CN104407338A - 基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，采用将待测极区划分为预设大小的面元；获取与海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数相对应的相应面元；将后向散射系数匹配到相应面元，并记录匹配结果对应的几何观测信息(入射角和方位角)，并据此计算参考阈值(包括：面元后向散射系数的最小值、面元极化比和面元方差)；将参考阈值的计算结果与面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成对每个面元是否为海冰的识别的技术方案，其采用洋二号卫星微波散射计探测极地区域，其覆盖范围不受黑天及云层的影响，观测范围广，并且本发明结合海冰识别算法和海冰滤波算法，提高了海冰识别的可靠性。

Description

基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法

技术领域

本发明涉及海洋微波遥感技术领域，具体而言，涉及基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法。

背景技术

极地海冰作为全球气候系统的一个重要组成部分,其通过影响海洋表面的辐射平衡、物质平衡、能量平衡、大洋温、盐流的形成和循环而影响全球气候变化。极地海冰带是海气交界面具有热力绝缘效应的区域，在海气相互作用方面，因为海冰的反照率反馈、热力屏障等一系列海冰的作用与影响而区别于其它无冰海域。

海冰通过热力学、动力学过程以及在时空上的反馈机制对各个地区乃至全球的气候状态和变化起着极其重要的作用，在对海冰研究和认识的过程中,它的作用和重要意义日趋得到体现。海冰亦是全球大气和海洋环流变异的预警平台，准确采集和获取南极海冰变化信息，是预测全球变暖趋势及其效应的关键，因此，在进行预测全球变暖趋势及其效应的工作中，需要对海冰进行识别和确认，以便准确采集和获取南极海冰变化信息。

随着卫星技术的发展，使用卫星对地球表面进行观测已经是发展了多年的技术，使用的地球表面观测卫星包括地球资源卫星、军事侦察卫星、气象卫星和测地卫星等。其中的气象卫星是从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星，其搭载各种气象遥感器(也可以是传感器)，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地表和海面图片，再经进一步处理和计算，得出各种气象资料，并根据这些资料分析气象卫星的红外线采集的图象，进而确定云的高度和类型、计算地面和水面的温度，确定海面的污染、潮汐和海流，确定地面或海面的温度及进行海冰识别。

其中，气象卫星主要分为极轨气象卫星和同步气象卫星，①极轨气象卫星。飞行高度约为600～1500千米，卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的交角，这样的卫星每天在固定时间内经过同一地区2次，因而每隔12小时就可获得一份全球的气象资料。②同步气象卫星。运行高度约35800千米，其轨道平面与地球的赤道平面相重合。从地球上看，卫星静止在赤道某个经度的上空。一颗同步卫星的观测范围为100个经度跨距，从南纬50°到北纬50°，100个纬度跨距，因而5颗这样的卫星就可形成覆盖全球中、低纬度地区的观测网。

相关技术中提供了一种海冰识别技术，得到的极地海冰卫星观测资料是根据TIROS、NIMBUS和NOAA系列的极轨气象卫星获得的可见光和红外通道数据制作的，即通过极轨气象卫星搭载的各种遥感器，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地表和海面影像数据，再经进一步处理和计算，得出各种资料，进而根据这些资料进行海冰识别。

发明人在研究中发现，现有技术中使用极轨卫星搭载的红外和可见光遥感器识别海冰的方式在云层遮蔽的情况下无法进行海冰观测，并且该类传感器不能提供海冰密集度和冰型的准确测量数据。

发明内容

本发明的目的在于提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其覆盖范围不受黑天及云层的影响，且其结合海冰识别算法和海冰滤波算法，提高了海冰识别的可靠性。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，包括：

将待测极区划分为预设大小的面元；

获取与海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数相对应的相应面元；

将后向散射系数匹配到相应面元；

记录匹配结果对应的几何观测信息，几何观测信息包括入射角和方位角；

根据几何观测信息，计算参考阈值，参考阈值包括：面元后向散射系数的最小值、面元极化比和面元方差；

将参考阈值的计算结果与面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成对每个面元是否为海冰的识别。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，将后向散射系数匹配到相应面元，包括：

获取海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数的数据列表；

遍历数据列表中的数据，并以预设数据时间为单位将数据与相应面元进行匹配，其中，数据是海洋二号卫星微波散射计基于地理坐标而获取的。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，将数据与相应面元进行匹配，包括：

