王 翊 宇

(同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

1 概述

南極冰蓋變化和海平面之間存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系，隨著全球氣候變暖加劇，南極冰蓋表面流速成為了南極冰蓋物質(zhì)平衡研究、海平面上升模型的熱點(diǎn)。冰蓋表面運(yùn)動(dòng)速度的提取和監(jiān)測(cè)是極地研究的重要組成部分，一方面冰流速可以直接反映氣候變化情況；另一方面冰流速是進(jìn)行極地物質(zhì)平衡計(jì)算和數(shù)值模擬的重要參數(shù)，對(duì)定量評(píng)估全球氣候變化對(duì)全球海平面的貢獻(xiàn)有重要的應(yīng)用。南極地區(qū)典型冰川、冰架分布見(jiàn)圖1。

2 南極冰川流速監(jiān)測(cè)方法

目前南極冰川流速監(jiān)測(cè)的方法可以分為兩大類(lèi)：實(shí)地觀測(cè)和遙感觀測(cè)。早在20世紀(jì)50年代左右，南極科考人員便通過(guò)實(shí)地測(cè)量，在冰川上埋設(shè)花桿，測(cè)量花桿的移動(dòng)速度來(lái)獲取冰的移動(dòng)速度。隨著遙感和GPS技術(shù)的發(fā)展，一方面：在實(shí)地測(cè)量中引入GPS技術(shù)，目前已經(jīng)在實(shí)地觀測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的地面設(shè)備如電子測(cè)距儀、經(jīng)緯儀測(cè)量的耗時(shí)和難以在南極惡劣的環(huán)境進(jìn)行等劣勢(shì)；另一方面，基于光學(xué)衛(wèi)星影像和微波遙感對(duì)南極進(jìn)行大規(guī)模的觀測(cè)，使得長(zhǎng)時(shí)序、大面積對(duì)南極進(jìn)行觀測(cè)成為可能。早期南極部分地區(qū)的冰流速圖是在80年代末根據(jù)陸地衛(wèi)星光學(xué)影像制作的，90年代后隨著ERS-1/-2和RADARSAT-1 SAR衛(wèi)星的發(fā)射，極大地增加了南極大陸的數(shù)據(jù)覆蓋范圍，使得星載合成孔徑雷達(dá)探測(cè)逐漸成為研究冰川運(yùn)動(dòng)的主要技術(shù)手段，并使第一個(gè)環(huán)南極的冰流速產(chǎn)品得以在21世紀(jì)初發(fā)布。近年來(lái)隨著陸地衛(wèi)星landsat8，sentinel-1/-2衛(wèi)星的應(yīng)用研究，將在未來(lái)冰川流速監(jiān)測(cè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。衛(wèi)星遙感技術(shù)在監(jiān)測(cè)南極冰川、冰架中的典型應(yīng)用如圖2所示。

