SAR 偏移量跟蹤技術(shù)估計(jì)天山南依內(nèi)里切克冰川運(yùn)動(dòng)

李 佳，李志偉＊，汪長(zhǎng)城，朱建軍，丁曉利，2

1 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083

2 香港理工大學(xué)土地測(cè)量與地理資訊學(xué)系，香港，九龍

1 引 言

冰川變化是氣候變化最重要的信號(hào)之一，是研究全球氣候變化的重要標(biāo)本．在氣候變暖的緩慢進(jìn)程中，冰川可以在短期內(nèi)顯示直觀的變化數(shù)據(jù)．同時(shí)冰川作為寶貴的淡水資源，蘊(yùn)含了巨大的經(jīng)濟(jì)效益．目前冰川動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)已是全球變化研究中的重要內(nèi)容之一，包括在許多與之相關(guān)的國(guó)際計(jì)劃中［1］．冰川的主要特點(diǎn)就是具有流動(dòng)性，其流動(dòng)速度與冰川物質(zhì)分布有密切關(guān)系［2］．因此，監(jiān)測(cè)冰川運(yùn)動(dòng)可以為研究冰川物質(zhì)平衡提供重要信息．

合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（Synthetic Aperture Radar，SAR）作為一種先進(jìn)的空間信息獲取手段，可以全天候地、不受云層干擾地、高時(shí)空分辨率地對(duì)地表進(jìn)行監(jiān)測(cè)［3－9］．自1993年Goldstein等人首次利用差分干涉測(cè)量（Differential Interferometric SAR，DInSAR）提取南極格羅夫入海冰川間隔6 天的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)以來(lái)，已有許多應(yīng)用SAR 研究冰川的例子，SAR也已成為全球冰川研究最重要的手段之一．然而縱觀目前的研究，大多集中在南極［10－14］和格陵蘭［15－21］兩大冰蓋，以及挪威斯瓦爾巴特群島入海冰川［22－23］等，只有少數(shù)研究是關(guān)于內(nèi)陸山岳冰川的［24－27］．中亞地區(qū)高海拔和嚴(yán)酷寒冷的環(huán)境孕育了大量的山岳冰川，據(jù)統(tǒng)計(jì)共有114800km2，其中有52%分布在中國(guó)境內(nèi)［28］．但是大部分中國(guó)冰川數(shù)據(jù)都是20 世紀(jì)60—80年代獲取的，僅有幾條冰川被連續(xù)監(jiān)測(cè)，分別是天山烏魯木齊河源1號(hào)冰川、祁連山中段的七一冰川、貢嘎山東坡的海螺溝冰川、唐古拉山的小冬克瑪?shù)妆ê蜄|昆侖山的煤礦冰川等．因此，在目前地面觀測(cè)困難的情況下，借助SAR 在我國(guó)開(kāi)展系統(tǒng)的冰川監(jiān)測(cè)很有必要．

但是SAR 側(cè)視成像技術(shù)使得D－InSAR 只能獲取雷達(dá)視線方向上的形變，而不能獲取垂直于視線方向的形變［6］．另外，D－InSAR 主要是通過(guò)差分干涉相位來(lái)計(jì)算形變，容易受去相干噪聲影響．由于冰川運(yùn)動(dòng)速度較快，以及冰面散射特性容易發(fā)生變化，間隔較長(zhǎng)（如30天以上）的兩幅SAR 影像往往去相干嚴(yán)重，以至于無(wú)法獲取有效的干涉相位信息．偏移量跟蹤技術(shù)（Offset－Tracking）可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)．該技術(shù)通過(guò)對(duì)兩幅SAR 強(qiáng)度影像進(jìn)行精密配準(zhǔn)，獲取配準(zhǔn)點(diǎn)之間偏移量來(lái)計(jì)算形變．本文利用7 景ALOS/PALSAR 影像提取了亞洲最大山岳冰川——南伊內(nèi)里切克冰川連續(xù)6 個(gè)時(shí)段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，并詳細(xì)討論了其流動(dòng)速度在空間和時(shí)間上的分布特點(diǎn)．

2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

天山是有共同山勢(shì)走向和大氣環(huán)境背景的亞洲中部最雄偉山系，共有現(xiàn)代冰川15953 條，總面積15416km2，總儲(chǔ)量約1048km3［29］．其中托木爾峰地區(qū)的冰川面積占天山山脈冰川總面積的1/4，是中國(guó)最大的現(xiàn)代冰川作用區(qū)之一．它們以托木爾峰（海拔7435．3m）為中心呈放射狀隨斜坡向下流動(dòng)，其中最大冰川是西側(cè)的南伊內(nèi)里切克冰川，上游在中國(guó)境內(nèi)，下游向西北流入吉爾吉斯坦境內(nèi)．根據(jù)中國(guó)冰川目錄記載，該冰川長(zhǎng)63．5km，冰面寬2．8km，面積392．84km2，冰雪體積149．3km3，平均厚度380m，雪線高度4450m，冰舌末端下降到2900m．其下游約海拔3900 m 處開(kāi)始被表磧物覆蓋，厚度可達(dá)2m．南伊內(nèi)里切克地區(qū)氣溫1月份最低，2月份氣溫在太陽(yáng)高度角增大和穩(wěn)固的蒙古高壓雙重影響下變化劇烈，溫差最大．3 月和4月份氣溫開(kāi)始穩(wěn)定回升，冰川開(kāi)始消融；5 月份氣溫大幅升高，白天0 ℃以上時(shí)間變長(zhǎng)，冰川進(jìn)入主消融期，7月份氣溫最高．此后開(kāi)始降低，9月末至10月初氣溫大幅回落，標(biāo)志著冰川消融期的結(jié)束［30］．圖1是南伊內(nèi)里切克冰川主體部分的三維地形圖，采用的是90m 分辨率SRTM．可以看出冰川河床深而且長(zhǎng)，是巨大冰川運(yùn)動(dòng)塑造出來(lái)的典型地貌．冰舌區(qū)域坡度較緩，為我們實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)監(jiān)測(cè)提供了有利條件．

