利用Sentinel-1A/1B雷达卫星数据监测南极接地线回退状况

徐志达，王志勇,2，谭建伟

(1. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590; 2. 山东科技大学测绘工程国家级实验教学示范中心,山东 青岛 266590)

接地线是冰流从陆地流向海洋成为海洋漂浮冰架与陆地固定冰架之间的分界线[1]。南极接地线位置的准确确定对南极物质平衡、冰川动力学、冰下环境、全球变暖等研究具有重要意义[1-2]。同时，接地线的精确位置也是海平面变化的重要指示参数，接地线的位置对海平面的变化十分敏感，会随着海平面的变化而变化，因而对南极接地线的精确位置进行连续监测与更新具有重要意义。

由于南极地区气候环境恶劣且接地区域通常覆盖有数十米厚的冰层，因而传统的测量方法难以进行接地线的精确提取[3]。目前，确定接地线的方法主要有：流体静力平衡分析、光学影像坡度特征点提取、卫星测高数据的轨道重复分析和雷达差分干涉测量等方法[1-6]。文献[1]利用多源SAR影像数据基于DInSAR(differential interferometry SAR)和DDInSAR(double differential interferometry SAR)方法提取南极接地线并发布了MEa-SUREs接地线产品；文献[5]利用MODIS影像基于表面坡度特征点提取接地线并发布了MOA(mosaic of antarctic)接地线产品；文献[6]利用Cryosat-2测高数据进行试验并提取了接地线；文献[7]利用差分干涉测量技术对南极的Totten冰架接地线在1996—2013年间的变化进行了监测，表明接地线在该区域17年间回退了1～3 km；文献[8]利用COSMO-SkyMed星座数据对西南极的Pine岛冰川进行了动态监测；文献[9]利用COSMO-SkyMed星座数据基于双差干涉测量方法对南极冰川流速和接地线进行了研究；文献[10]利用Sentinel-1A数据对西南极的Pope、Smith和Kohler冰川接地线在2011—2014年间的回退情况进行了监测。但国内相关研究较少，文献[3]利用ERS数据对Jalbart冰架接地线进行了提取，并未有对接地线的变化进行动态监测的研究。同时，已有研究中其研究区域多集中在冰流速较大的西南极区域，而针对东、西南极接地线进行对比动态监测分析则较少。

针对南极接地线的动态监测与更新，利用Sentinel-1A/1B雷达卫星星座数据组成的干涉对，基于双差干涉测量技术，分别对东南极毛德皇后地沿岸冰架与西南极阿蒙森湾西侧的Dotson冰架进行双差干涉测量；将接地线提取结果与毛德皇后地沿岸利用2000年的RadarSat-1数据和Dotson冰架利用1996年ERS数据所提取的MEa-SUREs(making earth system data records for use in rensarch environment)接地线产品进行对比，分别利用间隔6 d或12 d Sentinel-1A/1B雷达卫星数据，基于DDInSAR方法对南极接地线进行提取与更新，并监测Dotson冰架接地线回退具体情况。

1 DDInSAR提取接地线原理

冰流从大陆固定冰盖流向海洋，达到流体静力平衡成为海洋漂浮冰架，海洋漂浮冰架与大陆固定冰盖之间的区域为接地区域[3]。如图1所示，其中F点为接地区域能够影响到陆地冰盖的最远点，G点为接地线点，J点为表面坡度陡变点，H点为达到流体静力平衡点。由于海洋潮汐作用的影响，海洋漂浮冰架会随潮汐运动而产生垂直运动，从而会产生沿雷达视线方向的形变，因而根据差分干涉测量原理会在接地区域产生密集干涉条纹，通过追踪密集条纹中靠近陆地一侧分界线可提取接地线。

根据雷达差分干涉测量原理，在不考虑大气和系统噪声的影响时，重复轨道雷达干涉测量的相位可表示为[11]

(1)

式中，φr、φt、φd分别为参考相位、地形相位和形变相位；λ为雷达波长；R为从雷达天线到地面目标点之间的距离；θ为雷达视角；h为地形高程；Δr为重复轨道观测期间所发生的形变量。利用三景单视复影像(SLC)可构建两组时间基线相同的两个干涉对(SSI)，通过引入外部数字高程模型DEM去除地形相位的影响，得到两个差分干涉图(DSI)，在DSI中仅包含由冰流和潮汐运动导致的形变相位[3]。因而，利用相同时间间隔的两景SLC数据，且均以获取时间在前的影像为主影像所形成的差分干涉图可以认为其由冰流所引起的冰流相位相同。因此，将所得到的两景差分干涉图再进行相位差分处理，去除冰流相位的影响，得到双差干涉图(DDSI)，其相位可表示为

