雷达卫星SAR与防卫气象卫星SSM_I对渤海海冰的观测研究

[文章编号] 0001-5733(2001)02-0163-08[中图分类号] P412雷达卫星SAR 与防卫气象卫星SSM/I对渤海海冰的观测研究金亚秋 陈 轶 张 巍 张南雄(复旦大学波散射和遥感中心,上海 200433)黄润恒 吴奎桥(国家海洋局海洋环境预报中心,北京 100081)[摘 要] 用雷达卫星(RADARSAT )合成孔径雷达(SAR )和防卫气象卫星(DM SP)特别微波成像辐射计(SSM /I)在1999年1月23日同一天对中国渤海区域海冰的观测数据,进行了主动SAR 与被动SSM /I 的组合研究.用一层海冰电磁散射辐射的建模与数值模拟,分析了中纬度渤海沿岸海冰的特征性变化,提出用SSM /I 辐射亮度温度的散射指数、极化指数、极化比率来识别渤海海冰;用RADARSAT 高分辨率SAR 数据(水平极化后向散射系数)对渤海海冰物理特征进行识别与分类.这些特征指数在时间与空间尺度上的相关变化可有效地应用于渤海海冰的监察.[关键词] 渤海海冰,雷达卫星合成孔径雷达,防卫气象卫星特别微波成像辐射计,特征指数.1 引 言海冰覆盖的识别与分类对全球变化、地球水圈辐射、极地气候等,均有相当重要的影响.而区域性海冰变化的监测对该区域海面作业与运输安全,起着十分重要的作用.现有的海冰观测研究大多限于高纬度的极区海冰,基本上是多年海冰,与中纬度海域(如中国渤海、黄海)只持续于冬季的沿岸海冰,在物理成分与形态特征、持续时间、时间与空间的多变等方面有很大的不同.无论是观测数据的收集分析,还是海冰识别、分类与特征参数反演算法的研究,都应对中国中纬度海域的沿岸海冰有特别的研究.近20年内,星载微波遥感技术取得了重要的进展,多项空间遥感计划可以全天候地、多年连续地取得全球物理、水文观测数据与成像.主动微波遥感的重要进展是合成孔径雷达(SAR)技术,如加拿大1995年11月发射的雷达卫星(RADARSAT)的SAR,用于观测C 波段(513GH z)水平同极化(hh)的后向散射系数(R hh ),有很高的空间分辨率.被动[收稿日期] 2000-06-21收到,2000-10-30收到修改稿.[基金项目] 国家自然科学基金项目(49831060,69771007),国家高技术研究发展计划项目(863-818-06-05).[作者简介] 金亚秋,男,生于1947年,1970年毕业于北京大学,1985年获美国麻省理工学院博士学位.教授、波散射与遥感中心主任.主要研究复杂介质中电磁波散射与辐射传输等.E-mai l:yqjin@第44卷第2期2001年3月 地球物理学报CHIN ESE JOU RN AL OF G EO PHY SI CS V ol.44,N o.2 M ar.,2001微波遥感的重要进展是成像辐射计,如1987年6月起直至21世纪初连续进行的美国防卫气象卫星计划(DMSP)的特别微波成像辐射计(SSM/I),它有7个通道(19,37,85GH z 垂直与水平极化,22GH z垂直极化)观测辐射亮度温度(T B).利用多通道、多极化与多种遥感器观测数据综合地提取地球物理、水文等定量科学信息,已是地球遥感面临的主要任务.本文用RADARSAT的SAR与DM SP的SSM/I在1999年1月23日同一天对中国渤海区域海冰的观测数据,作主动SAR与被动SSM/I的组合研究,用于中国渤海海冰的识别与分类.海冰是冰与溶盐杂质为背景,空气泡为散射元的介质.由辐射传输理论可计算遥感通道上的海冰介质的电磁散射与辐射.由散射辐射建模的数值模拟和SAR与SSM/I数据验证,分析了中纬度渤海沿岸海冰的特征性变化,提出用SSM/I的T B的散射指数(SI)、极化指数(PI)、极化比率(P R)来识别渤海海冰;用RADARSAT高分辨率SAR的R hh对渤海海冰物理特征进行识别与分类.这些特征指数在时间与空间尺度上的相关变化可有效应用于渤海海冰的监察.结合更多的海冰实际观测数据,补充与改善经验性参数.将可进一步改善海冰的分类识别.2海冰的散射与辐射海冰按产生与持续时间可分为幼期冰、新冰、一年冰、多年冰等[1],冰厚一般也依此从几厘米到一米多.处在中纬度的中国渤海沿岸海冰一般从每年11月底开始持续至第二年3月初,持续时间短,冰层厚度从沿岸的几十厘米伸展到海中的几厘米,在时间上演变与沿岸空间分布多有变化,与极区多年海冰有很大的不同.海冰可看作是冰与溶盐杂质为背景,空气泡为散射元的介质.溶盐杂质以及冰与溶盐背景介质的介电常数E b的讨论可参见文献[2)4].本文取E b=(3.2+i0.2)E0.一年冰的空气泡体积占空比f a一般小于0105,冰的比重大致在0.87g/cm3左右,而多年冰为多层构造,空气泡体积占空比可大于0.2.冰的比重大致在0.7g/cm3左右.假定空气泡为小球形粒子,由强起伏散射理论,各向同性的海冰有效介电常数E g可由下式计算[2]f a E a-E gE a+2E g+(1-f a)E b-E gE b+2E g=0,(1)其中空气泡介电常数E a=E0.