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一种海冰表面粗糙度的遥感估算方法

阅读：364发布：2020-05-17

专利汇可以提供一种海冰表面粗糙度的遥感估算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及海冰表面粗糙度的遥感估算方法，基于被动微波卫星遥感数据，分析极地海冰表面粗糙度的时空分布和区域特征。步骤包括从AMSR-E数据中提取海冰密集度信息和不同频率、不同极化方式的亮温；通过海冰密集度信息和已知海冰表面和海水表面反射率信息，获得冰水混合像元的表面反射率；根据混合像元的表面反射率信息和亮温，获得海冰温度；通过海冰温度和不同频率、不同极化方式的亮温，获得不同频率、不同极化方式的表面反射率信息；最终基于一种非相干方法的半经验模型，获得海冰表面粗糙度。本发明能够快速、高效地从AMSR-E数据产品中获取极地海冰表面粗糙度。，下面是一种海冰表面粗糙度的遥感估算方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种海冰表面粗糙度的遥感估算方法，包括以下步骤：
第一步、准备数据：获取研究区域AMSR-E 传感器海冰密集度数据和6.925GHz 频率、垂直极化方式下各像元的亮温，以及获取AMSR-E传感器在指定频率、两种极化方式下各像元的亮温，所述两种极化方式为垂直极化和水平极化，指定频率为6.925GHz，10.65GHz，
18.7GHz，23.8GHz，36.5GHz，89.0GHz中任意一种；
第二步、根据已知的6.925GHz频率垂直极化方式下海冰表面反射率RR,V(6.9)ice和海水表面反射率RR,V(6.9)water，第一步中获取的各像元海冰密集度IC，计算冰水混合像元的表面反射率RR,V(6.9)，冰水混合像元是指海冰密集度IC>0的像元，冰水混合像元的表面反射率计算公式如下，
RR,V(6.9)＝RR,V(6.9)ice+[RR,V(6.9)ice-RR,V(6.9)water]·(1-IC)
第三步、根据AMSR-E传感器6.925GHz频率垂直极化方式下的亮温TB,V(6.9)和表面反射率RR,V(6.9)，获取各像元海冰温度TS，计算公式如下，
TS＝TB,V(6.9)/[1-RR,V(6.9)]
第四步、根据指定频率、两种极化方式下的亮温TB,P和海冰温度TS，获得指定频率、两种极化方式下表面反射率RR,P，计算公式如下，
RR,P＝1-TB,P/TS
P＝V代表垂直极化方式，P＝H代表水平极化方式；
第五步、根据水平极化和垂直极化下表面反射率，结合AMSR-E传感器的波长λ、入射角θ，得到海冰表面粗糙度σ，计算公式如下，
其中，λ为所述指定频率对应的波长，RR,H、RR,V分别为指定频率水平极化、垂直极化方式下表面反射率。
2.根据权利要求1所述海冰表面粗糙度的遥感估算方法，其特征在于：第一步中，下载的AMSR-E L3级25km分辨率数据产品为HDF格式，读取HDF格式的原始文件获得数据集，从数据集中提取海冰密集度数据和亮温，并根据指示性参数剔除无效的数据。
3.根据权利要求1所述海冰表面粗糙度的遥感估算方法，其特征在于：第五步中，AMSR-E传感器的入射角为55°。
4.根据权利要求1所述海冰表面粗糙度的遥感估算方法，其特征在于：所述指定频率为
6.925GHz。
5.根据权利要求1所述海冰表面粗糙度的遥感估算方法，其特征在于：对于海冰密集度IC＝0的像元，其海冰表面粗糙度σ＝0。

说明书全文

一种海冰表面粗糙度的遥感估算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种海冰表面粗糙度的遥感估算方法，属于遥感地学应用技术领域。

背景技术

[0002] 海冰覆盖全球海洋的5％-8％，是全球气候系统的重要组成部分。海冰变化对地球表面能量收支、大气环流、降水和水汽通量、云、地球淡水和全球温度至关重要。海冰表面粗糙度对海冰/雪表面的微波辐射具有很大的影响，有关海冰表面粗糙度的研究日益受到科学界的关注。

