基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法
【专利摘要】本发明提供了基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，采用将待测极区划分为预设大小的面元；获取与海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数相对应的相应面元；将后向散射系数匹配到相应面元，并记录匹配结果对应的几何观测信息(入射角和方位角)，并据此计算参考阈值(包括：面元后向散射系数的最小值、面元极化比和面元方差)；将参考阈值的计算结果与面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成对每个面元是否为海冰的识别的技术方案，其采用洋二号卫星微波散射计探测极地区域，其覆盖范围不受黑天及云层的影响，观测范围广，并且本发明结合海冰识别算法和海冰滤波算法，提高了海冰识别的可靠性。
【专利说明】基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及海洋微波遥感【技术领域】，具体而言，涉及基于海洋二号卫星微波散射 计的极地海冰识别方法。
【背景技术】
[0002] 极地海冰作为全球气候系统的一个重要组成部分，其通过影响海洋表面的辐射 平衡、物质平衡、能量平衡、大洋温、盐流的形成和循环而影响全球气候变化。极地海冰带是 海气交界面具有热力绝缘效应的区域，在海气相互作用方面，因为海冰的反照率反馈、热力 屏障等一系列海冰的作用与影响而区别于其它无冰海域。
[0003] 海冰通过热力学、动力学过程以及在时空上的反馈机制对各个地区乃至全球的气 候状态和变化起着极其重要的作用，在对海冰研究和认识的过程中，它的作用和重要意义 日趋得到体现。海冰亦是全球大气和海洋环流变异的预警平台，准确采集和获取南极海冰 变化信息，是预测全球变暖趋势及其效应的关键，因此，在进行预测全球变暖趋势及其效应 的工作中，需要对海冰进行识别和确认，以便准确采集和获取南极海冰变化信息。
[0004] 随着卫星技术的发展，使用卫星对地球表面进行观测已经是发展了多年的技术， 使用的地球表面观测卫星包括地球资源卫星、军事侦察卫星、气象卫星和测地卫星等。其中 的气象卫星是从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星，其搭载各种气象遥 感器（也可以是传感器），接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，并将其 转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地表和海 面图片，再经进一步处理和计算，得出各种气象资料，并根据这些资料分析气象卫星的红外 线采集的图象，进而确定云的高度和类型、计算地面和水面的温度，确定海面的污染、潮汐 和海流，确定地面或海面的温度及进行海冰识别。
[0005] 其中，气象卫星主要分为极轨气象卫星和同步气象卫星，①极轨气象卫星。飞行高 度约为600?1500千米，卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的交角，这样的卫星每 天在固定时间内经过同一地区2次，因而每隔12小时就可获得一份全球的气象资料。② 同步气象卫星。运行高度约35800千米，其轨道平面与地球的赤道平面相重合。从地球上 看，卫星静止在赤道某个经度的上空。一颗同步卫星的观测范围为100个经度跨距，从南纬 50°到北纬50°，100个纬度跨距，因而5颗这样的卫星就可形成覆盖全球中、低纬度地区 的观测网。
[0006] 相关技术中提供了一种海冰识别技术，得到的极地海冰卫星观测资料是根据 TIROS、NMBUS和NOAA系列的极轨气象卫星获得的可见光和红外通道数据制作的，即通过 极轨气象卫星搭载的各种遥感器，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射， 并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地 表和海面影像数据，再经进一步处理和计算，得出各种资料，进而根据这些资料进行海冰识 别。
[0007] 发明人在研究中发现，现有技术中使用极轨卫星搭载的红外和可见光遥感器识别 海冰的方式在云层遮蔽的情况下无法进行海冰观测，并且该类传感器不能提供海冰密集度 和冰型的准确测量数据。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其 覆盖范围不受黑天及云层的影响，且其结合海冰识别算法和海冰滤波算法，提高了海冰识 别的可靠性。
[0009] 第一方面，本发明实施例提供了一种基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识 别方法，包括：
[0010] 将待测极区划分为预设大小的面元；
[0011] 获取与海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数相对应的相应面元；
[0012] 将后向散射系数匹配到相应面元；
[0013] 记录匹配结果对应的几何观测信息，几何观测信息包括入射角和方位角；
[0014] 根据几何观测信息，计算参考阈值，参考阈值包括：面元后向散射系数的最小值、 面元极化比和面元方差；
[0015] 将参考阈值的计算结果与面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成对每个面 元是否为海冰的识别。
[0016] 结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，基 于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，将后向散射系数匹配到相应面元，包 括：
[0017] 获取海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数的数据列表；
[0018] 遍历数据列表中的数据，并以预设数据时间为单位将数据与相应面元进行匹配， 其中，数据是海洋二号卫星微波散射计基于地理坐标而获取的。
[0019] 结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种 可能的实施方式，其中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，将数据与相 应面元进行匹配，包括：
[0020] 读取海洋二号卫星微波散射计的数据列表中每个后向散射系数的地理坐标，地理 坐标包括纬度和经度；
[0021] 根据极方位立体投影平面点坐标（I，J)与地理坐标的转换关系，计算地理坐标对 应面元的极方位立体投影平面点坐标（I，J);
[0022] 获取极方位立体投影平面点坐标（I，J)对应的后向散射系数、观测入射角和观测 方位角；
