海冰厚度反演方法、系统及电子设备与流程

本发明涉及海洋信息技术领域，尤其是涉及一种海冰厚度反演方法、系统及电子设备。

背景技术：

海冰厚度是控制大气海洋热交换的主要因素，尤其最新形成的薄冰是控制海洋表面热量流、盐度流和水汽流的关键因子。准确估算海冰厚度，对于海气通量的科学研究以及局部区域气候变化研究具有重要意义。

在过去二十年里，国外一些学者已指出，某些波段的雷达在理论上可穿透一定厚度的海冰，可用于探测海冰厚度，而且最近几年通过海冰实验以及实测冰厚资料，证明了雷达具有探测海冰厚度的潜力。

目前，国内外海冰厚度的探测主要依赖于现场观测，利用遥感手段反演海冰厚度尚处于研究阶段。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种海冰厚度反演方法、系统及电子设备，实现利用卫星雷达数据对海冰厚度的反演，并具有较高的精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种海冰厚度反演方法，包括：构建海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式；获取目标位置海冰像元的hh/vv极化比值；根据该hh/vv极化比值与计算关系式计算目标位置的海冰厚度。

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，上述构建海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式的步骤，包括：获取海冰厚度历史数据以及对应的海冰像元hh/vv极化比历史数据；根据该海冰厚度历史数据、该海冰像元hh/vv极化比历史数据拟合海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式。

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，上述根据该海冰厚度历史数据、该海冰像元hh/vv极化比历史数据拟合海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式的步骤，包括：根据该海冰厚度历史数据、该海冰像元hh/vv极化比历史数据，利用最小二乘法拟合海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式。

结合第一方面，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，上述获取目标位置海冰像元的hh/vv极化比值的步骤，包括：从卫星雷达资料中提取目标位置海冰像元的hh雷达后向散射系数、vv雷达后向散射系数；根据该hh雷达后向散射系数、该vv雷达后向散射系数计算该目标位置海冰像元的hh/vv极化比。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，该卫星雷达的观测入射角为40°，l波段。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，该卫星雷达为smap卫星雷达。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式为：ρhh/vv＝c0+c1h+c2h²+c3h³+c4h⁴，式中，h为海冰厚度，ρhh/vv为hh/vv极化比，c0＝1.241e+00，c1＝-2.271e-02，c2＝8.722e-04，c3＝-1.481e-05，c4＝9.245e-08。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，该海冰厚度的范围限定在0～30cm之间。

第二方面，本发明实施例还提供了一种海冰厚度反演系统，包括：关系式构建模块，用于构建海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式；hh/vv极化比值获取模块，用于获取目标位置海冰像元的hh/vv极化比值；海冰厚度计算模块，用于根据该hh/vv极化比值与该计算关系式计算该目标位置的海冰厚度。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，该存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现上述第一方面及其可能的实施方式之一提供的海冰厚度反演方法的步骤。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的一种海冰厚度反演方法、系统及电子设备，该方法包括构建海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式；获取目标位置海冰像元的hh/vv极化比值；根据该hh/vv极化比值与计算关系式计算目标位置的海冰厚度。本发明实施例提供的海冰厚度反演方法，利用结冰期的海冰厚度与hh/vv极化比具有较强的相关性的特点，建立了海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式，可以通过海冰像元hh/vv极化比计算其对应位置的海冰厚度，实现利用卫星雷达数据对海冰厚度的反演，且具有较高的精度。

