基于Sentient-1A的波罗的海沿岸固定冰形变研究

王子豪 王金宁 张梦悦

(山东科技大学 测绘与空间信息学院, 山东 青岛 266590)

0 引言

固定冰是沿着海岸并与海岸牢固地冻结在一起的海冰,其附着在海岸、冰壁以及浅滩或搁浅于冰山之间的冰前沿上。在中、高纬度地区(如中国辽东湾,波罗的海),固定冰对海上航运,石油平台作业和渔业等有着重要影响,由固定冰形变造成的挤压会进一步影响沿岸生态和人类正常的生产活动[1]。因此,固定冰的形变监测和分析对应对海冰灾害至关重要。

由于地形的特殊性和复杂性,固定冰的实地测量困难较大。因此,利用遥感技术从空间中大面积地获取海冰信息成为一种有效的观测手段[2]。但是由于受到云雾等天气的影响,光学遥感不能够实时有效地获得测量数据,雷达高度计的空间分辨率差、观测范围窄,在海冰探测方面存在诸多限制。合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)具有全天候、全天时工作的优势,同时又能够获取大面积的高分辨影像数据,在海冰探测中得到越来越多的应用。2011年,MEYER等利用L波段SAR数据构建长时间基线,识别了在46天内保持静止的固定冰并绘制了其范围[3]。2017年,董玉森等利用CryoSat-2干涉数据获取了南极Lambert冰川流域局部地区的数字高程模型[4]。2018年,王志勇等利用TerraSAR-X和TanDEM-X数据构建交轨干涉对,成功反演了渤海浮冰的冰舷高[5]。由于受卫星重访周期的限制,目前固定冰的研究工作，多集中于冰况相对稳定的南北极多年冰地区,而对于中高纬度地区,海冰在短时间内产生形变的原因及形变量的大小缺乏进一步的研究和分析。

差分合成孔径雷达干涉测量(different-interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)技术是InSAR技术的一个拓展,常用于监测厘米级或更微小的地表形变和分析冰川流速[6-7],其原理同样适用于研究固定冰的形变[8]。但目前对固定冰的连续形变分析和影响形变的因素的相关成果还比较少,这主要是由于固定冰很难在长时间范围内保持高相干性。本文利用高分辨率Sentiel-1A数据构建短基线重轨干涉对,通过相位信息探测固定冰的形变特征,并结合气象观测数据,分析连续形变趋势和影响形变的因素。不同于常规的长时间基线构造方式,本文采取缩短时间基线的做法,解决了长时间基线在固定冰观测上时间分辨率低的问题,同时将单一长时间基线差分为多个连续的短时间基线,克服了连续形变观测量不足的弊端。

1 差分干涉测量的基本原理

1.1 重轨干涉对的构成

根据成像时间分类,InSAR可以分为单次轨道和重复轨道两种模式。单次轨道干涉是指在同一机载或星载平台上装载两幅天线,其中一幅天线发射信号,两幅天线都接受地面回波信号,并利用获取的数据进行干涉处理。重复轨道干涉是指同一传感器或相似传感器按照平行轨道两次对地成像,分别发、收信号,利用得到的数据进行干涉处理[9]。单次轨道干涉由于成像时间更为接近,保证了地物的相干性,可用于观测短期内容易发生位移和形变的地物,如浮冰等;重复轨道干涉由来自同一轨道的不同观测时间的一对主影像和从影像构成,可用于长时间内不会发生较大变化的地物,如固定冰。

沿岸固定冰是海冰类型中最为稳定的海冰,其形变和位移相对其他类型的海冰变化更小,在部分高纬度地区,固定冰的存在时间贯穿整个冰期。因此,对沿岸固定冰进行形变监测应构建重复轨道干涉对,干涉对的时间基线由卫星的重访周期决定,以Sentient-1A数据为例,可构建12、24、36天等长度的干涉对。但是干涉相干性通常会随着时间基线的增加而逐渐减小,当海冰变化剧烈时,甚至会出现严重的失相干现象。

1.2 固定冰形变探测原理

差分干涉测量充分利用了两幅复影像之间的相位信息,两幅SAR影像的相位差Δφ存在的关系[10]为

式中,λ为卫星波长;φ1、φ2分别为主影像和从影像的相位;R为卫星传感器到目标之间的距离;ΔR为电磁波传播的路径差。在差分干涉测量中,干涉相位主要由五部分组成,可以用公式表示[11]为

(4)