海冰的介电常数与海水不同,频率的改变对海冰介电常数影响不大.由多层随机介质的散射理论[5],可计算分层海冰的后向散射系数.对于一层海冰的模型,同极化后向散射系数可写为R p p(H)=R SUR1(H)+R ICE(H)+R SUR2(H)exp(-2k d g d sec H),(2)其中pp=vv或hh,右边R SUR1为海冰上表面粗糙产生的面散射,R ICE为海冰(厚度d)中空气泡的体散射,R SUR2ex p(-2k d g d sec H)为海冰与下垫海水界面粗糙产生的面散射,包括通过海冰层的衰减,k d g=Im(k g)是海冰介质中波数的虚部.对于(2)式右边第一、第三项,采用双尺度Gauss粗糙面散射计算[2,3],对于第二项,采用小球形粒子随机介质的一阶散射计算[2,3].图1给出C波段35b入射角H I一层海冰的hh极化后向散射系数R hh.164地球物理学报44卷图1 一层海冰的后向散射系数R hhFig.1 Backscatter ing R hh vs sea ice thickness可以看出,海冰的存在使R hh 增强,而空气泡占空比f a =0.05,半径a =0.025cm ,d <50cm ,上冰面:大尺度起伏方差D =2+(d -1)/49cm ,相关长度l =15cm ,小尺度起伏方差D 1=0.1cm ,相关长度l 1=5cm ;下冰面:D =2cm ,l =20cm ,D 1=0.1cm ,l 1=5cm .f a 很小的新冰与一年冰的散射主要来源于海冰表面的面散射R SUF1.而受海风驱使的粗糙海冰面也会产生同样大小的后向散射,因此在没有其他先验知识条件下,是不易单从R hh 的大小来区分海冰和海风驱使粗糙海冰面的.对于测量垂直(v )与水平(h )极化辐射亮度温度T B v ,TB h 的被动遥感,由矢量辐射传输(VRT )理论[2)4],求解海冰层的VRT 方程cos H d d z T B (H ,z )=-J e (H ) T B (H ,z )+Q P /20d H c sin H c P (H ,H c )# T B(H c ,z )+J a T (3)及其相应的边界条件,可计算SSM /I 通道上海冰的辐射亮度温度T B p (p =v ,h).VRT 方程(3)中消光系数J e 、吸收系数J a 、散射相矩阵 P 等各项定义以及VRT 方程求解方法可参见文献[2)5].由于海冰的介电特性与频率关系不大,低反射率的海冰不但增强了SSM/I 各通道的T B ,而且各通道T B 值之间的差异比海水要小得多.考虑到22GH z 与85GH z 的大气水汽吸收比较接近,定义散射指数为SI =T B22v -T B85v ,可表征海冰的存在减小了高低通道T B 值的差异[6].SI 对海冰的存在十分敏感,无海冰时,SI 远小于0(比如,-40K );有海冰时,SI 逐渐增强(>-30K ).同时,由于较低的极化反射率的海冰层遮蔽高极化反射率的海水面,使得同一通道的极化差异减小,可定义极化指数为PI =T B19v -T B19h .PI 特别对于平坦海冰面的识别是一个很好的特征指数.由VRT 方程(3)数值模拟计算,得到海冰形成以及随海冰厚度变化的SI -PI 图[6].由中国渤海SSM/I 数据验证比较,已得到的判据为:SI >-30K ,PI <-60K 时判定有海冰.1652期 金亚秋等:雷达卫星SAR 与防卫气象卫星SSM /I 对渤海海冰的观测研究3 RADA RSAT SAR 与DM SP SSM/I 渤海海冰观测数据图2是RADARSAT 的SAR 在1999年1月23日在中国渤海区域观测数据的亮度指数(D N )图像.由RADARSAT 数据构造[7]说明,将第j 个像素点的D N 值转化为该点后向散射系数R hh (dB ),则R hh (j )=B (j )+10@lg 10(sin H j ),(4a )B (j )=10@lg 10[(D N (j )2+A 3)/A 2(j )],(4b )其中B (j )是第j 个像素点的雷达亮度值(dB ),A 2(j )是第j 个像素点的增益比值,A 3是固定的补偿值,H (j )是第j 个像素点局部入射角,由卫星高度、地球半径与卫星观测至该第j 个像素点的斜视距确定.图2 RADARSAT 的SAR 观测数据亮度指数Fig.2 Brig htness index from RA DA RSAT SAR data图3(a,b )分别是图2中区域A 和B 的后向散射系数R hh .图3(c )是图2中直线C 的后向散射系数R hh ,其中横坐标数字对应于从北至南的各像素点位置.从图3(a )c )可以看出,由于在渤海北部湾沿岸海冰(像素点的位置0)500)的存在,R hh 与水域相比明显增强,在-18至-30dB 之间变化,在像素点的位置(300)1000)有很大的起伏,直接对应于海冰厚度以及海冰结构有非均匀空间分布的变化.