前言全球海冰主要分布在以南極洲陸地為中心的南大洋，以北極中心水域為主的北冰洋，以及包括波羅的海、鄂霍次克海、白令海、哈德遜海、庫克灣、芬蘭灣和黃海、渤海等海域的北半球亞極區(qū)。北半球南半球前言渤海是北半球緯度最低的結冰海域。渤海長約300nmile（東北－西南向），寬約187nmile（東－西向），面積約為82700km2，平均水深18m，最大水深78m。渤海海冰生肖與發(fā)展的全部過程都一個年度的冬季中進行，屬于一年生海冰。渤海冰情概述北極37o~41oN前言國際上海冰研究歷史較早，研究內容包括了海冰物理、力學性質及其工程應用；海冰生消、運動的熱力學、動力學過程及海冰監(jiān)測與預報等方面；以及隨后開展的海冰與全球變化、海冰生態(tài)系統(tǒng)等方面。我國海冰的研究起步較晚，主要是為了解決渤海和黃海北部海洋工程設計中冰荷載和海冰災害的預警等問題而開展。近年來，為了解決環(huán)渤海地區(qū)的缺水問題，海冰資源化利用的相關研究也積極開展，這是在國際上沒有先例的海冰研究方向。目前相關研究單位已經(jīng)在海冰資源儲量估算、海冰采集及淡化技術、海冰水農(nóng)業(yè)利用等方面取得了進展。

海冰相關研究進展開展渤海海冰的資源性或災害性研究，需要積累多種海冰參數(shù)的資料，結冰范圍和厚度分布就是其中關鍵的參數(shù)。對于范圍廣、不斷變化中的參數(shù)，只有高時間分辨率的衛(wèi)星遙感技術才有潛力提供具有時效性的信息。論文就是針對高時間分辨率的衛(wèi)星遙感影像，主要是Modis和NOAA/AVHRR資料，應用相關的數(shù)字圖像處理技術和分析室內外實驗采集的海冰反射光譜數(shù)據(jù)，進行渤海海冰的結冰范圍和厚度參數(shù)信息的提取研究。

前言論文研究背景第二部分渤海結冰范圍信息的提取研究可見光反射率紅外輻射值可見光反射率與紅外輻射值的比值全局閾值（統(tǒng)計直方圖）對冬季渤海海區(qū)的影像進行不同類別數(shù)目的分類，結果顯示都不能將海冰和海水區(qū)準確分開。因此在低空間分辨率和低光譜分辨率影像數(shù)據(jù)中，部分海冰像元和海水像元在光譜特征中是混淆的，因為這不僅僅是低對比度的問題。整體分類（分類結果圖，藍色表示其中一個類別）據(jù)對系列海區(qū)影像的分析，渤海海區(qū)的懸浮物質的集中區(qū)域是基本上相對固定的，這提供了進行大分區(qū)可能。方法一：分區(qū)提取渤海海區(qū)（渤海北部分區(qū)圖）特征信息：光譜、面積、紋理、同尺度相鄰對象的關系、不同尺度對象的關系進行尺度20、10分割第一次分類第二次分類第三次分類1、分割2、分類（藍色區(qū)域是海水類型對象，黃色區(qū)域是海冰類型對象，其他是未分類對象）（遙感成像過程）偽海冰像元（1）（2）信號采集包括兩個過程，一是地物的電磁波信息傳送到遙感平臺，另一個過程是地物的電磁波信息經(jīng)過傳感器記錄下來。剔除方法（衛(wèi)星平臺的系統(tǒng)響應函數(shù)及其逆處理過程）影像的邊界梯度線系統(tǒng)畸變因素函數(shù)的估計逆濾波維納濾波統(tǒng)計線性分解方法一：TM降分辨率像元和MODIS混合像元的關系式冰水混合像元的統(tǒng)計線性分解模型冰水混合像元的研究區(qū)A是包含該像元的海冰對象的灰度均值，B是有公共邊界的海水對象的灰度均值。

局地端元線性分解方法二：黑色多邊形是影像對象的范圍；藍色是海水類型對象；黃色(①)、淺黃色(②)、土黃色(③)是海冰類型對象，其中黃色為冰水交界的海冰類型對象。小結渤海結冰范圍信息的提取目前冰厚反射率模型存在的問題國內外研究中，針對一年生海冰厚度的估算都把相當注意力放在了冰體可見光反射率信息上，但是這些研究既沒有建立相關的基礎物理理論，也沒有渤海海區(qū)現(xiàn)場的有關冰厚變化的有效基礎數(shù)據(jù)集及據(jù)此建立的相關關系模型，此外用來檢驗和建立模型的衛(wèi)星同步大范圍的實時觀測數(shù)據(jù)也很缺乏。以往通過反射率計算冰厚的方法，實際上都不能真正確定兩種信息之間聯(lián)系的具體形式。前期實驗建立了對海冰光譜特征的基本認識，共進行了室內淡水凍結成冰實驗、室內海水凍結成冰實驗、室內海冰樣本實驗、室外鹽池平整冰實驗?；A實驗是在2003/3004、2004/2005、2005/2006連續(xù)三個冰季在渤海東北部海區(qū)現(xiàn)場進行。