读取海洋二号卫星微波散射计的数据列表中每个后向散射系数的地理坐标，地理坐标包括纬度和经度；

根据极方位立体投影平面点坐标(I，J)与地理坐标的转换关系，计算地理坐标对应面元的极方位立体投影平面点坐标(I，J)；

获取极方位立体投影平面点坐标(I，J)对应的后向散射系数、观测入射角和观测方位角；

将后向散射系数、观测入射角和观测方位角匹配到地理坐标信息对应的面元。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，读取海洋二号卫星微波散射计的数据列表中每个后向散射系数的地理坐标，包括：

根据公式ANG1＝θ＝(90°-ABS(PNTLAT))/2计算ANG1；

根据公式POLDIS＝SCALE*Tan(ANG1)，计算极方位立体投影平面上的点到极点的距离，极点为待测极区的极点；

根据公式计算地理坐标的纬度；

根据公式 $\mathrm{ANG}2=\arccos \left(\frac{(\mathrm{CENTJ}-\mathrm{RJ})}{\mathrm{POLDIS}}\right)$ 计算ANG2；

根据公式PNTLON＝PRMLON-ANG2，计算地理坐标的经度；

其中，PRMLON为极方位立体投影坐标系的基准经度，基准经度有效值为180°W到180°E；SCALE为极点到赤道之间的尺度大小；CENTI、CENTJ为极点对应的平面点坐标；RI、RJ为经纬度坐标经转换后得到对应的平面点坐标(I、J)。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，极方位立体投影平面点坐标(I，J)与地理坐标的转换关系，包括：

根据如下公式，进行极方位立体投影平面点坐标(I，J)与地理坐标之间的转换：

ANG1＝θ＝(90°-ABS(PNTLAT))/2

POLDIS＝SCALE*Tan(ANG1)

ANG2＝PRMLON-PNTLON

I＝CentI+POLDIS*SIN(ANG2)

J＝CentJ+POLDIS*COS(ANG2)；其中，CentI和CentJ分别对应PNTLON和PNTLAT。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，根据几何观测信息，计算面元后向散射系数的最小值，包括：

对所有面元进行遍历，获取对匹配到单个面元的后向散射系数的观测结果；

根据观测入射角，将观测结果分为内波束观测结果和外波束观测结果；

分别计算并记录内波束观测结果和外波束观测结果的最小值。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，根据几何观测信息，计算面元极化比，包括：

对所有面元进行遍历；

按照公式APR＝(σ_0H-σ_0V)/(σ_0H+σ_0V)计算每个遍历到的面元对应的极化比；其中，σ_0H对应内波束观测结果，σ_0V对应外波束观测结果。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，根据几何观测信息，计算面元方差，包括：

对所有面元进行遍历，获取匹配到单个面元的后向散射系数的观测结果；

根据入射角，将观测结果分为内波束观测结果和外波束观测结果；

分别计算并记录内波束观测结果和外波束观测结果的方差。

结合第一方面的第五种可能的实施方式或第六种可能的实施方式或第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法还包括：

对位于陆地的面元，使用预设的陆地标识将该面元标识为陆地。

结合第一方面的第五种可能的实施方式或第六种可能的实施方式或第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，面元后向散射系数的标准阈值包括：内波束后向散射系数观测阈值、外波束后向散射系数观测阈值和极化比后向散射系数观测阈值；

将参考阈值的计算结果与面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成对每个面元是否为海冰的识别，包括：

对于未标记为陆地的面元，预设内波束后向散射系数观测阈值为-19dB、外波束后向散射系数观测阈值为-21dB以及极化比后向散射系数观测阈值为0.06；

在面元内波束后向散射系数观测结果的最小值大于-19dB，外波束后向散射系数观测结果的最小值大于-21dB时，确定面元为海冰。

本发明实施例提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，采用将待测极区划分为预设大小的面元；获取与海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数相对应的相应面元；将后向散射系数匹配到相应面元；记录匹配结果对应的几何观测信息，几何观测信息包括入射角和方位角；根据几何观测信息，计算参考阈值，参考阈值包括：面元后向散射系数的最小值、面元极化比和面元方差；将参考阈值的计算结果与面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成对每个面元是否为海冰的识别的技术方案，与现有技术中的使用极轨气象卫星搭载的各种气象遥感器识别海冰的方式在云层遮蔽或黑暗的环境下无法进行气象观测，并且气象遥感器(即传感器)不能提供海冰密度和冰型的准确测量数据的方案相比，其采用海洋二号卫星微波散射计探测极地区域,其覆盖范围则不受黑天及云层的影响，并且预设数据时间的即能提供几近整个极地的覆盖资料(覆盖范围从北纬88°到南纬88°)，观测范围广，并且本发明结合海冰识别算法和海冰滤波算法，也提高了海冰识别的可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了相关技术中的卫星进行地球扫描的第一种示意图；