而后从像素点位置1000起,R hh 保持在-25至-35dB 之间,这些位置已经没有海冰,散射来自于海水面散射.在没有先验知识与R hh 空间相关分析的条件下,单从R hh 的数值是不易区分海冰范围166地 球 物 理 学 报 44卷图3 图2中区域A (a)、区域B (b)以及直线C (c)的后向散射系数R hhF ig.3 I mag e of R hh in t he frama A (a ),B(b )and along the line C(c )的.在像素点位置3500之后,R hh 降至海水表面特有的-40dB 以下.再由被动遥感的DMSP 的SSM/I 在同一天同一区域观测T B 数据,得到与以上SAR 的R hh 同天同区域的散射指数SI 与极化指数PI 图像,如图4(a,b )所示.按照第二节引述的SI -PI 判据[6],易确定渤海辽东湾北部、特别是辽宁营口沿岸的海冰.图4(c )是沿图2直线C 的SI 与PI 值.可以确定在像素点位置0)1000的海冰的存在.因此,再可由图3的高分辨率SAR 的R hh 空间变化的数值来确定海冰的状态,如厚度、表面粗糙度、积雪等.考虑到海冰与海水的混杂分布,有人曾用SSM/I 的37GHz 通道的极化比率P R =T B37v -T B37hT B37v +T B37h (5)来描绘海冰覆盖海面分布的百分比[8],并经验性地选取:当P R =0.1851,判定为100%海水面,当P R =0.0157,判定为100%冰面.这些经验值是否普遍适用,尚未予以验证.事实上,由大气与海冰海水的辐射传输方程,得到观测到的辐射亮度温度可简单写为T B p =e p T s e -S +(1-e -S )(1+r p e -S )T a +s p T s e -S , p =v ,h (6)其中e p ,r p 分别为表面的p (=v ,h )极化发射率与反射率,且e p =1-r p ;S 为大气不透明度,T s ,T a 分别为海冰表面物理温度与大气有效平均温度.(6)式右边第一项为海冰海水的热辐射;第二项为大气的热辐射;第三项为考虑海冰表面粗糙对T B p 的热辐射贡献,1672期 金亚秋等:雷达卫星SAR 与防卫气象卫星SSM /I 对渤海海冰的观测研究图4 SSM /I 的T B 数据的SI (a )、PI (b )和图2直线C 的SI 与PI 值(c )F ig.4 I mag e of SI (a )、PI (b )from SSM /I T B data and SI ,PI indexes along the line C (c)这里s p (p =v ,h)为考虑面散射的经验性参数,近似地正比于平坦表面与粗糙表面镜向反射率之差.若令T a U T s ,则有P R =e -S [(r h -r v )e -S +(s v -s h )][2-(r h +r v )]e -S +(1-e -S )[2+(r h +r v )e -S ]+(s v +s h )e -S(7)这样,P R 是S 与r p 的函数.海冰海水分层介质的极化反射率为r p =R 01p +R 12p ex p (i k gz d)1+R 01p R 12p exp (i k gz d )2, p =v ,h (8)其中R 01p ,R 12p 分别是大气-海冰表面、海冰-下垫海水表面的p (v ,h)极化反射系数.图5给出SSM /I 数据沿图2直线C 的P R 值,在标明100%海水和海冰处的实线为(6)式计算值,虚直线为文献[8]的经验值.可以看出,尤其是对于100%海冰面,文献[8]的经验值是过低的,甚至低于陆地上P R 观测值.考虑到在空间分辨率中海冰的部分覆盖,可由(6)式的P R 来经验性地调整海冰存在的SI -PI 判据,这有待于海冰实况数据的验证.综合SSM /I 的SI ,PI 与P R 的观测与判据,可确定图2与图3像素点位置在0)1000处的海冰存在,并由高分辨率SAR 的R hh 空间变化的数值确定海冰的状态.小于10cm 的海冰更应确定上下界面的物理形态与空间分布,大于10cm 的海冰与R hh 成正比.为纳入海冰面粗糙度、积雪覆盖、海冰非均匀空间分布等影响,可进一步观测与收集渤海海冰实况数据,以补充或修改上述分类识别原则中的经验性参数.结合红外和可见光观168地 球 物 理 学 报 44卷图5 SSM /I 数据沿图2直线C 的P R 值与理论值(或7),经验值[6]S =0.05,s v =0.1,s h =0.01.Fig.5 P R along the line C and comparison w ith Eq.(7)and empir ical value [6]测进行数据融合研究,也将可进一步改善海冰的分类识别.4 结 论中国中纬度海域持续于冬季的沿岸海冰,在物理成分与形态特征、持续时间、空间与时间的多变等方面均区别于极区多年海冰.