利用高分辨率TSX/TDX交轨干涉测量技术探测渤海浮冰信息

王志勇，张 晰，王士帅

(1. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590； 2. 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东 青岛 266590； 3. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061； 4. 北京航天宏图信息技术股份有限公司，北京 100195)

海冰信息的获取对船舶的安全航行和生产具有重要的意义。海冰的冻结、漂移会对航运、海上石油勘测、海洋渔业资源等造成严重影响，因此，实时监测海冰的生成、分布、漂移等具有重要意义。航空、航天遥感技术是监测海冰的重要技术手段[1]，可见光遥感、多光谱遥感、高度计、辐射计、激光雷达(LiDAR)、合成孔径雷达(syntheric aperture radar，SAR)等已经应用于海冰的探测中[2]，与其他遥感手段相比，合成孔径雷达能够全天时、全天候地对海冰进行监测[2]，因此，合成孔径雷达在海冰监测中受到越来越多的应用。但目前大部分研究是利用SAR幅度信息及多极化(包括全极化)信息进行海冰分布、海冰类型的识别[1-7]。

2013年，张晰等[1]采用极化SAR数据基于极化散射特征进行了海冰分类的研究；2014年，杨学志等[4]提出了SRRG-MRF的方法对海冰SAR图像进行分割；2015年，Liu Huiying等结合纹理特征和饱和度信息利用支持向量机方法从Radarsat-2双极化ScanSAR数据中进行海冰分类[6]。虽然利用SAR后向散射信息可以探测海冰的分布信息，但已经被证明SAR后向散射信息在薄冰检测中存在检测精度差的问题。

除了应用SAR幅度信息和极化信息外，在SAR遥感监测中还可以应用干涉相位信息，并且基于相位信息发展起来的雷达干涉测量(InSAR)技术在DEM测量、微小形变监测等方面得到了广泛应用[8-9]，但在海冰探测中应用相对较少，目前InSAR技术主要用于监测南北极的冰川厚度、沿岸固定冰的分布及厚度[10-13]。但针对海上浮冰的InSAR探测的成果还非常少，这主要是由于洋流的变化导致重轨InSAR数据的相干性非常差，基本上形成不了干涉图。

针对目前InSAR技术在海洋浮冰探测方面存在的问题，本文将交轨InSAR技术引入到海上浮冰的探测中，利用德国的高分辨率TerraSAR-X(简称TSX)与TanDEM-X(简称TDX)构建的交轨干涉对，基于InSAR相位信息反演冰舷高，进而得到海冰厚度信息。

1 TSX/TDX交轨干涉测量探测海冰的基本原理

1.1 交轨干涉对的构成

目前重复轨道干涉SAR主要用于测量大范围的数字高程模型(DEM)及微小的地表形变[8-9]。在海洋领域主要用于测量一些固定目标，比如长时间不会发生变化的沿岸固定冰，而海上浮冰和海水受潮汐作用的影响变化快，很难通过重复轨道干涉测量技术对其进行探测。

TSX/TDX的星载双站SAR干涉模式为海冰的探测提供了可能，根据飞行设计的不同，TSX/TDX卫星编队飞行可以构建顺轨干涉测量[14]，也可以构建交轨干涉模式。交轨干涉SAR数据基本上是准同步获取的，可以认为海上浮冰没有发生漂移，因此交轨干涉对数据具有很好的相干性，可以利用相位信息测量海冰表面起伏信息。

交轨干涉模式类似于美国的航天飞机雷达地形测绘使命SRTM的双天线纵向的工作模式，由于两颗雷达卫星的工作参数是一致的，故TSX/TDX交轨干涉测量的数据处理可借鉴重复轨道的InSAR干涉测量数据处理。文献[15]详细介绍了雷达干涉测量技术的原理及方法。InSAR干涉数据处理一般可分为以下几步：高精确配准、干涉条纹图生成、去平地效应、相位噪声滤除、相位解缠、相位转换、地理编码等[15-16]。

1.2 交轨干涉测量探测海冰厚度原理

InSAR干涉测量主要是基于两幅雷达复影像的相位信息，两幅SAR影像的相位差Δφ与电磁波传播的路径差ΔR存在如下关系[15]

(1)

式中，λ为波长；φ1、φ2分别为主、从影像的相位。

基于InSAR原理，邻近像元的干涉相位差Δφ可表示为

(2)

式中，R为传感器到目标的斜距；θ为雷达视角；Δr为两个高程无变化目标的斜距差；B⊥为干涉对的垂直基线分量。

式(2)等号右边第一项表示目标高程起伏变化Δh引起的相位，等号右边第二项表示无高程变化的平地引起的相位，称之为平地相位。为了反演海冰的高程起伏，首先需要去除平地相位，然后建立干涉相位与高程起伏(即海冰冰舷高)之间的关系得到冰舷高fb，基于静力学平衡方程可以得到海冰厚度[17]。

