一种基于ICESat-2数据的海冰密集度估算方法及系统

数据的海冰密集度估算方法及系统，假定格网的海冰密集度等于沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度，利用icesat
‑
2的atl10原始数据集进行海冰密集度估计，提供了一种新的海冰密集度估算方法，为海冰密集度估计提供了新的数据源，提升了icesat
‑
2数据的利用价值，有利于对极地冰盖变化和海冰密集度等进行监测。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种基于icesat
‑
2数据的海冰密集度估算方法，包括以下步骤：
9.s1、读取icesat
‑
2的atl10原始数据集，得到海冰数据集，所述海冰数据集中包括多个海冰数据，海冰数据的属性包括经纬度信息、采集时间、冰水类别参数和段长；
10.s2、根据海冰数据的采集时间划分海冰数据集中的海冰数据，得到不同月份的海冰数据集；对于每个月份的海冰数据集，根据海冰数据的经纬度信息，得到各个海冰数据在极地立体投影网格中的格网信息，包括海冰数据所在格网的行列号，根据海冰数据所在格网的行列号划分海冰数据集中的海冰数据，得到不同格网的海冰数据集；
11.s3、分别计算极地立体投影网格中各个格网的海冰密集度，得到不同月份各个格网的海冰密集度，格网的海冰密集度等于格网内的海冰面积除以格网的面积，假定格网的海冰密集度等于沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度，假定格网内每个段长数据的一半为面积计算的半径，沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度的计算过程如下：对于极地立体投影网格中的一个格网，获取该格网的海冰数据集，计算该格网的海冰密集度：
[0012][0013]
其中，n表示该格网内icesat
‑
2的测高轨迹的条数，p
i
表示该格网内icesat
‑
2第i条测高轨迹包含的采样点的数量，每个采样点对应海冰数据集中的一个海冰数据，i
track
表示沿该格网内icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度，l
ij
表示海冰数据的段长，表示海冰数据的纬度，w
ij
表示海冰数据的波形类型，w
ij
的取值为0或1，w
ij
的大小是根据海冰数据的冰水类别参数的值确定的。
[0014]
进一步的，海冰数据的属性还包括飞行方向参数，所述飞行方向参数用于表征icesat
‑
2所处的飞行模式，当弱波束引导强波束时，icesat
‑
2被认为是向前飞行的，当强光束引导弱光束时，icesat
‑
2被认为是向后飞行的；飞行方向参数等于1表示处于前进模式，右侧right是强光束，飞行方向参数等于0表示处于后退模式，左侧left是强光束，飞行方向参数等于2表示处于过渡模式，icesat
‑
2在两个方向之间机动，此时的数据质量可能会下降；在步骤s1中，基于飞行方向参数的值保留海冰数据集中对应强光束的海冰数据，仅使用强光束的海冰数据参与后续计算，既降低了计算量，也提高了计算精度。
[0015]
进一步的，冰水类别参数用于区分采样点是海冰或冰间水道，当冰水类别参数等于0时，表示被云遮盖的采样情况，当冰水类别参数等于1时，表示采样点为没有冰间水道的冰/雪表面，当冰水类别参数等于2～9时，表示采样点为冰间水道。
[0016]
更进一步的，步骤s1中还包括自海冰数据集中剔除冰水类别参数等于0的海冰数据。
[0017]
更进一步的，步骤s3中，如果一个海冰数据的冰水类别参数等于1，则该海冰数据的波形类型取值为1，如果一个海冰数据的冰水类别参数不等于1，则该海冰数据的波形类
型取值为0。
[0018]
进一步的，步骤s3中使用的极地立体投影网格是nsidc的25
×
25km极地立体网格。
[0019]
一种基于icesat
‑
2数据的海冰密集度估算系统，包括：
[0020]
数据获取单元，用于自icesat
‑
2的atl10原始数据集中读取数据，得到包含多个海冰数据的海冰数据集，所述海冰数据的属性包括经纬度信息、采集时间、冰水类别参数和段长；
[0021]
数据处理单元，基于海冰数据的采集时间将海冰数据集划分为不同月份的海冰数据集，对于每个月份的海冰数据集，基于海冰数据的经纬度信息得到各个海冰数据在极地立体投影网格中的格网信息，包括海冰数据所在格网的行列号，根据海冰数据所在格网的行列号将海冰数据集划分为不同格网的海冰数据集；