本文用VRT 理论与随机介质散射辐射的数值模拟,结合星载微波RADARSAT 的SAR 与DMSP 的SSM/I 的相关观测与数据验证,分析了中纬度渤海沿岸海冰的特征性变化.提出用SSM/I 的T B 的散射指数(SI )、极化指数(PI )、极化比率(P R )来识别渤海海冰;用RADARSAT 的R hh 对渤海海冰物理特征进行识别与分类.未来需要结合更多的实际观测数据,来补充与准确确定渤海海冰介电特征、表面粗糙与空间覆盖分布、积雪、大气水汽等,用这些特征指数在时间与空间尺度上的相关变化可有效应用于渤海海冰的监察.参 考 文 献[1] Ulaby F T,Moore R K,Fu ng A K.Microw ave Remote Sen sing,2)3Vols.Mass:Artech Pres s,1985.[2] Jin Y Q.Electromagnetic Scatteri ng Modelling for Quantitatiev Remote Sensing.S in gapore:World Scien tific,1994.[3] 金亚秋.电磁散射和热辐射的遥感理论.北京:科学出版社,1993.JIN 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与防卫气象卫星SSM /I 对渤海海冰的观测研究170地球物理学报44卷OBSERVATIONS OF RADARS AT SAR AND DMS P SS M/I OVER SEA ICE O F CHINA.S BOHAI SEAJIN Y A-Q IU C H EN Y I ZHANG W EI ZHANG N AN-X IONG(Center f or Wave S ca ttering and Remote S ensin g Fudan University,Shanghai200433,China)H UANG R UN-H ENG WU K U I-Q IAO(Center f or Marine Environment For e casts,the China State Oceanic A dministration,Beij ing100081,China)[Abstract]The shoreice at m iddle latitudes,such as in the China.s Bohai Sea,Huanghai Sea,is lasted only for few months during the w inter.Its physical constitutes and tempora-l spatial variability are different from the polar regions.In this paper the sea ice detection and classification are presented on the basis of the image data from active RADARSAT SAR and passive DMSP SSM/I measurements over the Bohai Sea ice in January23,1999.By using numerical modeling of scattering and radiative transfer of a layer of sea ice,characteristic var-i ation of the Bohai Sea shoreice is studied.The scattering index(SI),polarization index (PI),and the polarization ratio(P R)from passive observation of the brightness temperature (T B)are defined to detect the existence of sea ice.Further,using cohorizontally polarized back-scattering(R hh)measured by the RADARSAT high resolution SAR,the sea ice of the Bohai Sea can be further classified.Temporal and spatial variations of these indexes can be used to monitor the sea ice of the Bohai Sea.[Key words]SAR and SSM/I,Sea ice,Bohai Sea,Characteristic indexes.。