2 试验数据及研究方法

2.1 试验数据

为了利用InSAR技术探测海上浮冰信息，选取了中国渤海东北部某海域作为试验区，该试验区位于辽宁省营口市鲅鱼圈区的西南侧。采用2013年1月20日获取的双站飞行模式的两幅TSX/TDX雷达数据，这两颗雷达卫星的工作参数基本一致，其波长为3.1 cm(X波段)，用于干涉的工作模式为条带式，产品级别为单视复数据SSC(single look slant range complex)，HH极化，升轨，距离向像元大小约1.364 m，方位向像元大小约2.007 m，雷达入射角约为40.542 4°，试验区的景中心位于39.645°N、121.775 6°E，具体交轨干涉对的试验数据见表1。通过基线估计，该干涉对的垂直基线约为275.561 m。

表1 TSX/TDX干涉对数据

2.2 研究方法

如图1所示，对TSX/TDX构建交轨干涉对，基于干涉测量技术，可以分别生成干涉图和相干图。对于干涉图，通过去平地效应、相位滤波、相位转换、地理编码等处理[15-16]，以海水面作为基准控制，可以得到海冰冰舷高。

图1 技术路线

2.3 干涉数据处理及结果

对TSX/TDX构建的交轨干涉对数据进行干涉测量处理，首先对主、从影像进行高精度配准，之后通过复共轭相乘得到干涉图(如图2(b)所示)，在干涉图中可以看到存在明显的线性条纹，这种现象被称为平地效应；通过去平地相位，就可以得到干涉条纹图(如图2(c)所示)；在干涉条纹图中可以看到海冰区域存在明显的干涉相位，而在海水区域，其干涉相位不明显，去平地相位后还需要进行干涉相位的增强，即相位滤波。相位滤波采用改进的Goldstein滤波方法[15]，其滤波结果如图2(d)所示，滤波后干涉条纹图的清晰度明显改观。

图2 海冰区域的干涉图

2.4 基于干涉相位的冰舷高测量及分析

在提取海冰分布后，将图2(d)中的干涉相位进行掩膜处理，即海水区域不参与运算，而对海冰区域进行InSAR干涉处理得到干涉相位，就可以得到海上浮冰的冰舷高，如图3所示，再利用静力学平衡方程可得到海冰厚度信息。

图3 基于InSAR相位信息获取的海冰冰舷高

通过对海冰冰舷高的结果进行分析发现：在试验区基于干涉相位反演的海冰冰舷高一般在1.01～3.06 cm，平均冰舷高为2.376 cm。根据海冰冰舷高到海冰厚度转换时存在约9.6的因子[18]，可以得到在该试验区的海冰厚度大约在9.7～29.3 cm，海冰厚度均值约为22.9 cm。为了验证InSAR测量结果，在渤海湾同步开展了海冰外业调查，但海上浮冰受海洋潮汐及风力的影响，其时刻在运动中，无法准确测量某一位置处的海冰厚度，无法进行精度评定，但从外业调查的结果看，该试验区的海冰为新生长的海冰，尚未连成片，外业同步调查时测量的海冰厚度一般在十几至二十几厘米之间，基于InSAR相位信息反演的海冰厚度与外业同步观测的情况基本一致。

3 结 论

本文基于高分辨率TSX/TDX构建的交轨干涉对数据，利用InSAR技术对渤海东北部的海上浮冰进行了探测，以海水面作为基准面，利用InSAR相位信息反演了海冰的冰舷高和厚度信息。通过试验发现渤海东北部的海上浮冰为新生长的冰，其海冰冰舷高一般在1.01～3.06 cm，平均冰弦高为2.376 cm。通过试验可以得到一些有价值的结论：

(1) 基于准同步的TSX/TDX交轨干涉测量技术是进行海上浮冰探测的一种重要技术手段，可以准确测量海上浮冰的冰舷高，进而反演海冰的厚度信息，这对于研究海上浮冰的生长与发育非常关键。

(2) TSX/TDX数据的分辨率较高，对于监测面积较小的浮冰非常有利，可以检测到面积仅为几平方米的浮冰。

由于很难对海上浮冰的厚度进行准确的外业同步测量，缺乏准确的验证数据，对交轨干涉测量技术反演的浮冰厚度的精度还需要进一步验证与分析，由海冰冰舷高到海冰厚度转换的相关参数也需准确测定。另外，受InSAR技术本身的限制，目前InSAR技术尚不能监测陡峭的海冰，会存在着相位模糊的问题，这需要进一步的研究与讨论。本文重点验证了交轨干涉测量技术在海上浮冰厚度探测应用的可行性，相信随着我国成像高度计和美国SWOT计划的发射[19]，在未来交轨干涉测量技术会成为海冰厚度探测的主要技术手段之一。