實驗研究的目的是采集渤海海冰反射光譜的測量數(shù)據(jù)，及冰厚的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，以期能較客觀、準確的認識渤海海冰厚度與其反射率之間的相關關系，并建立基于遙感數(shù)據(jù)關系模型。海冰光譜特征的實驗研究計劃人工淡水冰人工海水冰自然海冰室外鹽池海冰前期實驗鲅魚圈位于渤海的東北角，是整個渤海冰情最重、最穩(wěn)定的海區(qū)之一。實驗地點40°18′N122°06′E冬季平均水溫表層海水鹽度平均初冰日平均終冰日平均冰期固定冰平均厚度-1.5~-1.0℃25.9~30.0‰11月17日3月24日128天38.3cm（鲅魚圈地理位置及附近海區(qū)的TM影像）單層平整冰在渤海中最先出現(xiàn)，是氣－水－冰界面間熱力作用最直接的體現(xiàn)，其他各種構造形態(tài)的冰都是由不同厚度（或不同時期的）平整冰破碎后重組再繼續(xù)發(fā)展的。因此單層平整冰是揭示一年生海冰的本質光譜信息的最基本冰型。自然環(huán)境中外界干擾是客觀存在，較常見的是冰上覆蓋有薄薄的積雪，在日光下融化后在夜間又凍結，和表層冰膠合在一起，形成特殊的表面層；另一種情況是，凍結的海水比較混濁，凍結形成的海冰冰體中含有很多的泥沙等雜質。影響海冰光譜的因素潔凈平整冰光譜反射曲線的5個特征光譜區(qū)間。（渤海不同厚度的潔凈平整冰的反射光譜曲線）560~600nm1070~1130nm1030nm附近800nm附近900nm附近（測試樣本的反射光譜與厚度的對比關系）（測試樣本的可見光反射率的平均值隨厚度變化的規(guī)律）3-8cm厚度范圍內的樣本的厚度變化和可見光反射率變化之間沒有確定的關系，不能通過后者反映前者的變化；3-10cm厚度范圍內的樣本的厚度變化和可見光反射率變化之間有趨勢性的關系，但相關關系不是完全確定；從3-10cm、3-11cm、3-12cm、……、3-36cm厚度范圍，樣本的厚度變化和可見光反射率變化之間有確定的關系，能通過后者反映前者的變化。（從3cm厚度開始的冰厚與可見光反射率相關分析）（從10cm厚度開始的冰厚與可見光反射率相關分析）（表面有積雪覆蓋的相似厚度的海冰樣本反射光譜曲線）（冰體內含有泥沙的冰樣和潔凈冰樣的反射光譜曲線對比）（潔凈樣本和非潔凈樣本反射曲線的導數(shù)波形分析）630-660nm690-785nm815-915nm渤海一年生海冰的反射光譜曲線形狀與海水和雪相似，其反射峰水平高于海水，但比雪低很多，且具有多個特征點。在總體水平上隨著厚度增加，在可見光波段海冰反射率是一種非線性的遞增趨勢；在連續(xù)厚度增加變化中，可見光反射率并不是連續(xù)變化的過程，而是表現(xiàn)為一種階梯狀遞增的形式，并分出了3~9cm，10~20cm，20~36cm三個層次，其最大值在0.26附近。渤海海冰光譜特征第四部分冬季渤海的海冰厚度信息提取研究自然狀態(tài)下進行平整冰光譜測試實驗：乘坐破冰船深入海區(qū)；沿岸固定冰光譜測量。實驗過程渤海海上實驗路線和采樣點沿岸光譜實驗點●●海上實驗過程光譜測量定位和雷達掃描調整航向相關氣象參數(shù)記錄實驗過程人工搬運網(wǎng)兜繩套（樣本采集）實驗結果（海上衛(wèi)星同步實驗樣本的反射光譜曲線）潔凈平整尼羅冰的可見光反射峰值是0.16左右。含有懸沙的尼羅冰和蓮葉冰的可見光反射峰值分布在0.20-0.25間，它們對應的厚度范圍在5-9cm。含有懸沙的灰冰的可見光反射峰值分布在0.27-0.33之間，對應的厚度范圍在10-16cm。含有懸沙的灰白冰的可見光反射峰值分布在0.38-0.41之間，對應的厚度范圍在26-38cm。堆積冰和積雪總是結合在一起，因此反射光譜曲線形狀和積雪相似，沒有明顯的反射峰值點，可見光反射峰水平大于0.55，最大達到0.92。實驗觀測到的沿岸固定冰厚度分布在47-95cm，其反射峰水平和堆積冰、積雪交錯，但是有反射峰值點，可見光反射峰值大于0.69，最大達到0.84。統(tǒng)計回歸的冰厚與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可見光通道的灰度值間相關關系的算法；海邊通過目視觀測，確定可觀測范圍內的各種冰型，以此估算海冰的厚度；確定各種冰型與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可見光通道的灰度值間對應關系，以此估算海冰的厚度。