遥感技术监测南极冰流速方法综述

2020-11-30王翊宇

山西建筑 2020年23期

王翊宇

(同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092)

1 概述

南极冰盖变化和海平面之间存在着复杂的相互作用关系，随着全球气候变暖加剧，南极冰盖表面流速成为了南极冰盖物质平衡研究、海平面上升模型的热点。冰盖表面运动速度的提取和监测是极地研究的重要组成部分，一方面冰流速可以直接反映气候变化情况；另一方面冰流速是进行极地物质平衡计算和数值模拟的重要参数，对定量评估全球气候变化对全球海平面的贡献有重要的应用。南极地区典型冰川、冰架分布见图1。

2 南极冰川流速监测方法

目前南极冰川流速监测的方法可以分为两大类：实地观测和遥感观测。早在20世纪50年代左右，南极科考人员便通过实地测量，在冰川上埋设花杆，测量花杆的移动速度来获取冰的移动速度。随着遥感和GPS技术的发展，一方面：在实地测量中引入GPS技术，目前已经在实地观测中得到了广泛应用，能代替传统的地面设备如电子测距仪、经纬仪测量的耗时和难以在南极恶劣的环境进行等劣势；另一方面，基于光学卫星影像和微波遥感对南极进行大规模的观测，使得长时序、大面积对南极进行观测成为可能。早期南极部分地区的冰流速图是在80年代末根据陆地卫星光学影像制作的，90年代后随着ERS-1/-2和RADARSAT-1 SAR卫星的发射，极大地增加了南极大陆的数据覆盖范围，使得星载合成孔径雷达探测逐渐成为研究冰川运动的主要技术手段，并使第一个环南极的冰流速产品得以在21世纪初发布。近年来随着陆地卫星landsat8，sentinel-1/-2卫星的应用研究，将在未来冰川流速监测中发挥关键作用。卫星遥感技术在监测南极冰川、冰架中的典型应用如图2所示。

2.1 实地测量

国内外对南极地区冰流速的实地测量始于二十世纪五六十年代，当时通过在冰川表面安装标杆或者安装参考标记，经过一段时间后利用测距仪测量出它们的流动距离。例如，Dorrer等在1962年—1963年间以及1965年—1966年两个时间段采用埋设花杆的方法，通过量算花杆位移距离获取了罗斯冰架表面冰流速数据[3]。我国学者徐绍铨于1986年在纳尔逊北部冰川地区进行了观测，在与冰川入海方向的垂直线上布设了6个花杆监测点，两次测量后发现该冰川以每年14.6 m的速度流向海洋[4]。后来随着测绘技术的进步，全球定位系统(GPS)应用于南极冰川流速的监测。比如Manson等使用GPS技术测量了1988年—1995年间Lambert冰川的流速[5]。张小红等(2005)对Amery冰架进行了连续5 d的GPS观测，获得了Amery冰架前端观测点处的冰流速和流动方向。利用传统测绘仪器和测量手段监测冰川运动，能够获取一定时间内局部区域冰川、冰架精度较高的流速变化信息，但是观测效率较低，观测结果也只局限于局部观测条件比较适宜的冰川区域，难以覆盖整个南极区域，因此也难以开展冰川运动速度的时空分析。尽管随着GPS的出现，数据获取效率和精度都得到了极大地提高，但是依然难以实现全南极的冰川运动速度监测。传统实地测量的方法在面对南极恶劣的自然条件，广阔的区域面积时，更显示出其能力的不足，而遥感技术的发展使得高精度全南极冰川运动速度制图成为可能。

2.2 遥感监测

随着航空航天技术及遥感技术的快速发展，卫星观测数据的空间分辨率、时间分辨率都有了显著提高，为高分辨率高精度冰川运动速度场的提取提供了海量的观测数据，可以实现大范围、高空间分辨率、连续动态观测。遥感监测冰盖流速变化的主流技术主要分为两类：一类是光学遥感监测；另一类基于SAR影像的微波遥感监测。目前来看，两类中最为主要的方法是特征跟踪技术[6]和干涉合成孔径雷达(INSAR)技术[7]。

2.3 光学遥感监测

光学影像冰流速提取的基本原理：通过获取冰川表面同一区域两幅不同采集时间的影像像元间的偏移量除以影像采集的间隔时间得到冰流速。由于影像的采集时间间隔是已知量，因此流速提取的关键是计算前后期采集影像间同名像点间的位移量。

基于光学影像的冰川运动速度提取算法主要基于影像匹配理论，通过对不同时相获取的遥感影像上的典型地物特征进行提取和偏移量跟踪，从而获取冰川运动速度。常用的影像匹配算法主要有：归一化的互相关(NCC)、最小二乘匹配、基于频率域的相位相关算法。基于光学遥感影像特征追踪的方法，主要采用的是Landsat系列数据。最开始是手动或机械在影像上量测同名特征点的位移，比如Fujii等基于航空影像对1962年、1969年和1977年间Shirase冰架地区使用了人工特征解译和跟踪的方法测量了冰流速[8]，但这种方法，测量精度低，容易受到主观的影响，特征点数较少不足以制作冰流速图。后来许多学者研发了很多针对光学影像上冰流速的提取方法和软件，同时期图像特征匹配的方法被引入光学影像冰流速监测之中，1991年Scambos和Bindschadler将图像匹配技术应用在冰川特征跟踪之中，采用归一化互相关的方法计算了冰流速，它们开发的IMCORR软件工具被广泛应用在冰川领域中，用于提取冰川流速[9]。后来更多的计算机视觉领域的图像匹配算法和摄影测量领域算法被引入到冰川学领域之中，如频率域互相关、相位相关、最小二乘匹配[10]以及基于区域的特征匹配[11]等。例如Liu等基于冰川的移动特性提出了一种分层匹配的方法，建立影像金字塔并加以三角网控制，提高了匹配点的精度和密度，并提出了剔除误匹配的几种方法[12]。