2.1 實(shí)地測(cè)量

國(guó)內(nèi)外對(duì)南極地區(qū)冰流速的實(shí)地測(cè)量始于二十世紀(jì)五六十年代，當(dāng)時(shí)通過(guò)在冰川表面安裝標(biāo)桿或者安裝參考標(biāo)記，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后利用測(cè)距儀測(cè)量出它們的流動(dòng)距離。例如，Dorrer等在1962年—1963年間以及1965年—1966年兩 個(gè)時(shí)間段采用埋設(shè)花桿的方法，通過(guò)量算花桿位移距離獲取了羅斯冰架表面冰流速數(shù)據(jù)[3]。我國(guó)學(xué)者徐紹銓于1986年在納爾遜北部冰川地區(qū)進(jìn)行了觀測(cè)，在與冰川入海方向的垂直線上布設(shè)了6個(gè)花桿監(jiān)測(cè)點(diǎn)，兩次測(cè)量后發(fā)現(xiàn)該冰川以每年14.6 m的速度流向海洋[4]。后來(lái)隨著測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步，全球定位系統(tǒng)(GPS)應(yīng)用于南極冰川流速的監(jiān)測(cè)。比如Manson等使用GPS技術(shù)測(cè)量了1988年—1995年間Lambert冰川的流速[5]。張小紅等(2005)對(duì)Amery冰架進(jìn)行了連續(xù)5 d的GPS觀測(cè)，獲得了Amery冰架前端觀測(cè)點(diǎn)處的冰流速和流動(dòng)方向。利用傳統(tǒng)測(cè)繪儀器和測(cè)量手段監(jiān)測(cè)冰川運(yùn)動(dòng)，能夠獲取一定時(shí)間內(nèi)局部區(qū)域冰川、冰架精度較高的流速變化信息，但是觀測(cè)效率較低，觀測(cè)結(jié)果也只局限于局部觀測(cè)條件比較適宜的冰川區(qū)域，難以覆蓋整個(gè)南極區(qū)域，因此也難以開(kāi)展冰川運(yùn)動(dòng)速度的時(shí)空分析。盡管隨著GPS的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)獲取效率和精度都得到了極大地提高，但是依然難以實(shí)現(xiàn)全南極的冰川運(yùn)動(dòng)速度監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)實(shí)地測(cè)量的方法在面對(duì)南極惡劣的自然條件，廣闊的區(qū)域面積時(shí)，更顯示出其能力的不足，而遙感技術(shù)的發(fā)展使得高精度全南極冰川運(yùn)動(dòng)速度制圖成為可能。

2.2 遙感監(jiān)測(cè)

隨著航空航天技術(shù)及遙感技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間分辨率、時(shí)間分辨率都有了顯著提高，為高分辨率高精度冰川運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)的提取提供了海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)大范圍、高空間分辨率、連續(xù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)。遙感監(jiān)測(cè)冰蓋流速變化的主流技術(shù)主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)；另一類(lèi)基于SAR影像的微波遙感監(jiān)測(cè)。目前來(lái)看，兩類(lèi)中最為主要的方法是特征跟蹤技術(shù)[6]和干涉合成孔徑雷達(dá)(INSAR)技術(shù)[7]。

2.3 光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)

光學(xué)影像冰流速提取的基本原理：通過(guò)獲取冰川表面同一區(qū)域兩幅不同采集時(shí)間的影像像元間的偏移量除以影像采集的間隔時(shí)間得到冰流速。由于影像的采集時(shí)間間隔是已知量，因此流速提取的關(guān)鍵是計(jì)算前后期采集影像間同名像點(diǎn)間的位移量。

基于光學(xué)影像的冰川運(yùn)動(dòng)速度提取算法主要基于影像匹配理論，通過(guò)對(duì)不同時(shí)相獲取的遙感影像上的典型地物特征進(jìn)行提取和偏移量跟蹤，從而獲取冰川運(yùn)動(dòng)速度。常用的影像匹配算法主要有：歸一化的互相關(guān)(NCC)、最小二乘匹配、基于頻率域的相位相關(guān)算法?；诠鈱W(xué)遙感影像特征追蹤的方法，主要采用的是Landsat系列數(shù)據(jù)。最開(kāi)始是手動(dòng)或機(jī)械在影像上量測(cè)同名特征點(diǎn)的位移，比如Fujii等基于航空影像對(duì)1962年、1969年和1977年間Shirase冰架地區(qū)使用了人工特征解譯和跟蹤的方法測(cè)量了冰流速[8]，但這種方法，測(cè)量精度低，容易受到主觀的影響，特征點(diǎn)數(shù)較少不足以制作冰流速圖。后來(lái)許多學(xué)者研發(fā)了很多針對(duì)光學(xué)影像上冰流速的提取方法和軟件，同時(shí)期圖像特征匹配的方法被引入光學(xué)影像冰流速監(jiān)測(cè)之中，1991年Scambos和Bindschadler將圖像匹配技術(shù)應(yīng)用在冰川特征跟蹤之中，采用歸一化互相關(guān)的方法計(jì)算了冰流速，它們開(kāi)發(fā)的IMCORR軟件工具被廣泛應(yīng)用在冰川領(lǐng)域中，用于提取冰川流速[9]。后來(lái)更多的計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的圖像匹配算法和攝影測(cè)量領(lǐng)域算法被引入到冰川學(xué)領(lǐng)域之中，如頻率域互相關(guān)、相位相關(guān)、最小二乘匹配[10]以及基于區(qū)域的特征匹配[11]等。例如Liu等基于冰川的移動(dòng)特性提出了一種分層匹配的方法，建立影像金字塔并加以三角網(wǎng)控制，提高了匹配點(diǎn)的精度和密度，并提出了剔除誤匹配的幾種方法[12]。