[0022]
密集度计算单元，分别计算极地立体投影网格中各个格网的海冰密集度，得到不同月份各个格网的海冰密集度，计算过程具体为：对于极地立体投影网格中的一个格网，获取该格网的海冰数据集，计算该格网的海冰密集度：
[0023][0024]
其中，n表示该格网内icesat
‑
2的测高轨迹的条数，p
i
表示该格网内icesat
‑
2第i条测高轨迹包含的采样点的数量，每个采样点对应海冰数据集中的一个海冰数据，i
track
表示沿该格网内icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度，l
ij
表示海冰数据的段长，表示海冰数据的纬度，w
ij
表示海冰数据的波形类型，w
ij
的取值为0或1，w
ij
的大小是根据海冰数据的冰水类别参数的值确定的。
[0025]
进一步的，海冰数据的属性还包括飞行方向参数，所述飞行方向参数用于表征icesat
‑
2所处的飞行模式，飞行方向参数等于1表示处于前进模式，右侧right是强光束，飞行方向参数等于0表示处于后退模式，左侧left是强光束，飞行方向参数等于2表示处于过渡模式；在所述数据获取单元中，基于飞行方向参数的值保留海冰数据集中对应强光束的海冰数据。
[0026]
进一步的，冰水类别参数用于区分采样点是海冰或冰间水道，当冰水类别参数等于0时，表示被云遮盖的采样情况，当冰水类别参数等于1时，表示采样点为没有冰间水道的冰/雪表面，当冰水类别参数等于2～9时，表示采样点为冰间水道；在所述数据获取单元中，剔除冰水类别参数等于0的海冰数据。
[0027]
更进一步的，在密集度计算单元中，如果一个海冰数据的冰水类别参数等于1，则该海冰数据的波形类型取值为1，如果一个海冰数据的冰水类别参数不等于1，则该海冰数据的波形类型取值为0。
[0028]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0029]
(1)假定格网的海冰密集度等于沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度，利用icesat
‑
2的atl10原始数据集进行海冰密集度估计，提供了一种新的海冰密集度估算方法，为海冰密集度估计提供了新的数据源，提升了icesat
‑
2数据的利用价值。
[0030]
(2)由于icesat
‑
2数据的采样点密集、分辨率高，利用icesat
‑
2数据估算的海冰密集度的精度高于传统方法估算的海冰密集度，有利于对极地冰盖变化和海冰密集度等进行
监测。
[0031]
(3)icesat
‑
2数据中对应强光束的海冰数据分辨率更高，本技术使用飞行方向参数来判断icesat
‑
2的飞行模式，从而确定强弱光束，提升了计算精度，而且减少了计算量。
附图说明
[0032]
图1为本发明的流程示意图；
[0033]
图2海冰密集度对比图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0035]
实施例1：
[0036]
一种基于icesat
‑
2数据的海冰密集度估算方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0037]
s1、读取icesat
‑
2的atl10原始数据集，得到海冰数据集，海冰数据集中包括多个海冰数据，海冰数据的属性包括经纬度信息、采集时间、冰水类别参数和段长；
[0038]
s2、根据海冰数据的采集时间划分海冰数据集中的海冰数据，得到不同月份的海冰数据集；对于每个月份的海冰数据集，根据海冰数据的经纬度信息，得到各个海冰数据在极地立体投影网格中的格网信息，包括海冰数据所在格网的行列号，根据海冰数据所在格网的行列号划分海冰数据集中的海冰数据，得到不同格网的海冰数据集；
[0039]
s3、分别计算极地立体投影网格中各个格网的海冰密集度，得到不同月份各个格网的海冰密集度，格网的海冰密集度等于格网内的海冰面积除以格网的面积，假定格网的海冰密集度等于沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度，假定格网内每个段长数据的一半为面积计算的半径，沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度的计算过程如下：对于极地立体投影网格中的一个格网，获取该格网的海冰数据集，计算该格网的海冰密集度：
