一种利用光谱特征提取极地海冰融池的方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用光谱特征提取极地海冰融池的方法，属于遥感地学应用领域。以MODIS反射率产品MOD09A1为数据源，先进行投影转换、重采样、赋予坐标信息等预处理。再根据水体、冰雪与融池波谱曲线的差异，建立反射率与三者覆盖率之间的多元线性方程组。采用拟牛顿法（Quasi-NewtonMethod）解算此超定线性方程组。最后输出的结果为水体、冰雪和融池在各个像元上所占的比例。冰雪的比例是相对于水体以外的部分，而融池分布于冰雪表面。所以，总的比例1减去水体的比例，再乘以融池的计算比例，就得到融池覆盖的区域，进而提取出海冰融池。
【专利说明】一种利用光谱特征提取极地海冰融池的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提取极地海冰融池的方法，属于遥感地学应用【技术领域】。
【背景技术】
[0002]极地海冰的融池会降低海冰表面反射率，并且会加快极地海冰的融化。夏季北极海冰表面有50%-60%的融池。一年冰覆盖的平坦区域，融池甚至达到了 90%。当吸收的太阳短波辐射增加，海冰表面气温大于冰点时，海冰开始融化，在表面形成融池。融池使海冰反射率从大约0.8降到0.5。融池的出现极大地影响到海冰、大气与海水之间的辐射平衡，同时对海冰反射回馈的强度影响也很大。因此，极地海冰融池的空间分布研究有重要意义。
[0003]在北极不同地区开展的众多海冰表面观测和船基走航观测，其目的是研究融池的反射率、光谱特征以及融池的大小和分布等。由俄罗斯绘制的海冰图集就是基于航空和海冰表面观测的北极部分融池分布图。
[0004]不同表面类型的总体光谱和反射率可以从光谱曲线库中查到。水体的值在0.06左右，融池为0.29，而冰雪为0.87。
[0005]融冰期与地表吸收的太阳辐射有关。在北冰洋南部，如白令海和哈德逊湾，4月中旬可以观测到海冰融化过程。在北极地区中部，6月开始有海冰融化，6月中旬，海冰表面已经有很多融池。
[0006]融池是随着雪的融化开始的，冰或雪融化后的水聚集在表面凹陷处或者其它地表形变处。相比于多年冰不规则的表面形态，表面平整的一年冰更易于形成大的融池。多年冰上形成的融池面积较小，但个数多，而一年冰上形成的融池面积较大，个数少。由于水的对流，其热量传递要超过冰的热量传递。由于融池的反射率低，也使得更多的热量会被融池周围的冰吸收。这两方面的因素会导致融池周围冰的融化速度是裸冰融化速度的2-3倍。这样，融池会逐渐变深，直到融透整个冰层。但是随着融池深度的增加，融池的直径逐步减小。融池中的水温是高于冰点的，随着热水的下沉，热量传递会将底部的冰融化。在每年的8月末到9月初，随着气温的降低，融池中的水会重新冻结，融池也逐渐减少。到北极降雪时，融池基本被雪覆盖，这时海冰表面反射率会增加。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为提取极地海冰融池的覆盖率而提出的，一种过程简单、运算速度快的融池提取方法。
[0008]本发明利用光谱特征提取极地海冰融池的方法，其步骤包括:
[0009]第一步、将MODIS遥感影像的M0D09A1反射率数据由正弦曲线投影转换为极地方位投影；
[0010]第二步、从完成投影转换的影像中提取目标区域的图像数据，并提取每个像元在λ 3、λ P λ 2波段的反射率值；[0011]第三步、根据水体、冰雪和融池的光谱曲线，得到水体、冰雪和融池分别在λ 3、λ Pλ 2波段的光谱反射率；
[0012]第四步、针对目标区域内的每个像元，根据光谱反射率与水体、冰雪和融池三者覆盖率的关系，建立多元线性方程组，并求解获得水体、融池、冰雪分别在像元内所占的百分比 Sw、Sm、Si ；
[0013]第五步、根据公式，计算得到目标区域内所有像元的融池覆盖比例；
[0014]第六步、以像元的融池覆盖比例为要素对目标区像元进行渲染制图，获得目标区融池比例分布图。
[0015]本发明方法使用的数据源为中分辨率成像光谱仪数据(MODIS)，MODIS数据包括36个波段，波长为0.4-14.4 μ m，空间分辨率为250_1000m。根据光谱特征，水体、冰雪和融池在MODIS数据中可以分离。将MODIS的象元值归一化到O至I之间，计算得到融池的覆
皿/又O
[0016]本发明利用光谱特征提取极地海冰融池的方法，还具有如下进一步的特征:
[0017]1、所述第一步投影转换前，先查看MODIS反射率产品M0D09A1影像的地理定位等信息，在遥感图像处理软件中对头文件信息进行适应性修改，将原影像的正弦曲线投影转换为极地方位投影。
[0018]2、所述λ3波段的波长范围为459-479nm，λ丨波段的波长范围为620_670nm，波段的波长范围为841-876nm。