本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为2015年6月20日smos卫星海冰厚度产品；

图2a-2h为结冰期海冰厚度匹配数据点的密度分布示意图；

图3a为结冰期hh、vv和hv雷达后向散射系数随海冰厚度的变化情况；

图3b为hh/vv、hh/hv和vv/hv极化比随海冰厚度的变化情况；

图3c为归一化hh和vv极化差随海冰厚度的变化情况；

图4为本发明实施例提供的一种海冰厚度反演方法流程图；

图5a、图5b分别为结冰期hh/vv极化比及其变化率与海冰厚度的变化关系；

图6为利用smap卫星雷达海冰厚度反演算法制作南极地区结冰期海冰厚度样例图；

图7a、图7b分别为smos海冰厚度与smap卫星雷达海冰厚度差的空间分布和统计特征；

图8为本发明实施例提供的一种海冰厚度反演系统的结构示意图。

图标：

80-关系式构建模块；81-hh/vv极化比值获取模块；82-海冰厚度计算模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，国内外海冰厚度的探测主要依赖于现场观测，利用遥感手段反演海冰厚度尚处于研究阶段。基于此，本发明实施例提供的一种海冰厚度反演方法、系统及电子设备，可以实现利用卫星雷达数据对海冰厚度的反演，并具有较高的精度。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种海冰厚度反演方法进行详细介绍。

实施例一：

本实施例分析了结冰期的海冰厚度与卫星雷达数据得到的海冰像元hh/vv(水平极化后向散射系数和垂直极化后向散射系数的比)极化之间的相关性，并介绍了一种利用卫星雷达资料进行海冰厚度反演的方法。

由于海冰厚度的现场观测资料很少，这里，选择德国breman大学发布的smos(soilmoistureandoceansalinity，土壤水分和海洋盐度卫星)卫星的海冰厚度产品作为参考数据。smos卫星运行在太阳同步晨昏轨道，搭载了l波段的合成孔径微波成像辐射计，每日能够实现南极和北极地区的全覆盖，其测量的亮温与海冰密集度以及海冰和海水的分子温度、发射率有关，而海冰发射率与海冰厚度、海冰温度和海冰盐度有关。德国breman大学发布的smos卫星海冰厚度产品的空间分辨率为12.5km，测量的海冰厚度范围0～50cm,采用的投影方式为nsidc(nationalsnowandicedatacenter，美国国家冰雪数据中心)的极射赤平投影。参见图1，为2015年6月20日smos卫星海冰厚度产品。

另外，本实施例还选择了具有代表性的2015年5月1日、6月1日、7月1日南极地区的smap(soilmoistureactive/passive，土壤湿度主动/被动探测)卫星雷达资料和smos海冰厚度产品建立结冰期的匹配数据集，主要参数包括hh雷达后向散射系数、vv雷达后向散射系数和hv雷达后向散射系数，hh/vv极化比、hh/hv极化比和vv/hv极化比，归一化hh极化差和归一化vv极化差以及海冰厚度等，匹配数据点共计96577个。

如图2a-2h所示，为结冰期海冰厚度匹配数据点的密度分布示意图。其中，各图的横坐标均为海冰厚度，纵坐标为雷达后向散射系数、极化比和归一化极化差，具体的，图2a纵坐标为水平极化雷达后向散射系数(hh)，图2b纵坐标为垂直极化雷达后向散射系数(vv)，图2c纵坐标为交叉极化雷达后向散射系数(hv)；图2c纵坐标为水平极化后向散射系数和垂直极化后向散射系数的极化比(hh/vv)，图2d纵坐标为水平极化后向散射系数和交叉极化后向散射系数的极化比(hh/hv)，图2e纵坐标为垂直极化后向散射系数和交叉极化后向散射系数的极化比(vv/hv)；图2g纵坐标为归一化hh极化差(phh)，图2h纵坐标为归一化vv极化差(pvv)。

对于图2a-2h，其纵坐标分为60等份，颜色代表每个格子内匹配数据的数量。breman大学发布的薄冰厚度范围为0～50cm，每间隔5cm存在数据缺失。由图2a-2h可知，在整个海冰厚度范围内，匹配数据点分布比较均匀。

接着，利用结冰期匹配数据集分析结冰期的雷达后向散射系数、极化比和归一化极化差随海冰厚度的变化关系。按照5cm的间隔将海冰厚度分为11份，计算每个间隔区间的hh、vv和hv雷达后向散射系数，hh/vv、hh/hv和vv/hv极化比，归一化hh和vv极化差的均值和标准差，绘制误差棒图如图3a-3c所示。具体地，图3a为结冰期hh、vv和hv雷达后向散射系数随海冰厚度的变化情况，图3b为hh/vv、hh/hv和vv/hv极化比随海冰厚度的变化情况，图3c为归一化hh和vv极化差随海冰厚度的变化情况。