Heid等在当前已有的基础上，总结了当前用于测量冰流速常见的几种方法，包括NCC,CCF,PC,CCF-O以及COSI-Corr等六种，介绍了它们的特性和适用情况，提出了局部适应窗口的方法[11]。但是由于受到极地特殊环境条件的制约，光学遥感影像的获取及数据质量受到极大的影响，因此仅仅依靠光学遥感影像难以实现对极地冰川的连续、动态监测。

2.4 微波遥感监测

作为主动微波遥感传感器的代表，SAR可以进行全天候的观测、无视极昼极夜的限制，保证全年都进行数据的采集。由于SAR具有微波的性质，所以再多的云量都不会对SAR影像的质量造成影响[13]。INSAR(干涉合成孔径雷达)影像是通过不同时间的重复轨道合成孔径雷达传感器观测获得的复数雷达影像所包含的相位信息来提取位移变化量的[14]。Goldstein等在1993年首次将卫星雷达干涉测量运用于冰川流速监测，他们通过比较相隔几天的SAR影像对，得到Rutford冰川的流速，且垂直精度达到了1.5 mm，水平精度达到4 mm，为广大极地学者提供了一个量测冰川流速的新方法。之后，许多的研究学者相继提出了许多新的冰川运动速度提取算法，例如，Joughin等在1998年提出一种方法，根据两个轨道方向(升轨和降轨)以及表面坡度信息来估算三个速度分量，并将此方法运用到格陵兰Ryder冰川的流速监测[15]。

按照所采用SAR数据的信息不同，基于SAR影像的冰川运动速度提取算法可以分为：基于相位信息的差分干涉技术算法和基于SAR强度影像的偏移量跟踪算法，前者主要基于SAR影像的相位信息，通过采用差分干涉处理技术，获取距离向和方位向的高精度的地表形变位移场，从而实现对冰川运动速度的估计和提取。主要适用于冰川运动速度较小，积累率较小的区域，而后者主要采用与光学影像相同的遥感影像匹配方法，通过对SAR强度影像上的典型特征或者“Speckle”进行跟踪，从而实现冰川运动速度的提取，可以获取快速冰川运动区域的二维冰川运动速度场。光学和SAR冰流速测量技术主要特点可见表1。

2.5 各种监测方法的特点

表1 光学和SAR冰流速测量技术的主要特点

3 三种冰流速产品介绍及现状分析

3.1 MEASURES南极冰流速数字产品

该数据为高分辨率全南极表面冰流速产品，空间分辨率为450 m，由NASA的MEASURES(Making Earth System Data Records for Use in Research Environments)项目提供。数据源主要为卫星干涉合成孔径雷达以及部分光学遥感影像，包括RADARAST-1和ERS-1/2，ALOS PALSAR，ENVISAT，RADARST-2，LANDSAT-8，Sentinel-1等，时间跨度主要为2007年—2009年以及2013年—2016年，部分区域使用了1996年—2016年期间获得的数据进行填补。该产品有效实现了多传感器的协同作用，构建了迄今为止在南极地区覆盖范围最大、最完整的冰流速图[16]。

3.2 LISA冰流速数字产品

Landsat8南极冰流速(Landsat8 Ice Speed of Antarctica，LISA)数据集是由Landsat8 OLI(Operational Landsat Imager，陆地成像仪)全色影像获得的南极冰流速数字产品，属于Landsat(GoLIVE)项目全球陆地冰流速提取的一部分。该数据集部分时段冰流速数据可覆盖整个南极，分辨率也依子数据集而不同。LISA数据集包括了2013—2014，2014—2015，2015—2016，2016—2017以及2013—2017年南极冰流速等子数据集，每个子数据集都是由超过100 000景影像获取的。由于Landsat8 OLI影像的高空间分辨率15 m和高影像采集率(全球每天725景)，该数字产品的覆盖范围可以与INSAR产品媲美，空间分辨率为750 m[18]。

3.3 基于Landsat8影像的2014年与2015年南极冰流速数据产品

该冰流速产品由加州理工学院开发的COSI-Corr(Co-registration of Optically Sensed Images and Correlation)软件实现，利用光学偏移测量在不同时间获取的光学遥感影像之间的逐像素位移，从而在影像对之间生成高质量的冰位移场[18]。

3.4 目前南极冰流速监测现状分析

部分区域覆盖数据不足，对于光学和微波遥感均产生了影响，需要不断扩充数据来源。

冰流速产品的时间尺度受限。现有的南极冰流速的研究成果在传感器数据来源、数据空间覆盖范围、时间跨度上存在很大的局限性，大范围的南极冰流速研究成果大多集中在19世纪80年代之后的冰流速测算与分析，80年代前的大范围南极冰流速数据产品极其缺乏，限制了对南极冰流速在长时间序列下变化规律的研究，未来如何获取更长时间序列的冰流速变化数据将是冰川流速研究的重点方向之一。