φdouble=φd1-φd2

(2)

式中，φd1为时间间隔在前的DSI-1形变相位；φd2为时间间隔在后的DSI-2形变相位。在接地区域，经双差干涉后的干涉图中仅包含由潮汐运动所产生的形变相位，因而会在接地区域形成密集干涉条纹。因此，通过追踪DDSI中密集干涉条纹中靠近陆地一侧的分界线，即可提取接地线。

2 试验区与试验数据

分别选取冰流速相对较小、接地区域较稳定和冰流速大、接地区域变化大等两种典型区域进行监测试验，分析在不同冰流速下接地线回退状况，并验证采用双差干涉测量对冰架动态监测与更新在南极绝大部分区域的可行性。分别选取了东南极毛德皇后地沿岸冰架和西南极阿蒙森湾西侧的Dstson冰架进行接地线提取及回退状况监测试验。试验区如图2所示，其中，图2(a)为毛德皇后地沿岸冰架区域，图2(b)为阿蒙森湾西侧Dstson冰架区域。在毛德皇后地沿岸冰川流速相对较小，冰流排泄量较小，接地线相对稳定[12]。在阿蒙森湾东侧的Pine岛冰川、Thwaites冰川等区域，冰流速快，冰流排泄量大，接地线变化较大。在1992—2011年间，Pine岛冰川的接地线中心区域回退了31 km，Thwaites冰川接地线中心区域回退了14 km[13]。在阿蒙森湾西侧的Dstson冰架区域，其排泄的冰流量占整个阿蒙森湾冰排泄量的23%，因而对其进行接地线更新和回退监测具有重要意义[10]。

由于南极冰流速的影响，为保证干涉对的相干性，所选雷达数据的重复周期应较短，同时为保证能够实现对接地线的连续监测与更新，应选取当前在轨运行且易获取的数据。因此，本文选用的试验数据为Sentinel-1雷达卫星数据，Sentinel-1雷达卫星为欧洲空间局(ESA)哥白尼计划中的地球观测卫星，由Sentinel-1A/1B两颗卫星组成，搭载C波段合成孔径雷达，可全天时、全天候地对地观测[14]。其中，Sentinel-1A的重复周期为12 d，而由Sentinel-1A/1B星座获取数据的重复周期可缩短为6 d。在毛德皇后地沿岸冰架其冰流速较慢，因此选用时间基线为12 d的Sentinel-1A数据。在Dstson冰架区域，其冰流速快时间基线为12 d的Sentinel-1A数据会造成严重的失相干，无法形成干涉图，因此在该区域选用时间基线为6 d的Sentinel-1A/1B雷达卫星数据，具体试验数据信息见表1。试验所用外部DEM为美国国家冰雪数据中心(NSIDC)所发布的由Bamber等制作的分辨率为1 km的DEM数据[15]，其精度可达10 cm，在地形起伏较大区域也可达几米[16]。

表1 试验SAR影像数据信息

3 数据处理及结果分析

将获得的SAR影像数据按照相同时间基线以前时相获取影像为主影像组成干涉对，对两景影像进行配准形成干涉图，干涉对信息见表2。对生成的干涉图利用Goldstein方法进行滤波并去除平地相位，在此基础上引入外部DEM模拟干涉相位与生成的干涉图进行差分以去除地形相位，选用相同解缠方法和解缠起点进行相位解缠并重去平后得到差分干涉影像DSI。试验所用解缠方法为最小费用流方法，最小相干性阈值为0.2。图3为毛德皇后地沿岸冰架经地理编码后的差分干涉图，由于该干涉图中的形变相位中受冰流相位的影响，因而在接地区域并无明显的密集条纹能用于追踪提取接地线。

区域干涉对时间基线/d垂直基线/m毛德皇后地沿岸冰架20170818—2017083012820170830—20170911128Dotson冰架20180424—2018043068320180430—20180506660

