 2 渤海海冰厚度反演算法流程

图中红色字部分为本文针对Canny算子提取海冰裂缝^[32]新加入的步骤，蓝色字部分为针对海冰厚度指数关系模型^[17]参数设置的改进

Fig. 2 Flow chart of Bohai Sea ice thickness retrieval algorithm

The red character part in the figure is the new step of the Canny operator to extract sea ice cracks^[32], and the blue character part is the improvement of the parameter setting of the sea ice thickness exponential model^[17]

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图 3 2010年1月22日渤海MODIS真彩图

Fig. 3 MODIS true color image of the Bohai Sea on January 22, 2010

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图 4 2010年1月22日渤海冰水分离过程

Fig. 4 Process diagram of ice-water separation of the Bohai Sea on January 22, 2010

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图 5 频数分布（a）和粗糙度分布（b）

Fig. 5 Frequency distribution (a) and roughness index distribution (b)

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图 6 渤海海区反照率（a）和海水反照率插值（b）

Fig. 6 The albedo of Bohai Sea (a) and the albedo of sea water interpolation (b)

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图 7 训练数据集实测冰厚与衰减系数散点图

绿色虚线为帮助描述收敛过程的辅助线

Fig. 7 Scatter plot between attenuation coefficient and measured sea ice thickness of training data sets

The green dotted line is the auxiliary line to help describe the convergence process

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图 8 模型中各参数对反演结果的影响

Fig. 8 The influence of each parameter in the model on the retrieval result

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图 9 渤海海冰厚度反演结果对比

Fig. 9 Comparison of retrieval results of Bohai Sea sea ice thickness

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图 10 2020–2021年冬季反演结果与实测数据的时间序列比较（JZ20-2平台和JZ9-3平台）

日期后用*标注的来自测试数据集，其他为训练数据

Fig. 10 Time series comparison between measured data and retrieval results in 2020–2021 winter (JZ9-3 and JZ20-2)

The date with * means the data come from the test dataset, the others come from the trainning dataset

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图 11 2021年1月5日（a, e）、7日（b, f）、8日（c, g）、13日（d, h）辽东湾MODIS真彩图及海冰厚度反演结果

Fig. 11 MODIS true color image and sea ice thickness retrieval results of Liaodong Bay on January 5 (a, e), 7 (b, f), 8 (c, g), 13 (d, h), 2021

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表 1 MODIS部分波段光谱范围

Tab. 1 Spectral range of MODIS partial bands

波段	光谱范围/nm	分辨率/m
1	620～670	250（重采样为1 000）
2	841～876	250（重采样为1 000）
3	459～479	500（重采样为1 000）
4	545～565	500（重采样为1 000）
5	1 230～1 250	500（重采样为1 000）
6	1 628～1 652	500（重采样为1 000）
7	2 105～2 135	500（重采样为1 000）
31	11.770～12.270	1 000
32	13.185～13.485	1 000

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表 2 海冰厚度测试数据集实测数据与反演结果

Tab. 2 Measured data of test data sets and retrieval results of Bohai Sea sea ice thickness

日期	站位	最大实测厚度/cm	平均实测厚度/cm	改进前算法厚度（T0）/cm	改进后算法厚度（T1）/cm	仅改变海水反照率厚度（T2）/cm	仅改变衰减系数厚度（T3）/cm	Yuan等^[26] 算法厚度/cm
2009年12月19日*	JZ9-3	5	3.5	11.42	5.6	8.06	7.93	8.95
2010年1月6日*	JZ9-3	8	6	16.6	9.49	13.66	11.54	12.7
2010年1月11日*	JZ20-2	5	3	14.24	5.88	8.47	9.9	9.28
2010年1月24日*	JZ9-3	15	12.5	13.6	6.39	9.2	9.45	7.99
2010年2月5日*	JZ9-3	20	14	24.76	14.16	20.37	17.2	15.65
2010年2月16日*	JZ20-2	8	6	11.38	5.59	8.05	7.9	11.61
2010年2月16日*	JZ9-3	6	4	4.04	0.52	0.74	2.81	2.49
2010年1月29日*	JZ20-2	4	3	5.92	2.66	3.83	4.11	3.37
2010年2月12日*	JZ9-3	8	6	10.9	5.77	8.3	7.57	9.85
2013年1月26日*	JZ20-2	8	5.5	12.23	6.74	9.71	8.5	11.21
2013年2月2日*	JX1-1	10	7.5	10.65	6.85	9.85	7.4	10.87
2013年2月2日*	JZ25-1S	30	22.5	17.09	11.29	16.25	11.87	14.81
2013年12月28日*	JZ20-2	4	2	1.71	0.82	1.18	1.19	1.45
2014年1月12日	JZ20-2	4	3.5	17.84	10.78	15.52	12.4	13.8
2014年1月18日	JZ9-3	10	4.5	10.94	5.57	8.02	7.6	10
2014年2月11日	JZ20-2	8	4	12.37	6.84	9.84	8.59	11.61
2016年1月7日	JZ9-3	12	6	9.22	3.97	5.72	6.41	6.85
2016年1月8日	JZ9-3	13	8	10.44	4.5	6.48	7.25	7.25
2016年1月9日	JZ20-2	19	7.2	10.14	6.08	8.75	7.05	10.45
2016年1月12日	JZ20-2	13	5.8	10.29	5.21	7.5	7.15	8.64
2016年1月13日	JZ20-2	13	5.5	12.46	4.6	6.62	8.66	8.01
2016年1月18日	JZ20-2	10	5	20.56	12.09	17.41	14.28	14.42
2020年12月31日	JZ9-3	14	7	12.68	7.99	11.49	8.81	13.41
2021年1月1日	JZ9-3	12	6.5	17.29	8.95	12.89	12.01	14.83
2021年1月7日	JZ20-2	14	7	14.01	9.1	13.1	9.74	14.35
2021年1月8日	JZ9-3	14	8	22.02	13.62	19.6	15.3	17.68
2021年1月10日	JZ20-2	12	6	19.59	9.82	14.13	13.61	14.65
2021年1月13日	JZ9-3	10	7	18.63	10.69	15.39	12.95	15.35
2021年1月17日	JZ9-3	14	9	15.59	7.99	11.5	10.83	13.78
		平均实测厚度误差	平均误差	6.66	0.49	3.66	2.57	4.13
			平均绝对误差	7.05	2.74	4.72	3.72	5.17
			均方根误差	8.25	3.75	5.8	4.73	5.94
			相关系数	0.434	0.485	0.485	0.434	0.417
		最大实测厚度误差	平均误差	2.37	−3.81	0.63	1.72	0.16
			平均绝对误差	4.73	4.67	4.04	3.87	3.96
			均方根误差	6.02	6.09	5.23	5.25	4.99
			相关系数	0.435	0.480	0.480	0.435	0.459
注：T0为算法改进前的冰厚反演结果；T1为算法改进后的冰厚反演结果；T2为仅改进海水反照率的冰厚反演结果；T3为仅改进衰减系数的冰厚反演结果。日期后标注*的数据来源于参考文献[24, 35]。

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