[0040][0041]
其中，n表示该格网内icesat
‑
2的测高轨迹的条数，p
i
表示该格网内icesat
‑
2第i条测高轨迹包含的采样点的数量，每个采样点对应海冰数据集中的一个海冰数据，i
track
表示沿该格网内icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度，l
ij
表示海冰数据的段长，表示海冰数据的纬度，w
ij
表示海冰数据的波形类型，w
ij
的取值为0或1，w
ij
的大小是根据海冰数据的冰水类别参数的值确定的。
[0042]
一种基于icesat
‑
2数据的海冰密集度估算系统，包括：
[0043]
数据获取单元，用于自icesat
‑
2的atl10原始数据集中读取数据，得到包含多个海冰数据的海冰数据集，海冰数据的属性包括经纬度信息、采集时间、冰水类别参数和段长；
[0044]
数据处理单元，基于海冰数据的采集时间将海冰数据集划分为不同月份的海冰数据集，对于每个月份的海冰数据集，基于海冰数据的经纬度信息得到各个海冰数据在极地立体投影网格中的格网信息，包括海冰数据所在格网的行列号，根据海冰数据所在格网的
行列号将海冰数据集划分为不同格网的海冰数据集；
[0045]
密集度计算单元，分别计算极地立体投影网格中各个格网的海冰密集度，得到不同月份各个格网的海冰密集度，计算过程具体为：对于极地立体投影网格中的一个格网，获取该格网的海冰数据集，假定格网内每个段长数据的一半为面积计算的半径，计算该格网的海冰密集度：
[0046][0047]
其中，n表示该格网内icesat
‑
2的测高轨迹的条数，p
i
表示该格网内icesat
‑
2第i条测高轨迹包含的采样点的数量，每个采样点对应海冰数据集中的一个海冰数据，i
track
表示沿该格网内icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度，l
ij
表示海冰数据的段长，表示海冰数据的纬度，w
ij
表示海冰数据的波形类型，w
ij
的取值为0或1，w
ij
的大小是根据海冰数据的冰水类别参数的值确定的。
[0048]
icesat
‑
2的atl10原始数据集中的海冰数据包括多种属性，如海冰干舷等，本技术提取其中的经纬度信息、采集时间、冰水类别参数和段长，去除了无用的数据，提高了数据处理效率。
[0049]
冰水类别参数用于区分采样点是海冰或冰间水道，当冰水类别参数等于0时，表示被云遮盖的采样情况，不参与计算，当冰水类别参数等于1时，表示采样点为没有冰间水道的冰/雪表面，该海冰数据的波形类型取1，当冰水类别参数等于2～9时，表示采样点为冰间水道，该海冰数据的波形类型取0。为了减少后续计算量，本技术自海冰数据集中剔除冰水类别参数等于0的海冰数据。
[0050]
由于icesat
‑
2包括强弱光束，本技术还提取了海冰数据的飞行方向参数，飞行方向参数用于表征icesat
‑
2所处的飞行模式，当弱波束引导强波束时，icesat
‑
2被认为是向前飞行的，当强光束引导弱光束时，icesat
‑
2被认为是向后飞行的；飞行方向参数等于1表示处于前进模式，右侧right是强光束，飞行方向参数等于0表示处于后退模式，左侧left是强光束，飞行方向参数等于2表示处于过渡模式，icesat
‑
2在两个方向之间机动，此时的数据质量可能会下降。强光束的海冰数据分辨率更高，本技术基于飞行方向参数保留海冰数据集中对应强光束的海冰数据，使用强光束的海冰数据参与后续计算，提高了海冰密集度的估算精度，降低了计算量。
[0051]
考虑到海冰密集度与温度的关系极为密切，本技术先将海冰数据集按月份划分，这样分别计算不同月份的海冰密集度，一定程度上提高了海冰密集度的估算精度。为了与国际上已有产品一致，本技术使用nsidc的25
×
25km极地立体网格，这是一种常用的网格投影，可以方便的与国际上其他数据集(如被动微波反演的冰浓度)进行比较。nsidc的25
×
25km极地立体网格的坐标原点为北极点，标准纬线为70
°
n，网格分辨率25km，每个格点所对应的经纬度数据由nsidc网站提供，格网信息如下表所示。
[0052]
表1格网信息
[0053]
地区标准网格分辨率(km)列号行号北极25304448x轴(km)y轴(km)纬度经度
‑
38505850～30.98
°
～168.35
°
[0054]
将海冰数据按月按格网划分后，可以计算每个格网在不同月份的海冰密集度，如10月份极地立体投影网格中一个格网的海冰密集度。
