多源遥感数据在南极冰雪变化监测中的应用研究

张 辛

1．长江勘测规划设计研究院,湖北武汉 430010;2．武汉大学中国南极测绘研究中心,湖北武汉 430079

多源遥感数据在南极冰雪变化监测中的应用研究

张 辛1,2

1．长江勘测规划设计研究院,湖北武汉 430010;2．武汉大学中国南极测绘研究中心,湖北武汉 430079

南极独特的地理环境和恶劣的自然条件给南极冰雪变化的系统研究带来了种种限制,直到卫星遥感技术的发展为相关研究提供了新的技术与方法。然而,在南极冰雪环境快速变化的前提下,单一的遥感传感器难以满足人类对南极的持续监测;因此,多源遥感数据在南极冰雪变化监测中的应用研究成为了南极科学研究与遥感技术研究双双发展的必然。

本文使用光学遥感影像、主动微波遥感影像及被动微波遥感影像等多源遥感数据,分别在南极局部区域与全南极的整体范围内进行了冰雪变化监测的应用研究。取得的主要研究成果包括以下几个方面:

(1)使用250 m分辨率的MODIS影像镶嵌图数据(MOA),250 m分辨率的MODIS的L1B数据及150 m分辨率的Envisat－ASAR的Wide Swath数据进行冰架监测试验。提出了基于MOA的冰架基准图生成,基于相似性测度的影像匹配,以及基于阈值与分水岭变换的图像分割的系统的南极冰架变化的监测方法。

(2)利用多时相的MODIS与Envisat-ASAR数据,使用上述的冰架变化监测方法,对全南极18个主要的冰架进行了从2002年至2011年初的冰架变化分析;包括冰架的前端扩展面积与扩展速度统计,冰架崩解量的计算,冰架裂隙的监测等。然后,根据冰架变化特征将南极冰架系统分为扩张为主的冰架、崩解为主的冰架,以及扩张与崩解都明显的冰架这三大类别。进一步总结了冰架变化规律与变化趋势:崩解变化为主的冰架均处于西南极地区,并主要集中在南极半岛区域;扩展变化为主的冰架主要集中在东南极区域;南极三大冰架的扩展变化较为明显,其中Amery冰架预计在近十年间发生较大崩解。

(3)综合近年间变化显著的南极冰架、冰川与冰舌等,分析了2002年至2011年初各年段的南极海岸线变化情况,并综合使用全南极海岸线对比图与南极海岸线变化量统计表,对近10年间的南极海岸线变化情况进行了系统的研究。结果表明近10年间的南极海岸线总体上呈扩展变化,海岸线扩展增加总量为5878 km2;南极海岸线范围变化的90%以上来源于南极冰架的扩展与崩解变化量。此外,将动态海岸线数据应用于南极海冰监测,也进一步提高了海冰监测精度。

(4)使用MODIS在近红外光谱范围内的第2波段与第5波段的组合,改进NDSI归一化雪被指数海冰提取方法中云干扰的问题,提出了晴空下海冰提取的新方法;进一步地,结合波段比值法与水汽含量法,提出了MOIDS薄云与厚云的分类方法,并仍使用MODIS第2波段与第5波段的组合实现薄云下海冰的提取;此外,在极夜期间也总结了MODIS红外波段进行云检测及海冰提取的方法。总体上,形成了MODIS提取南极海冰的完整的方法体系。使用该方法在东南极普里兹湾的进行区域性试验,试验结果得到了NASA海冰产品的验证。

(5)使用新的MODIS海冰提取方法,辅助性地结合AMSR－E亮温极化差海冰提取方法,进行了2002年至2010年全南极每月海冰范围的提取,影像分辨率达1 km,高于现存的全南极海冰范围影像数据。对近年间的海冰范围与海冰面积数据进行了季节变化与年际变化的系统研究,对南极海冰变化规律与变化趋势给出了新的分析。结果表明,南极海冰的季节变化表现为从每年的2月至9月经历约7个月的冻结阶段,再从9月至第二年2月经历约5个月的消融时段;即南极海冰消融速度比冻结速度快,与前人的研究结果一致。而近年间全南极海冰的年际变化可分为3个阶段:从2002年至2004年海冰没有明显的增减变化,2005年至2007年海冰明显减少,2008年至2010年海冰处于增长趋势中;这印证了南极海冰20年长周期的推断。但近9年的全南极海冰总量并没有明显的趋势性变化规律。

(6)利用MODIS的250 m分辨率的第1波段与第2波段数据,使用新的蓝冰映射方法取代常规的NDSI提取方法,在东南极格罗夫蓝冰区成功提取了2000—2001年、2002—2003年、2009—2010年3个年段的蓝冰分布,并总结了该区域蓝冰面积季节性的变化规律。然后利用Landsat系列传感器MSS、TM及ETM＋分别在1974年、1990年及2001年的格罗夫影像数据,使用监督分类的方法也提取了相应的蓝冰分布,并在之后的年际变化分析中得到了蓝冰边缘线有东移现象的结论。

(7)使用全南极MODIS影像镶嵌图,结合MODIS第1波段的灰度阈值与第1、2两波段生成的地表颗粒尺寸影像的阈值,进行了全南极蓝冰的提取与分类研究。试验先在格罗夫蓝冰区利用已获取的蓝冰分布数据校准MOA蓝冰提取方法,再在毛德皇后地区使用已有的研究结论校准MOA蓝冰分类方法,最终得到了可信度较高的全南极蓝冰分类分布图与相应的统计数据:全南极风蚀型蓝冰面积为(91 865±18 373)km2,消融型蓝冰面积为(96 992± 19 398)km2,蓝冰总面积为(188 857±37 771)km2。

The Monitoring of Antarctic Snow and Ice Changes from the Multiple-sources Remote Sensing Data

ZHANG Xin1,2
1．Changjiang Institute of Survey,Planning,Design and Research,Wuhan 430010,China;2．Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping,Wuhan University,Wuhan 430079,China

ANG Xin(1983—),male,

his doctoral degree from Wuhan Universtiy on December 2011,majors in geodetic surveying and remote sensing application．

P237

D

1001-1595(2014)04-0437-01

2014-02-23

张辛(1983—),男,2011年12月获武汉大学工学博士学位(指导教师:鄂栋臣教授),主要从事大地测量与遥感应用研究。

ZHANG Xin．The Monitoring of Antarctic Snow and Ice Changes from the Multiple-sources Remote Sensing Data[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(4):437．(张辛．多源遥感数据在南极冰雪变化监测中的应用研究[J]．测绘学报,2014,43(4): 437．)

10．13485/j．cnki．11-2089．2014．0083

国家863计划专题课题(2009AA12Z133);国家自然科学基金(41076126;41376187)．

E-mail:zsimba＠163．com