[0003] 星载被动微波传感器对全球海冰进行了全面和持续的观测。先进的微波扫描辐射计(The Advanced Microwave Scanning Radiometer，AMSR)和地球观测系统AMSR(EOS；AMSR-E)传感器对检测极地海冰覆盖和评估历史卫星数据的质量发挥了重要的作用。

[0004] 美国国家冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center)提供AMSR-E L3级25km分辨率亮温和海冰密集度产品，该产品包括不同频率(6.925GHz、10.65GHz、18.7GHz、23.8GHz、36.5GHz和89.0GHz)、不同极化方式(水平极化和垂直极化)下的南北极亮温和海冰密集度数据。亮温和海冰密集度数据对反演海冰表面粗糙度具有重要意义。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是：针对实地测量海冰表面粗糙度的困难，提供一种基于AMSR-E亮温和海冰密集度数据反演海冰表面粗糙度，能够快速、高效地从AMSR-E数据产品中获取极地海冰表面粗糙度。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种海冰表面粗糙度的遥感估算方法，包括以下步骤：

[0007] 第一步、准备数据：获取研究区域AMSR-E传感器海冰密集度数据和6.925GHz频率、垂直极化方式下各像元的亮温，以及获取AMSR-E传感器在指定频率、两种极化方式下各像元的亮温，所述两种极化方式为垂直极化和水平极化，指定频率为6.925GHz，10.65GHz，18.7GHz，23.8GHz，36.5GHz，89.0GHz中任意一种；

[0008] 第二步、根据已知的6.925GHz频率垂直极化方式下海冰表面反射率RR,V(6.9)ice和海水表面反射率RR,V(6.9)water，第一步中获取的各像元海冰密集度IC，计算冰水混合像元的表面反射率RR,V(6.9)，冰水混合像元是指海冰密集度IC>0的像元，冰水混合像元的表面反射率计算公式如下，

[0009] RR,V(6.9)＝RR,V(6.9)ice+[RR,V(6.9)ice-RR,V(6.9)water]·(1-IC)[0010] 第三步、根据AMSR-E传感器6.925GHz频率垂直极化方式下的亮温TB,V(6.9)和表面反射率RR,V(6.9)，获取各像元海冰温度TS，计算公式如下，

[0011] TS＝TB,V(6.9)/[1-RR,V(6.9)]

[0012] 第四步、根据指定频率、两种极化方式下各像元的亮温TB,P和各像元海冰温度TS，获得指定频率、两种极化方式的表面反射率RR,P，计算公式如下，

[0013] RR,P＝1-TB,P/TS

[0014] P＝V代表垂直极化方式，P＝H代表水平极化方式；

[0015] 第五步、根据水平极化和垂直极化下各像元的表面反射率，结合AMSR-E传感器的波长λ、入射角θ，得到海冰表面粗糙度σ，计算公式如下，

[0016]

[0017] 其中，λ为所述指定频率对应的波长，RR,H、RR,V分别为指定频率水平极化、垂直极化方式下各像元的表面反射率。

[0018] 本发明的有益效果是：

[0019] 本发明利用了AMSR-E L3级亮温和海冰密集度数据，数据获取简单可行。AMSR-E L3级产品提供精确的亮温和海冰密集度，采用基于非相干方法的半经验模型来识别海冰表面粗糙度。

[0020] 第一，本发明成功获取了海冰表面粗糙度，对了解海冰表面微波辐射特性具有重要意义。

[0021] 第二，本发明使用的数据获取便捷，可以直接在网站上下载AMSR-E L3级数据产品，即可进行海冰表面粗糙度的估算。

[0022] 第三，本发明利用微波辐射计AMSR-E海冰密集度信息和不同频率、不同极化方式下的亮温，采用基于非相干方法的半经验模型，利用MATLAB 软件完成海冰表面粗糙度的计算，原理简单，过程简洁。

[0023] 第四，本发明操作步骤清晰，结合一些软件操作，不需要大量的运算和深入实地考察，适合用于极地地区特殊环境下的海冰表面粗糙度研究工作，对极地海冰研究具有深远的科学意义。附图说明