[0019]3、所述第四步中，所述多元线性方程组为:
[0020]Swrw ( λ 3) +Smrm ( λ 3) +S^i ( λ 3) = R ( λ 3)
[0021 ] Swrw ( λ D +Smrm ( λ J +SiITi O1) =RO1)
[0022]Swrw( λ 2) +Smrm( λ 2) +S^i ( λ 2) = R(A2)
[0023]SJSJSi = I
[0024]式中，RU3KR(A1)J(A2)分别是像元在λ3、λ 2波段的反射率值。
[0025]4、所述第四步中，使用拟牛顿法求解方程组，得到各个像元中水体、融池和冰雪分别所占的比例。
[0026]5、第六步制作融池比例分布图时，将融池覆盖比例划分为若干区间，根据像元的融池覆盖比例所在区间进行不同灰度等级的渲染。
[0027]6、在λ3波段:水体的光谱反射率rw(X3) = 0.08，冰雪的光谱反射率& (λ 3)=0.95，融池的光谱反射率rm( λ 3) = 0.22 ;在λ i波段:水体的光谱反射率^U1) = 0.08，冰雪的光谱反射率A (λ J = 0.95，融池的光谱反射率& (λ J = 0.16 ;在λ2波段:水体的光谱反射率rwU2) = 0.08，冰雪的光谱反射率ri (λ J = 0.87，融池的光谱反射率rmU J=0.07。
[0028]本发明的有益效果是:
[0029]融池是影响夏季极地海冰反射率的一个重要因素，但融池的时空分布情况尚不完全清楚。所以获取融池的时空分布信息是一项有意义的研究工作。本发明利用水体、冰雪和融池光谱特征的差异，计算得出融池的覆盖范围。
[0030]第一，本发明方法操作简单，通过下载免费的MODIS数据，就可以实现对极地海冰融池的研究。
[0031]第二，通过解算超定方程组得到融池的范围。该方法有两重意义，一是通过MODIS数据提取融池，可与现场观测数据进行对比，相互验证，进而获取大范围可靠的融池覆盖信息；二是提取的大范围融池覆盖信息，可以为极地气候变化研究提供基础数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]下面结合附图对本发明作进一步的说明:
[0033]图1本发明融池提取流程图。
[0034]图2在完整的一景影像中选取大小为1000X 1000个象元的实验区。
[0035]图3提取1000X 1000个象元的图像数据。
[0036]图4水体、海冰和融池的光谱曲线。
[0037]图5融池覆盖率图。
【具体实施方式】
[0038]本实施例所利用的MODIS反射率产品M0D09A1影像从网站下载获得，其经纬度范围为:0° W-180。W，70° N-90。N，时间为2012年7月3日(儒略日第185天)，下载网址为:http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search, html。
[0039]如图1所示，为本实施例提取极地海冰融池的方法流程图，具体包括如下步骤:
[0040]第一步、将MODIS遥感影像的M0D09A1反射率数据由正弦曲线投影转换为极地方位投影。
[0041]M0D09A1反射率数据是HDF格式，正弦曲线投影，但是很多遥感图像处理软件在打开HDF文件时，会有投影丢失现象。因此本例中利用遥感图像处理软件查看HDF文件中的地理定位等信息(包含投影信息以及投影参数)，在遥感图像处理软件中对头文件信息进行适应性修改，将原影像的正弦曲线投影转换为极地方位投影。
[0042]第二步、从完成投影转换的影像中提取目标区域的图像数据，并提取每个像元在λ 3、λ ^ λ 2波段的反射率值。
[0043]如图2所示，选取1000 X 1000个象元的图像数据作为目标区域(图中矩形框内区域)提取海冰融池，该目标区域作为感兴趣区从整景影像中截取下来(如图3所示)，再分别提出每个像元在入3、λ:、λ 2波段的的反射率值。
[0044]λ3波段的波长范围为459-479nm，λ丨波段的波长范围为620_670nm，λ 2波段的波长范围为841-876nm。
[0045]第三步、在遥感图像处理软件的光谱库中可以查看海冰、水体和融池的光谱曲线(如图4所示)，L1为水体的光谱曲线，L2为冰雪的光谱曲线，L3为融池光谱曲线。根据水体、冰雪和融池的光谱曲线，得到水体、冰雪和融池分别在入3、λ 2波段的光谱反射率:
[0046]在λ3波段:水体的光谱反射率rw(X3) = 0.08，冰雪的光谱反射率& (λ 3)=
0.95，融池的光谱反射率rm( λ 3) = 0.22 ；
[0047]在X1波段:水体的光谱反射率L(X1) = 0.08，冰雪的光谱反射率& U1)=
0.95，融池的光谱反射率rm( λ D = 0.16 ;
[0048] 在λ2波段:水体的光谱反射率rw(X2) = 0.08，冰雪的光谱反射率ri U1)=0.87，融池的光谱反射率rm( λ i) = 0.07。