图2示出了相关技术中的卫星进行地球扫描的第二种示意图；

图3示出了相关技术中的卫星进行地球扫描的第三种示意图；

图4示出了相关技术中的卫星进行地球扫描的第四种示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法的流程图；

图6示出了本发明实施例所提供的另一种基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法的流程图；

图7示出了本发明实施例所提供的另一种基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法的流程图；

图8示出了本发明实施例所提供的另一种基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法的流程图；

图9示出了本发明实施例所提供的另一种基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法的流程图；

图10示出了本发明实施例所提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中定义计算纬度的示意图；

图11示出了本发明实施例所提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中定义计算经度的示意图；

图12示出了本发明实施例所提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中极化比(APR)分布图；

图13示出了本发明实施例所提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中后向散射系数分布图；

图14示出了本发明实施例所提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中后向散射系数方差分布图；

图15示出了本发明实施例所提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中算法获取的海冰分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于对本发明实施例的理解，首先对本发明基于的背景知识做简要说明：

海洋卫星，即主要用于海洋水色色素的探测，为海洋生物的资源开放利用、海洋污染监测与防治、海岸带资源开发、海洋科学研究等领域服务而设计发射的一种人造地球卫星。

“海洋二号”HY-2A卫星是上述海洋卫星中的一种，其自2011年8月搭载微波散射计发射升空。“海洋二号”卫星是中国第一颗海洋动力环境监测卫星，主要任务是监测和调查海洋环境，是海洋防灾减灾的重要监测手段，可直接为灾害性海况预警报和国民经济建设服务，并为海洋科学研究、海洋环境预报和全球气候变化研究提供卫星遥感信息；其中，“海洋二号”卫星搭载的微波散射计称为海洋二号微波散射计，即HY2-SCAT。

具体的，HY2-SCAT是我国第一个可业务化运行的微波散射计。HY2-SCAT主要用于全球海面风场观测，测风风速范围为4m/s～24m/s，风速精度为2m/s或风速的10％；风向测量范围为0°～360°，风向精度为±20°。HY2-SCAT工作频率为13.256GHz，且采用笔形波束圆锥扫描方式，通过笔形波束以固定仰角围绕天底方向旋转，在卫星平台顺轨方向的运动中形成一定的地面覆盖刈幅，即卫星扫过的宽度；如图1所示，卫星通常距离地面同样的高度(如卫星距地面H＝963KM)在运行，卫星所在的飞行轨道投影到地面也就形成了星下点轨迹(实际上，卫星在每次扫描的时候，均会产生星下点坐标这一数据，星下点坐标也就是卫星在扫描时，投影到地面上的经纬度坐标，将多次扫描时的星下点坐标连接成星下点轨迹)；同时，卫星在飞行的时候会旋转式的以外波束和内波束的形式进行扫描(外波束和内波束均以圆周的方式进行扫描，如图中内波束扫描形成的圆周半径为700KM，外波束扫描形成的圆周半径为874KM)，从而形成了外波束足印和内波束足印，其中外波束足印和内波束足印分别是间隔的采样，刈幅宽度就是指外波束扫描所形成的圆周的直径。

具体的，散射计系统包括VV(垂直)和HH(水平)两个极化方式，VV和HH两个极化方式分别以不同入射角进行观测，在平台的运动过程中对同一分辨单元可获取不同极化方式，不同入射角度的多次后向散射系数(σ⁰)测量结果(如图2中，对同一个目标分别在1、2、3和4这四个不同的位置进行观测，在位置1进行的观测被称为外波束前视，在位置2进行的观测被称为内波束前视，在位置3的观测被称为内波束后视，在位置4的观测被称为外波束后视)，以克服海面风场方向反演的多值模糊问题。其中内波束采用HH极化方式，入射角为41°，对应地面足印大小约为23km×31km，刈幅宽度为1400km。外波束采用VV极化方式，入射角为48°，对应地面足印大小约为25km×38km，刈幅宽度为1700km。如图3示出了卫星在空间轨道上进行扫描的示意图，图4中实处了星下点轨迹和外波束足印与内波束足印的示意图。