海冰厚度的計算和觀測方法冰型定義尼羅冰厚度在10厘米之內，能產(chǎn)生指狀重疊的薄冰層。蓮葉冰厚度在10厘米之內，直徑在0.3-3米范圍內的圓形冰塊灰冰厚度在10-15厘米的初期冰，受到擠壓時發(fā)生重疊灰白冰厚度在15-30厘米，受到擠壓時大多成脊白冰厚度在30-70厘米的一年冰（TM、AVHRR及Modis數(shù)據(jù)可見光各通道對應的海冰反射光譜的位置）可見光反射率值與樣本厚度的相關性分析ModisNOAA/AVHRRTMTM數(shù)據(jù)Modis數(shù)據(jù)（典型影像通道可見光反射率值變化的標準差分析）根據(jù)標準差最小原則，選擇TM數(shù)據(jù)的第2波段、Modis數(shù)據(jù)的第4波段作為劃分厚度范圍的參數(shù)；根據(jù)標準差最大原則，以TM數(shù)據(jù)的第3波段與第2波段之比、Modis數(shù)據(jù)的第1波段與第4波段之比作為判讀是否潔凈的參數(shù)；根據(jù)厚冰的近紅外波段穩(wěn)定性相比高的規(guī)律，以TM數(shù)據(jù)的第3波段與第4波段之比、Modis數(shù)據(jù)的第1波段與第2波段之比作為區(qū)分堆積冰、積雪與沿岸固定冰的參數(shù)。海冰厚度信息的最佳波段選擇第一天次日（連續(xù)影像中實驗樣區(qū)及其厚度范圍劃分結果）（同步實測點對應的Modis數(shù)據(jù)反射率百分比分布圖及冰型分界范圍）基于遙感數(shù)據(jù)提取厚度相關信息的步驟針對Modis數(shù)據(jù)，以第4波段反射率作參數(shù)，小于9.6%的海冰像元屬于尼羅冰、蓮葉冰（包括潔凈尼羅冰），在9.7%~10.3%范圍內的海冰像元屬于灰冰，在10.4%~12%范圍內的海冰像元屬于灰白冰，大于12.1%的海冰像元屬于堆積冰、積雪及沿岸固定冰類型，最大值在23.5%左右?；谶b感數(shù)據(jù)提取厚度相關信息的步驟（同步實測點位置及對應的影像厚度范圍劃分）第一步，確定對應波段的冰型劃分分界點值。第二步，識別潔凈冰型，修正其所對應的厚度范圍?；谶b感數(shù)據(jù)提取厚度相關信息的步驟（潔凈平整冰提取結果示意圖）第三步，識別沿岸固定冰冰型，修正其所對應的厚度范圍?；谶b感數(shù)據(jù)提取厚度相關信息的步驟（沿岸固定冰提取結果示意圖）檢驗論文研究對最敏感光譜范圍的確定，及對反射率值按冰型類型劃分值域范圍的準確性。針對Modis數(shù)據(jù)的渤海海冰厚度信息提取方法的驗證2006年1月22日（同步實測點位置及對應的影像厚度范圍劃分）NOAA/AVHRR影像的冰厚信息提取分析選擇2002年1月23日的影像進行分析。AVHRR影像第1通道的劃分范圍是對比Modis影像的冰厚信息提取結果來確定的，劃分范圍是尼羅冰、蓮葉冰（反射率值：0.074-0.147）、灰冰（反射率值：0.148-0.162）、灰白冰（反射率值：0.163-0.195）、堆積冰、積雪（反射率值：0.196-0.370）。陸地陸地ModisAVHRR建立分類類型定義渤海北部典型冰情分析2001/2002、2002/2003、2004/2005三個冬季典型冰情類型圖尼羅冰、蓮葉冰和灰冰是近年來分布最廣的冰型，隨著厚度范圍層級的提升，其分布面積不斷減小。（冰型疊加分類的類型像元總數(shù)統(tǒng)計）結論和討論結論1論文采取兩種方法來實現(xiàn)高時間分辨率影像中結冰范圍信息準確提??；為提高信息提取的精度，采用成像模型逆處理的方法剔除偽海冰像元，采用動態(tài)確定端元的方法對冰水混合像元的線性分解。對于潔凈的單層平整冰，隨著其厚度的增加，總體水平上在可見光反射率是隨之呈非線性的遞增趨勢；在厚度的連續(xù)增加變化中，反射率并不是連續(xù)變化的過程，而是表現(xiàn)為一種階梯狀遞增的形式，并分出了3~9cm，10~19cm，20~36cm三個層次，其最大值在0.26附近。結論2根據(jù)海上自然海冰的反射光譜實驗分析，論文首先篩選出針對海冰厚度信息提取的最佳遙感波段（Modis：CH4），提出了基于該波段厚度范圍的劃分界線值；通過兩個波段的比值信息，進行潔凈冰型和沿岸固定冰型的厚度范圍區(qū)間的調整。結論3對于冰厚信息提取，基于可見光反射率的方法比較有效的領域是薄冰（厚度小于40cm）和裸冰（無積雪、污染物覆蓋），對厚冰和有積雪覆蓋誤差明顯增大。而基于熱平衡原理的方法可以部分克服反射率信息的局限，可開展相關的影像熱