式中,φtopography为地形因素贡献的相位,φdisplacement是由地表形变引起的相位,φatmosphere是由大气效应产生的相位,φflat是由参考平面引起的相位,φnoise是由噪声引起的相位。差分干涉测量通过去除φtopography,φatmosphere,φflat,φnoise,只保留与地表形变引起的相位φatmosphere。

要获取地表的形变信息,必须要消除观测区域的地形信息。目前主要有三种方法可以消除地形因素的影响,分别为“双轨法”“三轨法”和“四轨法”。本文主要介绍双轨法,双轨法由MASSONNET等[12]提出,基于观测区域地表变化前后的两幅SAR影像和一幅用于模拟地形相位的参考数字高程模型(digital elevation model,DEM),首先利用两幅SAR影像生成干涉条纹图φd,然后根据模拟出的地形相位的条纹图φsim,t,从干涉条纹图中去除地形信息就可以得到由地表形变产生的信息ΔRdef,用公式可以表示为

(5)

双轨法对SAR影像的需求数目少,满足数据处理的DEM也相对容易获取,是一种常见的方法,但其结果的精度依赖于所选取的DEM的精度。

1.3 技术路线

本文的技术路线如图1所示,首先对Sentiel-1A数据构建重复轨道干涉对,对主、从影像进行高精度配准,然后进行干涉处理,可以分别生成干涉图和相干图,对干涉图进行去平处理后,根据外部DEM模拟生成地形相位,并与干涉图做差分处理生成差分干涉图。对于差分干涉图,通过相位解缠、相位转换、地理编码等处理,最终可以生成形变图。

图1 技术路线

2 研究区域及数据

2.1 研究区域概况

如图2所示,本文的研究区域位于波罗的海东北部的波提尼亚湾(24.5°～25.5° E,65.2°～65.9° N),波罗的海是欧洲北部的一个半封闭海域,每年11月份固定冰沿着海岸线率先生长于波提尼亚湾,波罗的海的冰期一般持续5～7个月,大约从上一年的11月至第二年的5月,波罗的海的固定冰通常会持续整个冰期[13]。由于纬度高,冰期长,冰形稳定的特点,该区域特别适合于沿岸固定冰的相关研究。

2.2 数据介绍

本文选取了2018年1—3月获取的五景Sentiel-1A影像作为实验数据,此时期固定冰面积较大,范围也相对稳定,同时为了保障观测时间段内固定冰范围的不变性,以12天的基线长度构建干涉对。图2为该时期Sentiel-1A数据的遥感幅度影像,表1为构建的Sentiel-1A干涉对数据参数。同时收集了位于研究区域内的Kemi观测站的气温、风力和风向数据,作为相干性和固定冰形变分析的辅助数据。使用美国国家海洋与大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)发布的全球海岸线数据作为提取固定冰分布的辅助数据。

图2 研究区域遥感影像

表1 Sentiel-1A干涉对数据参数

3 实验结果与分析

3.1 干涉数据处理

对干涉对数据进行差分干涉测量处理,首先对主、从影像进行亚像元级别的高精度配准,之后通过复共轭相乘得到干涉图,同时计算主、从影像的相干系数并生成相干图,如图3所示。在相干图中通常可以观察到固定冰和陆地区域相干性较高,而海水区域相干性较差。去平地效应后,还需要根据由参考DEM生成的模拟地形相位去除地形相位;再进行相位滤波,以提高干涉条纹的可见性和后续解缠的精度。本文相位滤波采用Goldstein滤波方法[14],滤波后的干涉条纹图如图4所示。再以光学影像作为辅助的范围修正数据,利用图像分割的方法提取高相干的固定冰分布范围,其中固定冰与陆地的边界可以利用海岸线数据生成。在提取固定冰的分布后,采用最小费流法对差分干涉相位进行相位解缠,依次通过相位转换和地理编码,得到固定冰形变图。

(a)干涉对1

(c)干涉对3

(a)干涉对2

(c)干涉对4

3.2 相干性分析

相干系数反映地物在主、从影像获取期间的稳定性和相关性。相干图是评价干涉图质量的一种质量图,其明暗反映了相干系数的高低,从相干图上看,干涉对1所处时间段内影像的整体相干性最低,仅在陆地部分具有一定的相干性,而无法反映固定冰区域的信息,因此无法形成干涉图,不具备进一步提取和分析固定冰形变的能力。气象观测数据显示该时间段内1月25日有降雨现象,且最高气温升至2 ℃,此后气温迅速降至-7 ℃。因此,造成相干性降低的原因主要有两部分,一是降雨导致冰层表面的雪层变成冰粒,影响雷达信号的传播;二是气温先升至0 ℃以上然后骤降至0 ℃以下会造成冰的融-冻循环,使固定冰产生变化。干涉对2、3和4可以在固定冰区域观察到明显的高相干特征,而且包括陆地在内的整体相干性也高于干涉对1,在观测期间无降雨和0 ℃以上高温现象,最低气温达到-27 ℃,有助于维持固定冰的稳定性,进一步印证了降雨和气温是影响相干性的主要因素。