为了去除冰流相位的影响，将所得到的时间基线相同且均以前时相为主影像的两景差分干涉影像DSI-1和DSI-2利用交叉相关方法进行配准，将配准后的差分干涉影像进行相位差分并将结果进行地理编码。在双差干涉图中接地区域存在明显密集干涉条纹，通过手绘追踪密集条纹靠近陆地一侧分界线进行提取接地线。结果如图4所示，图中灰色曲线为DDInSAR提取结果，黑色曲线是利用2000年的Radarsat-1数据提取的MEa-SUREs接地线产品，其产品精度达100 m，为当前精度最高的接地线产品[1]。将提取结果与MEa-SUREs产品进行垂直距离统计分析，垂直统计图如图5所示，其距离平均值为260 m，标准差为220 m，表明利用Sentinel-1数据的DDInSAR方法能够用于南极接地线的提取与更新。同时MEa-SUREs产品在该区域所用数据为2000年的Radersat-1数据，表明在2000—2017年的17年间该区域接地线比较稳定，无明显大区域回退现象，说明在冰流速较小、冰排泄量小的区域，接地线较为稳定，无明显回退变化现象。

针对Dotson冰架冰流速较快，时间基线为12 d的干涉数据会造成严重失相干现象，选用重复周期为6 d的Sentinel-1A/1B数据组成干涉对进行DDInSAR接地线提取试验，结果如图6所示。在图6(a)中，因时间基线6 d的雷达数据能够在一定区域保持足够的相干性，进而形成干涉提取接地线。灰色曲线就是利用2018年的Sentinel-1A/1B数据所提取到的该区域的接地线，黑色曲线为已有的MEa-SUREs接地线产品，是利用1996年的ERS数据提取的，其中图6(a)中的黑色矩形放大图如图6(b)所示。在图6(b)中的A、B、C、D等区域可看到明显的回退现象，其中，A区域平均回退距离约2500 m，最大回退距离为4500 m；C区域接地线平均回退约4000 m，最大回退距离7400 m，且接地线回退形成两个小岛；而在B、D区域，1996年MEa-SUREs接地线中存在的两个小岛在2018年的双差干涉图DDSI中，均无密集干涉条纹产生，说明接地线回退导致这两个小岛的消失。

结果表明，在毛德皇后地沿岸冰架，由于冰层厚度大、受气候影响较小的原因，其年平均冰流速较小，因而其冰流排泄量较小，冰架相对稳定[12]。而在Dotson冰架区域，由于该区域冰床海拔较低且在1996—2018年的22年间，沿岸年平均流速高达数百米/年，其中Kohler、Smith等主要冰流经该区域排出其排泄的冰流量占整个阿蒙森湾冰排泄量的23%[10]，冰流排泄量大，导致冰层变薄、接地线回退现象严重。同时，也表明了利用Sentinel-1A/1B雷达卫星数据和DDInSAR方法能够对冰流速较大、接地线变化不稳定的区域进行接地线的提取及监测，这对南极接地线的提取及实时更新具有非常重要的意义。

4 结 论

本文利用Sentinel-1A/1B雷达卫星数据，基于DDInSAR方法分别在冰流速相对较小、接地线较稳定的毛德皇后地沿岸冰架和冰流速较大、冰流排泄量大的阿蒙森湾西侧的Dotson冰架进行接地线提取试验。在毛德皇后地沿岸冰架，利用2017年的间隔12 d的3景Sentinel-1A提取结果与采用2000年Radersat-1数据获取的MEa-SUREs接地线产品基本一致，表明该区域接地线比较稳定，同时也证明了利用Sentinel-1雷达卫星数据的DDInSAR方法提取南极接地线的可行性。在Dotson冰架，利用2018年间隔6 d的3景Sentinel-1A/1B雷达卫星数据提取结果与采用1996年ERS数据获取的MEa-SUREs接地线产品相比，表明在该区域因冰流排泄量大导致接地线回退现象严重。

由于Sentinel-1雷达卫星当前正在轨运行且免费向全球用户开放，因此，利用Sentinel-1雷达卫星数据采用DDInSAR方法进行接地线提取能够实现南极接地线的更新与持续监测，特别是可以在接地线回退较严重的区域进行接地线回退的准实时监测与接地线产品的及时更新，这对监测因全球气候变化而导致南极冰架的变化具有重要意义[17]。

虽然利用Sentinel-1雷达卫星数据的DDInSAR方法能够对大部分南极区域的接地线进行动态监测，但对某些冰流速特别大的区域6 d的时间基线仍可能会导致严重的失相干而无法提取接地线。因此，后期可采用重复周期更短的COSMO-SkyMed星座数据进行监测或联合其他多源SAR数据对南极接地线进行提取与动态监测。

致谢：感谢欧洲空间局(ESA)提供的实验区Sentinel-1雷达卫星数据，感谢美国国家冰雪数据中心(NSIDC)提供的DEM数据和南极MEa-SUREs接地线产品。