基于国产极轨气象卫星数据的北冰洋流冰几何与运动特征提取与分析

The Arctic Passage is essential for commercial global shipping. And sea ice in the Arctic adversely plays an important role in route development and navigation safety. In this study, the geometric parameters extraction and motion tracking methods were presented, which analyzed the geometric and motion features of the Arctic drift ice in summer by the data obtained by the Medium Resolution Spectral Imager (MERSI) onboard the homemade polar-orbiting meteorological satellite (FY-3 satellite). Based on characteristic of MERSI image and differences in the shape and gray distribution between the drift ice block and trash ice, the drift ice block was identified using an improved method developed from the sub-region threshold segmentation and gradient differential methods. The motion vector of each drift ice block (larger than 6 km2) was calculated by matching the homonymous drift ice with the geometric feature in pairs of image. The sea ice motion tracking traditional methods retrieve the mean motion vector centering in the windowed portions of the satellite images. Compared with these methods, this method provided new geometric parameters and motion velocity observations of each drift ice block in the drifting area larger than 100000 km2. Therefore, the proposed methods in this study are capable of providing comprehensive long-term analysis of the motion and change of the Arctic sea ice, as well as methodological support and information security for the Arctic Passage development.

北冰洋航路是未来全球航运的重点开拓领域，海冰是制约北冰洋航路商业运行最重要的自然因素。本课题利用国产极轨气象卫星——风云三号气象卫星搭载的中分辨率光谱成像仪MERSI数据，提出北冰洋流冰几何参数提取和运动跟踪方法，并分析夏季北冰洋流冰的几何与运动特征。在分析块状流冰与流冰碎屑的形状和灰度分布差异以及MERSI图像特点的基础上，提出分区域阈值分割与梯度差分相结合的方法，实现块状流冰及其几何参数的提取。并进一步基于流冰几何特征匹配研究前后两时相图像中同名流冰运动跟踪方法，逐块获取流冰的运动速度矢量。在大于10万平方公里的流冰区内，获取每块大于6平方公里的流冰几何参数与运动速度，弥补传统海冰运动遥感跟踪方法只能获取网格区域内所有海冰平均速度的不足，从而更加全面详细地分析和掌握北冰洋流冰运动与变化特征，为北冰洋航路开发提供方法支持和信息保障。

北极海冰是制约北冰洋航路开发最重要的自然因素，它的变化影响全球大气环流和气候变化。与北极海冰研究中常用的微波数据相比，FY-3/MERSI扫描范围大且观测周期短，能获取北极地区高频次、高分辨率数据，不仅可以长期宏观监测海冰整体分布，而且能够提取流冰的细节信息。本研究以弗雷姆海峡为研究示范区，利用2011-2015年FY-3/MERSI序列数据，研究北极流冰几何特征参数与运动速度提取方法，分析夏季北极流冰的几何运动变化特征。首先根据海冰以及海水、云的光谱特征，建立海冰覆盖分布识别模型，改进薄云覆盖区和冰水混合区海冰识别效果。然后基于块状流冰与流冰碎屑的灰度分布差异，提出梯度和阈值分割相结合的块状流冰检测方法，既保留完整的块状流冰信息，又最大程度地去除浮冰碎屑的影响。在此基础上，提取海冰密集度等海冰分布参数和面积等块状流冰形态参数。最后利用块状流冰几何形态的连续与渐变，匹配前后两时相影像中的同名流冰并计算其运动速度，实现10万km2流冰区内每块流冰的运动跟踪，有效弥补网格化海冰运动平均速度矢量场细节的不足。分析流冰几何特征变化发现，分布参数和尺寸参数随海冰融化减小趋势明显，但不同尺寸流冰的形状参数差异小，说明海冰形状具有相似性。弗雷姆海峡内大多数流冰由北向西南运动，与海峡内主导风和洋流方向一致，同时流冰运动存在区域性差异和一定程度的振荡。本研究为全面分析北极海冰变化提供了可行方法，为北冰洋航道航路开发提供信息保障。