其中L1B数据为以遥测帧的时间为顺序进行存储的散射计观测数据。每个遥测帧包括96个散射计测量脉冲，每个测量脉冲包括后向散射系数，每个脉冲足迹(外波束足迹和内波束足迹)的地理位置、以及用来描述测量数据的质量和不确定性等信息的参数，同时该数据文件中还包含通过定位系统获取的星下点轨迹(星下点是卫星没测发射脉冲时的经纬度坐标所在的点，星下点轨迹便是由大量星下点所组成的轨迹)的经纬度信息。

并且，HY-2A卫星微波散射计L1B产品列出了散射计获取的归一化雷达散射截面测量值及其测量条件、地理位置和不确定性等信息。此外，L1B产品还包括每个sigma0对应的切片的测量值。每个L1B数据文件包括1轨或少于1轨的散射计测量数据。一个轨道文件(＝1轨或少于1轨的散射计测量数据？)包括卫星平台围绕其空间轨道旋转一圈所获取的全部数据。按照约定，所有的散射计轨道圈都开始并结束于卫星运动的最南端。L1B数据以遥测帧的时间为顺序进行存储。每个遥测帧包括100个散射计测量脉冲。为了节约存储空间，L1B产品被划分为3个不同的子集。第一个子集针对每个遥测帧，这些数据元素适用于每个遥测帧中的所有脉冲sigma0和切片sigma0。第二个子集是针对每个脉冲的数据元素的集合，这些数据元素适用于每个脉冲sigma0及其切片分量。第三个子集是针对每个切片的数据元素的集合，这些数据元素为每个高分辨率切片提供了特定的详细信息。

随着卫星技术的发展，使用卫星对地球表面进行观测已经是发展了多年的技术，其中，主要包括遥感技术；最近几十年，遥感技术被大量应用于地球环境监测，得到的庞大的数据库对于监测大面积的海冰分布情况具有重要价值，进而能够在一定程度上反映极地气候的变化情况，遥感技术在极地海冰中发挥越来越重要的角色。

遥感技术，即20世纪60年代兴起的一种探测技术，是根据电磁波的理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术。目前利用人造卫星每隔18天就可送回一套全球的图像资料。利用遥感技术，可以高速度、高质量地测绘地图。

而针对极地海冰研究意义，即海冰亦是全球大气和海洋环流变异的预警平台，准确采集和获取南极海冰变化信息，是预测全球变暖趋势及其效应的关键，因此，在进行预测全球变暖趋势及其效应的工作中，需要对海冰进行识别和确认，以便准确采集和获取南极海冰变化信息(具体详见背景技术部分)，本发明是以海洋卫星二号HY-2A卫星微波散射计极地海冰监测应用为例，提供了一种HY-2A卫星微波散射计极地海冰识别技术，其主要目标是以HY-2A卫星微波散射计L1B级后向散射系数观测结果为例，开发HY-2A卫星微波散射计极地投影算法、基于后向散射系数阈值的海冰识别算法、基于面元后向散射系数方差的海冰噪声滤波算法和基于空间滤波的海冰噪声滤波算法，为极地海洋研究、全球气候变化等相关研究提供技术支持和数据集。

具体的，本发明实施例是通过对极地投影的方式，将极区划分为约预设面积的面元，并以预设数据时间为单位，对HY-2A卫星微波散射计L1B级后向散射系数匹配到相应面元，并记录相应的入射角、方位角等几何观测信息，同时，采用基于后向散射系数阈值以及极化比的海冰识别算法，对每个面元是否为海冰进行识别。在此基础上，分别采用基于面元后向散射系数方差和基于空间滤波的海冰滤波算法对海冰识别结果进行滤波，最终获得极地海冰分布情况。

同时本发明提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别技术也具有通用性，只要与HY-2A卫星微波散射计工作方式和工作频段相似，都可以采用本发明的技术。

下面具体介绍本发明实施例的详细技术方案：

本发明实施例提供了一种基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，如图5所示，包括：

101、将待测极区划分为预设大小的面元。

具体的，极区包括是地理划分的南极和北极，由于南极和北极和气候寒冷，故在这两个极区会出现海冰；在实施本发明实施例提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别技术中，首先要做的事情即是将待测极区划分为预设大小的面元，因为南极和北极的范围很大，HY-2A卫星及其搭载的微波散射计要完全测量整个极区，首先效果不好，其他投入成本和实现起来也是极其困难的，故将待测的极区划分为预设大小的面元，以方便进行探测同时也使得探测结果更加精确，后续也可以根据需要将整个极区均以该方式进行探测，并且针对划分的面元进行后续的识别方法，方便且高效。

