多源卫星散射计极地海冰检测方法研究

作     者：许昌敬 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王志雄

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 0707[理学-海洋科学] 0705[理学-地理学] 

主      题：多源卫星散射计 海冰范围 海冰类型 SVM 随机森林 

摘      要：极地海冰作为全球气候模型的重要输入源和气候变化的敏感指标,一直受到气候研究人员的关注。卫星散射计是极地海冰遥感的主要传感器之一,现有研究主要基于单个星载微波(C或Ku波段)散射计数据,而基于多源散射计测量值遥感海冰参数的研究有待探索。本论文联合使用国内外同时期在轨运行的多个卫星散射计数据,包括欧洲Met Op系列卫星C波段ASCAT散射计、我国HY-2B卫星Ku波段散射计(HSCAT)和中法海洋卫星(CFOSAT)Ku波段散射计(CSCAT),开展极地海冰范围检测和北极海冰类型识别的方法研究,探讨联合使用多源卫星散射计在极地海冰检测研究方面的可行性。本论文基于多源卫星散射计数据选取了七个特征参量用于海冰范围检测研究,包括微波散射计水平和垂直极化后向散射系数(σ和σ)、水平和垂直极化后向散射系数的标准差(Δσ和σ)、极化比(σ/σ)、垂直极化后向散射系数对入射角的依赖性(K),以及C波段和Ku波段垂直极化后向散射系数的比值(命名为波段比(BR=σ/σ))。基于特征参量,采用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)方法对海冰和海水进行分类,使用图像腐蚀/膨胀技术和区域生长方法对SVM方法分类结果进行修正以减少误判信息。通过与美国国家冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center,NSIDC)海冰密集度数据和Sentinel-1合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)影像进行对比验证,结果表明本论文方法得到的海冰面积更接近使用15%作为北极和南极NSIDC海冰密集度阈值计算的海冰面积,且其检测的边界与高分辨率SAR海冰边界较为吻合。此外,本论文分析表明半日时间分辨率的多源微波散射计数据在南北极覆盖率可达97%以上,并且采用相同SVM分类方法前提下基于半日和单日多源散射计数据得到的海冰面积非常接近。在北极海冰类型识别方面,使用的特征参量包括垂直极化后向散射系数σ、波段比和微波辐射计AMSR-2提供的亮温Tb。采用随机森林算法进行海冰类型分类,分类结果与NSIDC等数据源提供的海冰类型数据的相关系数均在0.78以上,且多年冰边界与基于SAR数据反演的高分辨率海冰类型图像产品展现的多年冰边界较为吻合。本论文联合应用了同期多源卫星散射计数据进行了极地海冰范围检测和海冰类型识别的方法研究,制作了2019-2021年每日极地海冰覆盖地图和2019-2022年11月至来年4月北极冬季时期每日海冰类型图,检测结果能够较为准确地展示这期间南北极海冰面积和海冰类型的变化特征。本论文研究丰富了现有基于微波散射计数据遥感海冰参数的方法,能够为构建长时间序列的基于多源卫星观测数据的海冰遥感产品提供一定的参考。