[0023] 将后向散射系数、观测入射角和观测方位角匹配到地理坐标信息对应的面元。
[0024] 结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种 可能的实施方式，其中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，读取海洋二 号卫星微波散射计的数据列表中每个后向散射系数的地理坐标，包括：
[0025] 根据公式 ANGl = 0 = (90° -ABS (PNTLAT))/2 计算 ANGl ;
[0026] 根据公式POLDIS = SCALE*Tan (ANGl)，计算极方位立体投影平面上的点到极点的 距离，极点为待测极区的极点；
【权利要求】
1. 一种基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征在于，包括： 将待测极区划分为预设大小的面元； 获取与海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数相对应的相应面元； 将所述后向散射系数匹配到所述相应面元； 记录匹配结果对应的几何观测信息，所述几何观测信息包括入射角和方位角； 根据所述几何观测信息，计算参考阈值，所述参考阈值包括：面元后向散射系数的最小 值、面元极化比和面元方差； 将所述参考阈值的计算结果与所述面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成对每 个面元是否为海冰的识别。
2. 根据权利要求1所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征 在于，所述将所述后向散射系数匹配到所述相应面元，包括： 获取海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数的数据列表； 遍历所述数据列表中的数据，并以预设数据时间为单位将所述数据与所述相应面元进 行匹配，其中，所述数据是所述海洋二号卫星微波散射计基于地理坐标而获取的。
3. 根据权利要求2所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征 在于，所述将所述数据与所述相应面元进行匹配，包括： 读取所述海洋二号卫星微波散射计的数据列表中每个后向散射系数的地理坐标，所述 地理坐标包括纬度和经度； 根据极方位立体投影平面点坐标（I，J)与地理坐标的转换关系，计算所述地理坐标对 应面元的极方位立体投影平面点坐标（I，J); 获取所述极方位立体投影平面点坐标（I，J)对应的后向散射系数、观测入射角和观测 方位角； 将所述后向散射系数、观测入射角和观测方位角匹配到所述地理坐标信息对应的面 JLi〇
4. 根据权利要求3所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特 征在于，所述读取所述海洋二号卫星微波散射计的数据列表中每个后向散射系数的地理坐 标，包括： 根据公式ANG1= 0 = (90° -ABS(PNTLAT))/2 计算ANG1; 根据公式POLDIS=SCALE*Tan(ANGl)，计算极方位立体投影平面上的点到极点的距 离，所述极点为待测极区的极点； 根据公式
，计算所述地理坐标 的纬度； 根据公式
计算ANG2 ; 根据公式PNTLON=PRMLON-ANG2,计算所述地理坐标的经度； 其中，PRMLON为极方位立体投影坐标系的基准经度，所述基准经度有效值为180°W到180°E;SCALE为极点到赤道之间的尺度大小；CENTI、CENTJ为极点对应的平面点坐标； RI、RJ为经纬度坐标经转换后得到对应的平面点坐标（I、J)。
5. 根据权利要求4所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征 在于，所述极方位立体投影平面点坐标（I，J)与地理坐标的转换关系，包括： 根据如下公式，进行极方位立体投影平面点坐标（I，J)与地理坐标之间的转换：
POLDIS=SCALE*Tan(ANGl) ANG2 =PRMLON-PNTLON I=CentI+P0LDIS*SIN(ANG2) J=CentJ+P0LDIS*C0S(ANG2);其中，所述CentI和所述CentJ分别对应所述PNTLON和所述PNTLAT。
6. 根据权利要求5所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征 在于，所述根据所述几何观测信息，计算面元后向散射系数的最小值，包括： 对所有面元进行遍历，获取对匹配到单个面元的后向散射系数的观测结果； 根据所述观测入射角，将所述观测结果分为内波束观测结果和外波束观测结果； 分别计算并记录所述内波束观测结果和外波束观测结果的最小值。
7. 根据权利要求1-6任意一项所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别 方法，其特征在于，根据所述几何观测信息，计算面元极化比，包括 ： 对所有面元进行遍历； 按照公式APR= (〇CIH-〇(lvV(〇CIH+〇(lv)计算每个遍历到的面元对应的极化比；其中， 0 对应内波束观测结果，0w对应外波束观测结果。
8. 根据权利要求7所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征 在于，所述根据所述几何观测信息，计算面元方差，包括： 对所有面元进行遍历，获取匹配到单个面元的后向散射系数的观测结果； 根据入射角，将所述观测结果分为内波束观测结果和外波束观测结果； 分别计算并记录所述内波束观测结果和外波束观测结果的方差。
9. 根据权利要求8所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征 在于，还包括： 对位于陆地的面元，使用预设的陆地标识将该面元标识为陆地。
10. 根据权利要求8所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特 征在于，所述面元后向散射系数的标准阈值包括：内波束后向散射系数观测阈值、外波束后 向散射系数观测阈值和极化比后向散射系数观测阈值； 所述将所述参考阈值的计算结果与所述面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成 对每个面元是否为海冰的识别，包括： 对于未标记为陆地的面元，预设所述内波束后向散射系数观测阈值为-19dB、所述外波 束后向散射系数观测阈值为_21dB以及极化比后向散射系数观测阈值为0. 06 ; 在面元内波束后向散射系数观测结果的最小值大于_19dB，外波束后向散射系数观测 结果的最小值大于_21dB时，确定所述面元为海冰。
【文档编号】G01S7/41GK104407338SQ201410769017
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】邹巨洪, 曾韬, 郭茂华, 邹斌, 林明森 申请人:国家卫星海洋应用中心