而本实施例中，预设大小设置为25km×25km，即将极区划分为约25km×25km的面元，需要说明的是，该预设大小可以根据探测需要进行设置，本发明对此不做具体限制。

102、获取与海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数相对应的相应面元。

具体的，在划分的25km×25km的面元中，获取本方案使用的海洋二号卫星微波散射计HY2-SCAT的L1B级产品的后向散射系数相对应的相应面元，即使用HY2-SCAT的L1B级产品真正探测的那部分面元即相应面元，后续根据该相应面元，在实施后续方法。

103、将后向散射系数匹配到相应面元。

具体的，由于将海洋二号卫星微波散射计HY2-SCAT的L1B级产品在相应面元测得的后向散射系数对应的是地理坐标(即地理经度和地理纬度)，而为了能够直观的观测到HY2-SCAT的探测结果，需要将后向散射系数与地理坐标的关系转换成后向散射系数与极方位立体投影(Polar stereographic)平面点坐标(I，J)，即地图上的平面点坐标(I，J)，然后绘制成地图(该过程即为匹配过程)，故能够根据该地图，对海冰进行识别和确认，以便准确采集和获取南极海冰变化信息，进而分析全球气候变暖的趋势。

104、记录匹配结果对应的几何观测信息，几何观测信息包括入射角和方位角。

具体的，在进行上述匹配之后，即能够从匹配结果中(即转换后的地图中获取几何观测信息，几何观测信息包括入射角和方位角，还能够获知地图对应的后向散射系数。

105、根据几何观测信息，计算参考阈值，参考阈值包括：面元后向散射系数的最小值、面元极化比和面元方差。

然后，根据转换后得到的地图及转换后得到的几何观测信息，面元后向散射系数的最小值、面元极化比和面元方差，以便根据这些参考阈值的与预设标准阈值对比结果，对面元所对应的海冰进行识别和确认，以便准确采集和获取南极海冰变化信息。

106、将参考阈值的计算结果与面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成对每个面元是否为海冰的识别。

具体的，面元后向散射系数的标准阈值包括：内波束后向散射系数观测阈值、外波束后向散射系数观测阈值和极化比后向散射系数观测阈值；设置上述这些观测阈值的标准阈值，即预设内波束后向散射系数观测阈值为-19dB、外波束后向散射系数观测阈值为-21dB以及极化比后向散射系数观测阈值为0.06，将上述参考阈值的结算结果与该标准阈值进行对比：

即当面元内波束后向散射系数观测结果最小值大于-19dB，外波束后向散射系数观测结果最小值大于-21dB，则认为对应的面元为海冰，否则对应的面元为海水，从而对面元所对应的阈值进行识别。

本发明采用的HY-2A微波散射计探测极地区域，其覆盖范围不受黑天及云层的影响，尽管微波监测的空间分辨率目前只有30km左右，但只要一天的数据它就能提供几乎整个极地的覆盖资料(覆盖范围从北纬88°到南纬88°)，同时，本发明结合海冰识别算法和海冰滤波算法，提高了海冰识别的可靠性。

进一步的，在步骤103中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，将海洋二号卫星微波散射计HY2-SCAT的L1B级产品的后向散射系数匹配到相应面元，如图6所示，包括：

201、获取海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数的数据列表。

具体的，HY-2A卫星微波散射计L1B产品列出了散射计获取的归一化雷达散射截面测量值及其测量条件、地理位置和不确定性等信息。此外，L1B产品还包括每个sigma0对应的切片的测量值。每个L1B数据文件包括1轨或少于1轨的散射计测量数据。一个轨道文件包括卫星平台围绕其空间轨道旋转一圈所获取的全部数据。按照约定，所有的散射计轨道圈都开始并结束于卫星运动的最南端。L1B数据以遥测帧的时间为顺序进行存储。每个遥测帧包括100个散射计测量脉冲。为了节约存储空间，L1B产品被划分为3个不同的子集。第一个子集针对每个遥测帧，这些数据元素适用于每个遥测帧中的所有脉冲sigma0和切片sigma0。第二个子集是针对每个脉冲的数据元素的集合，这些数据元素适用于每个脉冲sigma0及其切片分量。第三个子集是针对每个切片的数据元素的集合，这些数据元素为每个高分辨率切片提供了特定的详细信息。