[0055]
格网的海冰密集度i等于格网内的海冰面积除以格网的面积，即：
[0056][0057]
其中，s
i
表示格网内的海冰面积，s表示格网的面积，本技术假定格网的海冰密集度等于沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度，这样基于icesat
‑
2的海冰数据可以得到沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度i
track
，认为格网的海冰密集度i的值约等于i
track
。
[0058]
沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰密集度i
track
的计算公式如下：
[0059]
i
track
＝s
itrack
/s
track
[0060][0061][0062]
其中，s
itrack
表示沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰面积，s
track
表示沿icesat
‑
2测高轨迹的总面积。对于待计算的格网，已经在前述步骤中得到该格网的海冰数据集，每一个海冰数据是基于icesat
‑
2的一个采样点获取的，这些海冰数据分布在n条轨迹上的，每条轨迹上的采样点的数量可能有所不同，第i条测高轨迹包含的采样点的数量记为p
i
，这样，可以计算得到沿icesat
‑
2测高轨迹的总面积s
track
。
[0063]
在计算沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰面积s
itrack
时，通过冰水类别参数来判断该采样点是冰/雪，还是冰间水道。当冰水类别参数等于0时，表示被云遮盖的采样情况，此类海冰数据不参与计算，当冰水类别参数等于1时，表示采样点为没有冰间水道的冰/雪表面，当冰水类别参数等于2～9时，表示采样点为冰间水道。
[0064]
因此，计算沿icesat
‑
2测高轨迹的海冰面积s
itrack
时，如果一个海冰数据的冰水类别参数等于1，则该海冰数据的波形类型取值为1，如果一个海冰数据的冰水类别参数不等于1，则该海冰数据的波形类型取值为0。
[0065]
当格网内所有的采样点均落在冰/雪表面时，s
itrack
＝s
track
，此时格网的海冰密集度i＝i
track
＝1，当格网内所有的采样点均落在冰间水道时，s
itrack
＝0，此时格网的海冰密集度i＝i
track
＝0，即格网的海冰密集度i的取值范围为[0，1]。
[0066]
通过上述操作，得到了nsidc的25
×
25km极地立体网格内每个网格在不同月份的海冰密集度，可以将本技术得到的海冰密集度与nsidc官方公开的海冰密集度进行误差评估，通过平均偏差bias、标准差rmse、相关系数r等指标进行精度评估。
[0067]
为了进一步更精确的进行精度评估，可以按高纬度高海冰密集度区域(80
°
～90
°
n)、中低纬度低海冰密集度区域(70
°
～80
°
n)进行对比评估，分区计算平均偏差、标准差、相关系数等对比评估指标。
[0068]
基于2019年9月份icesat
‑
2的atl10原始数据集，使用本技术得到海冰密集度，并与nsidc官方公开的海冰密集度对比，图2中自左至右依次为本技术得到的海冰密集度、
nsidc官方公开的海冰密集度、本技术得到的海冰密集度与nsidc官方公开的海冰密集度之差。
[0069]
将本技术得到的海冰密集度与nsidc官方公开的海冰密集度进行误差评估，高纬度高海冰密集度区域的r为0.75，rmse为0.15，bias为
‑
0.05，中纬度低海冰密集度区域的r为0.80，rmse为0.18，bias为0.01，说明利用icesat
‑
2的atl10原始数据集进行海冰密集度估算是可行的，而且通过本技术得到的海冰密集度的分辨率较高。
[0070]
本技术利用icesat
‑
2的atl10原始数据集进行海冰密集度估计，提供了一种新的海冰密集度估算方法，为海冰密集度估计提供了新的数据源，提升了icesat
‑
2数据的利用价值。另一方面，由于icesat
‑
2数据采样点密集、分辨率高，利用icesat
‑
2数据估算的海冰密集度的精度高于传统方法估算的海冰密集度，有利于对极地冰盖变化和海冰密集度等进行监测。
[0071]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。