根据图3a-3c所示可知，结冰期hh/vv极化比随海冰厚度的增加而减小，归一化vv极化差随海冰厚度的增加而增大，但在海冰厚度的每个间隔区间内，hh/vv极化比的标准差较大，用于分析其与海冰厚度的关系将产生较大的不确定性；其它参数与海冰厚度的相关性较差。

由上述分析可知，结冰期的海冰厚度与hh/vv极化比具有较强的相关性，因此，利用结冰期的卫星雷达资料反演海冰厚度是可行的。

基于此，本实施例提供了一种海冰厚度反演方法，如图4所示，为该方法的流程示意图，由图4可见，该方法包括以下步骤：

步骤s102：构建海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式。

这里，像元亦称像素点或像元点，即影像单元，它是组成数字化影像的最小单元。在遥感数据采集，如扫描成像时，它是传感器对地面景物进行扫描采样的最小单元；在数字图像处理中，它是对模拟影像进行扫描数字化时的采样点。像元是构成遥感数字图像的基本单元，是遥感成像过程中的采样点。像元是反映影像特征的重要标志，它同时具有空间特征和波谱特征的数据元，其几何意义是其数据值确定所代表的地面面积。

在雷达卫星对海冰进行探测时，因其影像中有海水、陆地和海冰三种元素，需要首先提取出含有海冰信息的像元，也即海冰像元。这里，可以通过从卫星雷达资料中提取hh、hv雷达后向散射系数以及hh/vv、vv/hv极化比等参数，然后采用线性判别分析算法对上述参数进行海冰检测处理，以提取海冰像元。在其他可能的实施方式中，也可以利用支持向量机法和人工神经网络法对上述参数进行海冰检测处理以提取出海冰像元。

另外，对于构建海冰像元hh/vv极化比与海冰厚度之间的关系式，这里，可以按采取以下方式进行：

第一步，获取海冰厚度历史数据以及对应的海冰像元hh/vv极化比历史数据；

第二步，根据该海冰厚度历史数据、该海冰像元hh/vv极化比历史数据拟合海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式。

在本实施例中，海冰厚度历史数据以及海冰像元hh/vv极化比历史数据选自2015年5月1日、6月1日、7月1日南极地区的smap卫星雷达资料和smos海冰厚度产品。并且，根据该smap卫星雷达资料和smos海冰厚度产品，利用最小二乘法拟合海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式。

这里，拟合得到的关系式为：

ρhh/vv＝c0+c1h+c2h²+c3h³+c4h⁴(1)

其中，h为海冰厚度，ρhh/vv为hh/vv极化比，c0＝1.241e+00，c1＝-2.271e-02，c2＝8.722e-04，c3＝-1.481e-05，c4＝9.245e-08。

这里，对于上述(1)式的拟合结果，参见图5a，为结冰期hh/vv极化比与海冰厚度的变化关系，图中，虚线和误差棒代表hh/vv极化比均值和标准差，实线代表拟合曲线。由图5a可见，(1)式与结冰期匹配数据集具有较好的一致性。

为了分析ρhh/vv对海冰厚度的敏感性，将(1)式对海冰厚度求导，得到ρhh/vv随海冰厚度的变化率如图5b所示。由图5b可知，随着海冰厚度的增加，ρhh/vv随海冰厚度的变化率下降。当海冰厚度为40cm时，ρhh/vv的变化率减小到0.0074；当海冰厚度为50cm时，ρhh/vv的变化率减小到0.0046。

为了保证海冰厚度的反演算法精度，对于(1)式，其反演的海冰厚度范围限定在0～30cm。

步骤s104：获取目标位置海冰像元的hh/vv极化比值。

这里，目标位置为所需计算海冰厚度的对象，该目标位置为海冰所在点，而非陆地或海水。在本实施例中，通过卫星雷达资料以获取目标位置海冰像元的hh/vv极化比值。

在其中一种实施方式中，可以先从卫星雷达资料中提取目标位置海冰像元的hh雷达后向散射系数、vv雷达后向散射系数；然后，根据该hh雷达后向散射系数、该vv雷达后向散射系数计算该目标位置海冰像元的hh/vv极化比。