故，根据上述介绍，在进行匹配的过程中，首先获取HY2-SCAT的L1B级产品的后向散射系数的数据列表(具体的即上述子集)。

202、遍历数据列表中的数据，并以预设数据时间为单位将数据与相应面元进行匹配，其中，数据是获取海洋二号卫星微波散射计基于地理坐标而获取的。

具体的，由于将海洋二号卫星微波散射计HY2-SCAT的L1B级产品在相应面元测得的后向散射系数对应的是地理坐标(即地理经度和地理纬度)，而为了能够直观的观测到HY2-SCAT的探测结果，需要将后向散射系数与地理坐标的关系转换成后向散射系数与极方位立体投影(Polar stereographic)平面点坐标(I，J)，即地图上的平面点坐标(I，J)，然后绘制成地图(该过程即为匹配过程)，故能够根据该地图，对海冰进行识别和确认，以便准确采集和获取南极海冰变化信息，进而分析全球气候变暖的趋势。

进一步的，在步骤202中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，将数据与相应面元进行匹配，如图7所示，包括：

301、读取海洋二号卫星微波散射计的数据列表中每个后向散射系数的地理坐标，地理坐标包括纬度和经度。

具体的，HY2-SCAT的L1B级产品测得多个后向散射系数，基于上述介绍，首先读取该多个后向散射系数的地理坐标，即经纬度信息，以便后续将该地理坐标信息转换为极方位立体投影平面点坐标(I，J)，即绘制成地图(I，J)。

302、根据极方位立体投影平面点坐标(I，J)与地理坐标的转换关系，计算地理坐标对应面元的极方位立体投影平面点坐标(I，J)。

具体的，如图10所示，首先确定地理坐标，然后根据确定的地理坐标及转换公式，将地理坐标转换为极方位立体投影平面点坐标(I，J)。

首先，确定地理坐标的步骤如下：

步骤1、计算ANG1，根据公式ANG1＝θ＝(90°-ABS(PNTLAT))/2计算ANG1；如图10所示，图10示出了定义计算纬度的结构示意图。

具体的，ANG1无实际的物理含义，其大小为θ，具体如图10所示，其中，图10中的Equator代表赤道。

步骤2、根据公式POLDIS＝SCALE*Tan(ANG1)，计算极方位立体投影平面上的点到极点的距离，极点为待测极区的极点；

具体的，待测极区可以为南极或北极，故极点可以为南极点(如纬度为90°S)或北极点(纬度为90°N)。

步骤3、根据公式计算地理坐标的纬度；

步骤4、根据公式计算ANG2；

具体的，ANG2同ANG1，其并无实际的物理含义，其定义如图11所示，图11示出了定义计算经度的结构示意图，其中，图11中prime Longitude代表起始经度线。

步骤5、根据公式PNTLON＝PRMLON-ANG2，计算地理坐标的经度，从而结合计算得到的地理坐标的纬度和该地理坐标的经度而确定地理坐标。

其中，PRMLON为极方位立体投影坐标系的基准经度，基准经度有效值为180°W到180°E(即西经180°到东经180°)；SCALE为极点到赤道之间的尺度大小；CENTI、CENTJ为极点对应的平面点坐标；RI、RJ：经纬度坐标经转换后得到对应的平面点坐标应的点坐标(I、J)。

具体的，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，极方位立体投影平面点坐标(I，J)与地理坐标的转换关系，包括：

根据如下公式，进行极方位立体投影平面点坐标(I，J)与地理坐标之间的转换：

ANG1＝θ＝(90°-ABS(PNTLAT))/2

POLDIS＝SCALE*Tan(ANG1)

ANG2＝PRMLON-PNTLON

I＝CentI+POLDIS*SIN(ANG2)

J＝CentJ+POLDIS*COS(ANG2)；其中，CentI和CentJ分别对应PNTLON和PNTLAT。

具体的，CentI和CentJ分别为极点对应的平面点坐标(I、J)，而坐标(I、J)分别为PNTLON(经度)和PNTLAT(纬度)经上述关系计算得到的平面点坐标。