[0024] 下面结合附图对本发明作进一步地说明：

[0025] 图1为海冰表面粗糙度的遥感估算方法流程图。

[0026] 图2(a)为海冰密集度图。

[0027] 图2(b)为6.925GHz频率垂直极化方式下的亮温图。

[0028] 图3为6.925GHz频率垂直极化方式下冰水混合像元的表面反射率图。

[0029] 图4为海冰温度图。

[0030] 图5为6.925GHz频率水平极化方式下的亮温图。

[0031] 图6为北极海冰表面粗糙度的估算结果图。

具体实施方式

[0032] 本示例数据为AMSR-E L3级25km分辨率亮温和海冰密集度产品，从NSIDC网站(http://nsidc.org/)下载获得，时间为2010年4月20日，以北极地区为例。

[0033] 如图1为本示例的流程图，海冰表面粗糙度遥感估算方法的具体实施步骤包括以下内容：

[0034] 第一步、准备数据，并对数据进行提取和筛选，下载AMSR-E L3级25km分辨率数据产品。提取海冰密集度和6.925GHz频率垂直极化方式和水平极化方式下各像元的亮温，并根据指示性参数剔除无效的数据。海冰密集度和6.925GHz频率垂直极化方式下的亮温分别如图2(a)、图2(b)所示。

[0035] 下载的AMSR-E L3级25km分辨率数据产品为HDF格式，读取HDF格式的原始文件获得数据集，从数据集中提取亮温和海冰密集度数据。

[0036] 第二步、根据已知的6.925GHz频率垂直极化方式下海冰表面反射率RR,V(6.9)ice和海水表面反射率RR,V(6.9)water，第一步中获取的各像元海冰密集度IC，计算冰水混合像元的表面反射率RR,V(6.9)，冰水混合像元是指海冰密集度IC>0的像元，冰水混合像元的表面反射率计算公式如下，

[0037] RR,V(6.9)＝RR,V(6.9)ice+[RR,V(6.9)ice-RR,V(6.9)water]·(1-IC)[0038] 得到的结果如图3所示。海冰密集度IC表示像元内海冰覆盖面积占整个像元面积的比例，其范围为0-1，0代表像元内全部是海水，1代表像元内全部是海冰。本步骤中，在MATLAB软件中计算表面反射率。

[0039] 第三步、根据AMSR-E传感器6.925GHz频率垂直极化方式下各像元的亮温TB,V(6.9)和表面反射率RR,V(6.9)，获取各像元海冰温度TS，计算公式如下，

[0040] TS＝TB,V(6.9)/[1-RR,V(6.9)]

[0041] 获得的结果如图4所示。本步骤中，在MATLAB软件中计算海冰表面温度。

[0042] 第四步、根据指定频率、两种极化方式下各像元的亮温TB,P和各像元海冰温度TS，获得指定频率、两种极化方式下各像元的表面反射率RR,P，计算公式如下，[0043] RR,P＝1-TB,P/TS

[0044] P＝V代表垂直极化方式，P＝H代表水平极化方式。

[0045] 本实施例中，指定频率选用6.925GHz。6.925GHz频率水平极化方式下的亮温如图5所示，6.925GHz频率垂直极化方式下的亮温图见图2(b)。除此之外，也可以采用10.65GHz，18.7GHz，23.8GHz，36.5GHz，89.0GHz中任意一种。指定频率、两种极化方式下各像元的亮温TB,P可以从下载的AMSR-E L3级25km分辨率数据产品中提取。

[0046] 第五步、根据水平极化和垂直极化下冰水混合像元的表面反射率，结合AMSR-E传感器的波长λ、入射角θ，得到海冰表面粗糙度σ，计算公式如下，

[0047]

[0048] 其中，λ为所述指定频率对应的波长，AMSR-E传感器的入射角θ为55°，RR,H、RR,V分别为指定频率水平极化、垂直极化方式下冰水混合像元的表面反射率。对于海冰密集度IC＝0的像元，其海冰表面粗糙度σ＝0。本步骤，在MATLAB软件中计算所有像元的海冰表面粗糙度。最终得到的6.925GHz频率下的海冰表面粗糙度结果如图6所示。海冰表面粗糙度的平均值为0.57cm。

[0049] 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。

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