Heid等在當(dāng)前已有的基礎(chǔ)上，總結(jié)了當(dāng)前用于測(cè)量冰流速常見(jiàn)的幾種方法，包括NCC,CCF,PC,CCF-O以及COSI-Corr等六種，介紹了它們的特性和適用情況，提出了局部適應(yīng)窗口的方法[11]。但是由于受到極地特殊環(huán)境條件的制約，光學(xué)遙感影像的獲取及數(shù)據(jù)質(zhì)量受到極大的影響，因此僅僅依靠光學(xué)遙感影像難以實(shí)現(xiàn)對(duì)極地冰川的連續(xù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.4 微波遙感監(jiān)測(cè)

作為主動(dòng)微波遙感傳感器的代表，SAR可以進(jìn)行全天候的觀測(cè)、無(wú)視極晝極夜的限制，保證全年都進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。由于SAR具有微波的性質(zhì)，所以再多的云量都不會(huì)對(duì)SAR影像的質(zhì)量造成影響[13]。INSAR(干涉合成孔徑雷達(dá))影像是通過(guò)不同時(shí)間的重復(fù)軌道合成孔徑雷達(dá)傳感器觀測(cè)獲得的復(fù)數(shù)雷達(dá)影像所包含的相位信息來(lái)提取位移變化量的[14]。Goldstein等在1993年首次將衛(wèi)星雷達(dá)干涉測(cè)量運(yùn)用于冰川流速監(jiān)測(cè)，他們通過(guò)比較相隔幾天的SAR影像對(duì)，得到Rutford冰川的流速，且垂直精度達(dá)到了1.5 mm，水平精度達(dá)到4 mm，為廣大極地學(xué)者提供了一個(gè)量測(cè)冰川流速的新方法。之后，許多的研究學(xué)者相繼提出了許多新的冰川運(yùn)動(dòng)速度提取算法，例如，Joughin等在1998年提出一種方法，根據(jù)兩個(gè)軌道方向(升軌和降軌)以及表面坡度信息來(lái)估算三個(gè)速度分量，并將此方法運(yùn)用到格陵蘭Ryder冰川的流速監(jiān)測(cè)[15]。

按照所采用SAR數(shù)據(jù)的信息不同，基于SAR影像的冰川運(yùn)動(dòng)速度提取算法可以分為：基于相位信息的差分干涉技術(shù)算法和基于SAR強(qiáng)度影像的偏移量跟蹤算法，前者主要基于SAR影像的相位信息，通過(guò)采用差分干涉處理技術(shù)，獲取距離向和方位向的高精度的地表形變位移場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冰川運(yùn)動(dòng)速度的估計(jì)和提取。主要適用于冰川運(yùn)動(dòng)速度較小，積累率較小的區(qū)域，而后者主要采用與光學(xué)影像相同的遙感影像匹配方法，通過(guò)對(duì)SAR強(qiáng)度影像上的典型特征或者“Speckle”進(jìn)行跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)冰川運(yùn)動(dòng)速度的提取，可以獲取快速冰川運(yùn)動(dòng)區(qū)域的二維冰川運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)。光學(xué)和SAR冰流速測(cè)量技術(shù)主要特點(diǎn)可見(jiàn)表1。

2.5 各種監(jiān)測(cè)方法的特點(diǎn)

表1 光學(xué)和SAR冰流速測(cè)量技術(shù)的主要特點(diǎn)