303、获取极方位立体投影平面点坐标(I，J)对应的后向散射系数、观测入射角和观测方位角。

304、将后向散射系数、观测入射角和观测方位角匹配到地理坐标信息对应的面元。

进一步的，在步骤105中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，根据几何观测信息，计算面元后向散射系数的最小值，如图8所示，包括：

401、对所有面元进行遍历，获取对匹配到单个面元的后向散射系数的观测结果。

402、根据观测入射角，将观测结果分为内波束观测结果和外波束观测结果。

403、分别计算并记录内波束观测结果和外波束观测结果的最小值。

进一步的，在步骤105中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，根据几何观测信息，计算面元极化比，包括：

对所有面元进行遍历。

按照公式APR＝(σ_0H-σ_0V)/(σ_0H+σ_0V)计算每个遍历到的面元对应的极化比；其中，σ_0H对应内波束观测结果，σ_0V对应外波束观测结果。

进一步的，在步骤105中，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，根据几何观测信息，计算面元方差，如图9所示，包括：

601、对所有面元进行遍历，获取匹配到单个面元的后向散射系数的观测结果。

602、根据入射角，将观测结果分为内波束观测结果和外波束观测结果。

603、分别计算并记录内波束观测结果和外波束观测结果的方差。

进一步的，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，还包括陆地标识的步骤：即对位于陆地的面元，使用预设的陆地标识将该面元标识为陆地。

进一步的，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中，面元后向散射系数的标准阈值包括：内波束后向散射系数观测阈值、外波束后向散射系数观测阈值和极化比后向散射系数观测阈值；

而步骤106中，将参考阈值的计算结果与面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成对每个面元是否为海冰的识别，可以采用如下方案：

对于未标记为陆地的面元，预设内波束后向散射系数观测阈值为-19dB、外波束后向散射系数观测阈值为-21dB以及极化比后向散射系数观测阈值为0.06。

当面元内波束后向散射系数观测结果最小值大于-19dB，外波束后向散射系数观测结果最小值大于-21dB，则认为对应的面元为海冰，否则对应的面元为海水。

进一步的，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，还包括方差滤波的步骤，具体方案如下：

对通过步骤106标记为海冰的面元进行遍历，若该面元对应的后向散射系数方差大于3.0dB，则将该面元标记为海水。

进一步的，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，还包括空间滤波的步骤：对通过步骤106和陆地识别的步骤标记为海冰的面元进行遍历，若该面元若同时满足如下两个条件，则将该面元标记为海水。

1)通过步骤106和陆地识别的步骤标记为海冰的面元不与陆地相连；

2)通过步骤106和陆地识别的步骤标记为海冰的面元与前一天标记为海冰的任意一个面元距离超过200km。

进一步的，基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，还包括HY-2A卫星微波散射计极地海冰识别结果算法验证的步骤：

具体的，本实施例中以美国雪冰中心发布的微波辐射计海冰分布产品为参考，对本发明的海冰识别结果进行验证。

具体的，图12示出了本发明实施例所提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中极化比(APR)分布图；其中，线条12表示陆地边缘线，线条11表示参考海冰外缘线。

图13示出了本发明实施例所提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中后向散射系数分布图；后向散射系数的单位：dB；具体的，图13中的左图为对应内波束，右图为对应外波束；其中线条13表示参考陆地边缘线和海冰外缘线。

图14示出了本发明实施例所提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中后向散射系数方差分布图；后向散射系数的单位：dB；具体的，图14中的左图为对应外波束，右图为对应内波束；灰色实线表示参考陆地边缘线和海冰外缘线。

图15示出了本发明实施例所提供的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法中算法获取的海冰分布图。具体的，图15中的左图为对应方差滤波结果，右图为对应空间滤波结果；其中，黑色部分为识别为海冰的区域，黑色实线表示陆地边缘线，白色线条表示参考海冰外缘线。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征在于，包括：

将待测极区划分为预设大小的面元；

获取与海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数相对应的相应面元；

将所述后向散射系数匹配到所述相应面元；

记录匹配结果对应的几何观测信息，所述几何观测信息包括入射角和方位角；

根据所述几何观测信息，计算参考阈值，所述参考阈值包括：面元后向散射系数的最小值、面元极化比和面元方差；

将所述参考阈值的计算结果与所述面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成对每个面元是否为海冰的识别。

2.根据权利要求1所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征在于，所述将所述后向散射系数匹配到所述相应面元，包括：