图5 KEMI观测站气温曲线

3.3 形变分析

干涉对2、3和4进行差分干涉测量得到的固定冰的形变量如图6所示。差分干涉测量得到的形变是视线方向的形变,即合成孔径雷达天线至地面点之间的方向,由于Sentiel-1A采用右侧视成像,故降轨显示的是从东侧观察到的结果。地表发生的形变是三维变化,它包括水平方向和垂直方向,其中水平方向又包含东西方向和南北方向两个分量,但干涉图显示的是一维的形变,并不能确定形变是由于水平方向、垂直方向或两者的结合造成的。形变图显示,三个时期视线方向的形变分别为-0.13 m至0.17 m,-0.07 m至0.31 m,-0.05 m至0.19 m。其中,负值表明固定冰处于远离卫星的方向,即固定冰在下沉或向西移动,正值表明固定冰处于靠近卫星的方向,即固定冰在上升或向东移动。

(a)干涉对2

(c)干涉对4

如图6(a)所示，从干涉对1的形变图中可以看出,固定冰北部正处于靠近雷达天线的方向,而南部处于远离雷达天线的方向,在两部分之间的汇集区域,预计将由黏性或塑性形变产生0.30 m的位移。结合风速风向数据,该时间内有风速达27 km/h的强风天气,风向为东南风。强东南风将驱动紧邻南部固定冰边缘的浮冰,使其挤压固定冰产生西北方向即远离天线方向的位移,干涉条纹图[图4(a)]中同样显示了由于浮冰挤压而造成的干涉条纹在西北方向上出现间断的情况,这说明了强风是影响固定冰形变的重要原因。

图7 风力变化曲线

图8 风向变化散点图

结合整个观测时间段内的风力风向数据,干涉对3所处时间段内出现最大风速达31 km/h的强南风天气。因此,南部固定冰将进一步向北位移,远离天线方向的固定冰面积将进一步扩大,形变图与气象数据的分析显示了一致的结果。干涉对4所处时间段内无强风天气,主要以平均风速为10 km/h的东风为主导,因此固定冰将趋于向西位移,形变方向与风向同样显示了一致的结果。此外,风速的大小和最大形变量差值呈现正相关关系,干涉对2、3、4所处时间段内最大风速分别为27、31、14 km/h,最大形变量差值分别为0.30、0.38和0.24 m。以上分析进一步表明,强风驱动的浮冰撞击和挤压是导致固定冰形变的重要原因。

4 结束语

本文基于12 d时间基线的Sentiel-1A数据构建重复轨道干涉对,利用差分干涉测量技术对波罗的海东北部沿岸固定冰进行了探测,在提取高相干的固定冰范围的基础上,通过相位信息得到了固定冰的形变图,并分析了固定冰形变产生的原因。通过实验发现,在探测期间,固定冰在视线方向的最大形变量为0.31 m,最大形变量差值为0.38 m,且形变量差值的大小与风力大小呈正相关关系。相干性分析的结果表明：造成相干性降低的主要原因是降雨导致的冰层表面的雪层变成冰粒以及气温达到0 ℃以上造成冰的融—冻循环。形变分析的结果表明,强风驱动的浮冰撞击是造成固定冰形变的重要原因。

此外本文还有一些不足之处：由于没有将视线方向的形变量转换到三维形变上,本文仅对固定冰的总体形变趋势进行了分析,缺乏固定冰在水平方向和垂直方向上的具体形变表现和分析;受InSAR技术本身的限制,去相干因素将影响固定冰的提取和形变分析,当失相干现象发生时无法对固定冰的形变给出准确结果;缩短时间基线的长度可以在一定程度上提高相干性,但是会导致将一部分暂时还未发生形变的浮冰归类为固定冰的错误。后续研究中,将尝试对固定冰的三维形变开展研究工作,同时可以考虑利用光学影像联合Tandem-X和TerraSAR-X数据,弥补相干性低的限制。