3 三種冰流速產(chǎn)品介紹及現(xiàn)狀分析

3.1 MEASURES南極冰流速數(shù)字產(chǎn)品

該數(shù)據(jù)為高分辨率全南極表面冰流速產(chǎn)品，空間分辨率為450 m，由NASA的MEASURES(Making Earth System Data Records for Use in Research Environments)項(xiàng)目提供。數(shù)據(jù)源主要為衛(wèi)星干涉合成孔徑雷達(dá)以及部分光學(xué)遙感影像，包括RADARAST-1和ERS-1/2，ALOS PALSAR，ENVISAT，RADARST-2，LANDSAT-8，Sentinel-1等，時(shí)間跨度主要為2007年—2009年以及2013年—2016年，部分區(qū)域使用了1996年—2016年期間獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)。該產(chǎn)品有效實(shí)現(xiàn)了多傳感器的協(xié)同作用，構(gòu)建了迄今為止在南極地區(qū)覆蓋范圍最大、最完整的冰流速圖[16]。

3.2 LISA冰流速數(shù)字產(chǎn)品

Landsat8南極冰流速(Landsat8 Ice Speed of Antarctica，LISA)數(shù)據(jù)集是由Landsat8 OLI(Operational Landsat Imager，陸地成像儀)全色影像獲得的南極冰流速數(shù)字產(chǎn)品，屬于Landsat(GoLIVE)項(xiàng)目全球陸地冰流速提取的一部分。該數(shù)據(jù)集部分時(shí)段冰流速數(shù)據(jù)可覆蓋整個(gè)南極，分辨率也依子數(shù)據(jù)集而不同。LISA數(shù)據(jù)集包括了2013—2014，2014—2015，2015—2016，2016—2017以及2013—2017年南極冰流速等子數(shù)據(jù)集，每個(gè)子數(shù)據(jù)集都是由超過(guò)100 000景影像獲取的。由于Landsat8 OLI影像的高空間分辨率15 m和高影像采集率(全球每天725景)，該數(shù)字產(chǎn)品的覆蓋范圍可以與INSAR產(chǎn)品媲美，空間分辨率為750 m[18]。

3.3 基于Landsat8影像的2014年與2015年南極冰流速數(shù)據(jù)產(chǎn)品

該冰流速產(chǎn)品由加州理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的COSI-Corr(Co-registration of Optically Sensed Images and Correlation)軟件實(shí)現(xiàn)，利用光學(xué)偏移測(cè)量在不同時(shí)間獲取的光學(xué)遙感影像之間的逐像素位移，從而在影像對(duì)之間生成高質(zhì)量的冰位移場(chǎng)[18]。

3.4 目前南極冰流速監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀分析

部分區(qū)域覆蓋數(shù)據(jù)不足，對(duì)于光學(xué)和微波遙感均產(chǎn)生了影響，需要不斷擴(kuò)充數(shù)據(jù)來(lái)源。

冰流速產(chǎn)品的時(shí)間尺度受限?，F(xiàn)有的南極冰流速的研究成果在傳感器數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)空間覆蓋范圍、時(shí)間跨度上存在很大的局限性，大范圍的南極冰流速研究成果大多集中在19世紀(jì)80年代之后的冰流速測(cè)算與分析，80年代前的大范圍南極冰流速數(shù)據(jù)產(chǎn)品極其缺乏，限制了對(duì)南極冰流速在長(zhǎng)時(shí)間序列下變化規(guī)律的研究，未來(lái)如何獲取更長(zhǎng)時(shí)間序列的冰流速變化數(shù)據(jù)將是冰川流速研究的重點(diǎn)方向之一。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)南極地區(qū)冰蓋流速的提取和應(yīng)用，由于遙感數(shù)據(jù)的來(lái)源、覆蓋范圍和時(shí)間尺度的不同，需要采用合適的監(jiān)測(cè)技術(shù)。研究者加深對(duì)遙感監(jiān)測(cè)冰流速技術(shù)的發(fā)展歷程、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀的了解，有利于開(kāi)展進(jìn)一步的南極冰流速的監(jiān)測(cè)和應(yīng)用研究。