获取海洋二号卫星微波散射计的后向散射系数的数据列表；

遍历所述数据列表中的数据，并以预设数据时间为单位将所述数据与所述相应面元进行匹配，其中，所述数据是所述海洋二号卫星微波散射计基于地理坐标而获取的。

3.根据权利要求2所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征在于，所述将所述数据与所述相应面元进行匹配，包括：

读取所述海洋二号卫星微波散射计的数据列表中每个后向散射系数的地理坐标，所述地理坐标包括纬度和经度；

根据极方位立体投影平面点坐标(I，J)与地理坐标的转换关系，计算所述地理坐标对应面元的极方位立体投影平面点坐标(I，J)；

获取所述极方位立体投影平面点坐标(I，J)对应的后向散射系数、观测入射角和观测方位角；

将所述后向散射系数、观测入射角和观测方位角匹配到所述地理坐标信息对应的面元。

4.根据权利要求3所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征在于，所述读取所述海洋二号卫星微波散射计的数据列表中每个后向散射系数的地理坐标，包括：

根据公式ANG1＝θ＝(90°-ABS(PNTLAT))/2计算ANG1；

根据公式POLDIS＝SCALE*Tan(ANG1)，计算极方位立体投影平面上的点到极点的距离，所述极点为待测极区的极点；

根据公式计算所述地理坐标的纬度；

根据公式 $\mathrm{ANG}2=\arccos \left(\frac{(\mathrm{CENTJ}-\mathrm{RJ})}{\mathrm{POLDIS}}\right)$ 计算ANG2；

根据公式PNTLON＝PRMLON-ANG2，计算所述地理坐标的经度；

其中，PRMLON为极方位立体投影坐标系的基准经度，所述基准经度有效值为180°W到180°E；SCALE为极点到赤道之间的尺度大小；CENTI、CENTJ为极点对应的平面点坐标；RI、RJ为经纬度坐标经转换后得到对应的平面点坐标(I、J)。

5.根据权利要求4所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征在于，所述极方位立体投影平面点坐标(I，J)与地理坐标的转换关系，包括：

根据如下公式，进行极方位立体投影平面点坐标(I，J)与地理坐标之间的转换：

POLDIS＝SCALE*Tan(ANG1)

ANG2＝PRMLON-PNTLON

I＝CentI+POLDIS*SIN(ANG2)

J＝CentJ+POLDIS*COS(ANG2)；其中，所述CentI和所述CentJ分别对应所述PNTLON和所述PNTLAT。

6.根据权利要求5所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征在于，所述根据所述几何观测信息，计算面元后向散射系数的最小值，包括：

对所有面元进行遍历，获取对匹配到单个面元的后向散射系数的观测结果；

根据所述观测入射角，将所述观测结果分为内波束观测结果和外波束观测结果；

分别计算并记录所述内波束观测结果和外波束观测结果的最小值。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征在于，根据所述几何观测信息，计算面元极化比，包括：

对所有面元进行遍历；

按照公式APR＝(σ_0H-σ_0V)/(σ_0H+σ_0V)计算每个遍历到的面元对应的极化比；其中，σ_0H对应内波束观测结果，σ_0V对应外波束观测结果。

8.根据权利要求7所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征在于，所述根据所述几何观测信息，计算面元方差，包括：

对所有面元进行遍历，获取匹配到单个面元的后向散射系数的观测结果；

根据入射角，将所述观测结果分为内波束观测结果和外波束观测结果；

分别计算并记录所述内波束观测结果和外波束观测结果的方差。

9.根据权利要求8所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征在于，还包括：

对位于陆地的面元，使用预设的陆地标识将该面元标识为陆地。

10.根据权利要求8所述的基于海洋二号卫星微波散射计的极地海冰识别方法，其特征在于，所述面元后向散射系数的标准阈值包括：内波束后向散射系数观测阈值、外波束后向散射系数观测阈值和极化比后向散射系数观测阈值；

所述将所述参考阈值的计算结果与所述面元后向散射系数的标准阈值进行对比，完成对每个面元是否为海冰的识别，包括：

对于未标记为陆地的面元，预设所述内波束后向散射系数观测阈值为-19dB、所述外波束后向散射系数观测阈值为-21dB以及极化比后向散射系数观测阈值为0.06；

在面元内波束后向散射系数观测结果的最小值大于-19dB，外波束后向散射系数观测结果的最小值大于-21dB时，确定所述面元为海冰。