这里，要求卫星雷达的观测入射角为40°，其信号波段为l波段。在至少一种可能的实施方式中，该卫星雷达为smap卫星雷达。其中，smap卫星数据通常用于协助研究土壤湿度、冻土及解冻的状态与环境限制相关的生态系统过程之间的关系，例如陆地-大气之间的碳、水份及能量交换的过程，植被生长过程等等。

步骤s106：根据该hh/vv极化比值与计算关系式计算目标位置的海冰厚度。

在获得了目标位置海冰像元的hh/vv极化比值之后，将其代入上述计算得到的计算关系式即可以得到目标位置的海冰厚度。

这样，对于海洋上任意海冰位置，通过构建该区域海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式，并结合卫星雷达资料，再计算该目标位置的海冰像元hh/vv极化比，并将该海冰像元hh/vv极化比代回计算关系式即可计算得到该目标位置的海冰厚度。

本发明实施例提供的一种海冰厚度反演方法，该方法包括构建海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式；获取目标位置海冰像元的hh/vv极化比值；根据该hh/vv极化比值与计算关系式计算目标位置的海冰厚度。本发明实施例提供的海冰厚度反演方法，利用结冰期的海冰厚度与hh/vv极化比具有较强的相关性的特点，建立了海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式，可以通过海冰像元hh/vv极化比计算其对应位置的海冰厚度，实现利用卫星雷达数据对海冰厚度的反演。

实施例二：

为了更好理解上述实施例提供的海冰厚度反演方法及其效果，本实施例介绍了一个利用上述海冰厚度反演方法反演海冰的实例，并对其精度进行了验证。

参见图6，为利用smap卫星雷达海冰厚度反演算法制作南极地区结冰期海冰厚度样例图，这里，其空间分辨率为12.5km，时间分别为2015年5月1日、6月1日和7月1日。由图6a、图6b、图6c可见，随着日期的变化，南极地区气温降低，海冰范围和厚度逐渐增大，并且，从整个南极地区结冰期海冰厚度分布看，在罗斯海存在海冰厚度低值区。

为了验证上述海冰厚度反演算法的精度，在本实施例中，选择德国breman大学发布的smos海冰厚度产品对smap卫星雷达海冰厚度产品进行验证。为了区别匹配数据集(时间为2015年5月1日、6月1日和7月1日)，试验验证选用的海冰厚度产品日期为2015年6月20日。

如图7a、图7b所示，分别为smos海冰厚度与smap卫星雷达海冰厚度差的空间分布和统计特征。由图7a可知，二者之差较小，在0cm附近上下浮动，最大值约为15cm；由图7b可知，厚度小于5cm的薄冰所占比例最高，smos海冰厚度略大于smap卫星雷达海冰厚度，二者的偏差为2.42cm、标准差为5.51cm，说明smap卫星雷达海冰厚度产品的精度较高。

实施例三：

本发明实施例还提供了一种海冰厚度反演系统，参见图8，为该系统的结构示意图，其中，该系统包括依次相连的关系式构建模块80、hh/vv极化比值获取模块81和海冰厚度计算模块82。这里，各个模块的功能如下：

关系式构建模块80，用于构建海冰厚度与海冰像元hh/vv极化比的计算关系式；

hh/vv极化比值获取模块81，用于获取目标位置海冰像元的hh/vv极化比值；

海冰厚度计算模块82，用于根据该hh/vv极化比值与该计算关系式计算该目标位置的海冰厚度。

本发明实施例所提供的海冰厚度反演系统，其实现原理及产生的技术效果和前述海冰厚度反演方法实施例相同，为简要描述，系统实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的海冰厚度反演系统的具体工作过程，可以参考前述海冰厚度反演方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

实施例四：

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，该存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现上述实施例一、实施例二及其可能的实施方式之一提供的海冰厚度反演方法的步骤。

本发明实施例提供的电子设备，与上述实施例提供的海冰厚度反演方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明实施例所提供的进行海冰厚度反演方法的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。