[0049]第四步、针对目标区域内的每个像元，根据光谱反射率与水体、冰雪和融池三者覆盖率的关系，建立多元线性方程组，并求解获得水体、融池、冰雪分别在像元内所占的百分比 Sw、Sm、Si:
[0050]Swrw ( λ 3) +Smrm ( λ 3) +S^i ( λ 3) = R ( λ 3)
[0051 ] Swrw ( λ D +Smrm ( λ J +SiITi O1) =RO1)
[0052]Swrw( λ 2) +Smrm( λ 2) +S^i ( λ 2) = R(A2)
[0053]SJSJSi = I
[0054]SmjU3KRU1KRU2)分别是像元在λ3、λ 2波段的反射率值，该反射
率值在第二步中已经获得。
[0055]上述方程组为超定方程组，本例中使用拟牛顿法求解方，得到各个像元中水体、融池和冰雪分别所占的比例。
[0056]第五步、融池的比 例是相当于冰雪表面来说的，所以I减去水体的比例得到冰雪表面的比例，再乘以第五步中的融池比例，就得到了融池的覆盖范围。因此，本例中根据公
，#冑-至lJ目+示戶万?像％白勺B财也；
[0057]第六步、以像元的融池覆盖比例为要素对目标区像元进行渲染制图，获得目标区融池比例分布图。
[0058]本步骤制作融池比例分布图时，将融池覆盖比例划分为5个区间:0-0.2，
0.2-0.4,0.4-0.6,0.6-0.8,0.8-1.0，根据像元的融池覆盖比例所在区间进行不同灰度等级的渲染，最终获得的目标区融池比例分布图(图5)。
[0059]除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种利用光谱特征提取极地海冰融池的方法，其步骤包括: 第一步、将MODIS遥感影像的M0D09A1反射率数据由正弦曲线投影转换为极地方位投影; 第二步、从完成投影转换的影像中提取目标区域的图像数据，并提取每个像元在入3、λ 1> λ 2波段的反射率值； 第三步、根据水体、冰雪和融池的光谱曲线，得到水体、冰雪和融池分别在W、\ 2波段的光谱反射率； 第四步、针对目标区域内的每个像元，根据光谱反射率与水体、冰雪和融池三者覆盖率的关系，建立多元线性方程组，并求解获得水体、融池、冰雪分别在像元内所占的百分比Sw、sm、Si ； 第五步、根据公式，计算得到目标区域内所有像元的融池覆盖比例； 第六步、以像元的融池覆盖比例为要素对目标区像元进行渲染制图，获得目标区融池比例分布图。
2.根据权利要求1所述的利用光谱特征提取极地海冰融池的方法，其特征在于:所述第一步投影转换前，先查看MODIS反射率产品M0D09A1影像的地理定位等信息，在遥感图像处理软件中对头文 件信息进行适应性修改，将原影像的正弦曲线投影转换为极地方位投影。
3.根据权利要求1所述的利用光谱特征提取极地海冰融池的方法，其特征在于:所述入3波段的波长范围为459_479nm, λ j波段的波长范围为620_670nm, λ 2波段的波长范围为 841-876nm。
4.根据权利要求1所述的利用光谱特征提取极地海冰融池的方法，其特征在于:第四步中，所述多元线性方程组为:
Swrw(A 3) +Smrm(A 3) +S^i ( λ 3) = RU 3) SwrwUD+SaU !) = RU !)
Swrw( λ 2)+Smrm( λ ^+Sjri(A2) = R(A2)
Sw+S^S, = I SmjU3KRU1KRU2)分别是像元在λ3、λ2波段的反射率值。
5.根据权利要求4所述的利用光谱特征提取极地海冰融池的方法，其特征在于:所述第四步中，使用拟牛顿法求解方程组，得到各个像元中水体、融池和冰雪分别所占的比例。
6.根据权利要求1所述的利用光谱特征提取极地海冰融池的方法，其特征在于:第六步制作融池比例分布图时，将融池覆盖比例划分为若干区间，根据像元的融池覆盖比例所在区间进行不同灰度等级的渲染。
7.根据权利要求1所述的利用光谱特征提取极地海冰融池的方法，其特征在于:在入3波段:水体的光谱反射率rw( λ 3) = 0.08，冰雪的光谱反射率& ( λ 3) = 0.95，融池的光谱反射率rm( λ 3) = 0.22 ;在λ i波段:水体的光谱反射率rw( λ ^ = 0.08，冰雪的光谱反射率?(λ j) = 0.95,融池的光谱反射率!^ λ j) = 0.16 ;在λ2波段:水体的光谱反射率1*￥( λ 2)=0.08，冰雪的光谱反射率A(X1) = 0.87，融池的光谱反射率L(A1) =0.07。
【文档编号】G01S17/89GK104007443SQ201410169032
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】柯长青, 邓娟, 林辉, 马东辉, 李创 申请人:南京大学