本文選取了2007—2008 年的7 景（見(jiàn)表1 中主、從影像）覆蓋南伊內(nèi)里切克冰川的ALOS/PALSAR 影像來(lái)提取運(yùn)動(dòng)場(chǎng)．ALOS衛(wèi)星由日本空間局于2006年1月24日發(fā)射，軌道為太陽(yáng)同步，重復(fù)觀測(cè)周期為46天，主要用于測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境和資源調(diào)查等．該衛(wèi)星搭載的主動(dòng)式微波傳感器PALSAR（Phased Array L－band SAR），性 能 比JERS－1衛(wèi)星搭載的SAR 傳感器更優(yōu)越，具有高分辨率、全極化、掃描三種觀測(cè)模式．其中高分辨觀測(cè)模式獲取的影像幅寬70km，方位向采樣間隔3．1m；單極化（Fine Beam Single Polarization，F(xiàn)BS）模式下斜距向采樣間隔4．7 m；雙極化（Fine Beam Double Polarization，F(xiàn)BD）模式下斜距向采樣間隔9．4m．

表1 影像組合Table 1 Details of image pairs

3 基于偏移量跟蹤技術(shù)計(jì)算冰川位移場(chǎng)

偏移量跟蹤技術(shù)利用強(qiáng)度相關(guān)對(duì)兩幅SAR 影像逐像素配準(zhǔn)，并從配準(zhǔn)偏移量估計(jì)地表位移．配準(zhǔn)偏移量是由軌道位置差異、冰川運(yùn)動(dòng)、地形起伏、電離層影響等因素引起的．地形起伏引起的偏移量在基線較短和地形平坦的影像對(duì)中很?。?3］．本文所選影像對(duì)基線長(zhǎng)都在650m 以內(nèi)，加上冰川河床坡度較緩，所以地形引起的偏移量相對(duì)冰川移動(dòng)位移量很小，本文暫且不考慮．電離層異常引起偏移量在極地地區(qū)比較常見(jiàn)，一般可以通過(guò)高通濾波去除［31］．本文研究區(qū)域?yàn)橹芯暥鹊貐^(qū)，不考慮電離層的影響．這樣配準(zhǔn)偏移量Roffset可以認(rèn)為是軌道引起的偏移量Rorbit和冰川運(yùn)動(dòng)位移量Rmotion之和［7］：

影像中除了冰川主體和冰雪覆蓋區(qū)域，大部分是穩(wěn)定的，其位移量可以假設(shè)為零，這些區(qū)域的配準(zhǔn)偏移量近似等于軌道引起的偏移量，即Roffset≈Rorbit．基于這些配準(zhǔn)偏移量，采用最小二乘方法就可以擬合出軌道引起的偏移量模型［22］．

其中，a0，a1，a2和a3為待定系數(shù)；x，y分別表示SAR 坐標(biāo)系下距離向和方位向坐標(biāo)值．選取擬合偏差小的點(diǎn)進(jìn)行多次迭代以提高模型的可靠性．最后計(jì)算模型的擬合標(biāo)準(zhǔn)偏差，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差可以視為直觀的配準(zhǔn)精度．一般情況下匹配的精度能達(dá)到1/32個(gè)像素［32］，由于冰雪區(qū)域表面容易發(fā)生去相干，本文的匹配結(jié)果都在0．1個(gè)像素左右．為了提高估計(jì)的準(zhǔn)確度，應(yīng)該對(duì)匹配窗口內(nèi)像素進(jìn)行過(guò)采樣．估計(jì)的置信度可通過(guò)信噪比（SNR）的大小來(lái)衡量，即最大相關(guān)值與平均相關(guān)值的比值［22］．匹配時(shí)需設(shè)置一個(gè)信噪比閾值，信噪比低于閾值的匹配結(jié)果被認(rèn)為是不可信的．本文在南伊內(nèi)里切克冰川的冰舌區(qū)選取大量偏移量連續(xù)的點(diǎn)，將這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信噪比作為信噪比的閾值．配準(zhǔn)成功的前提是兩個(gè)匹配窗口中存在相似的目標(biāo)物．如果相似度高，小匹配窗口也能達(dá)到很高的精度．根據(jù)PALSAR 影像距離向與方位向采樣間隔的比例關(guān)系以及常用匹配窗口大小，設(shè)匹配窗口大小為64×192像素（距離向×方位向），對(duì)應(yīng)地面約480 m×600 m 大小的區(qū)域．以這個(gè)窗口大小為基準(zhǔn)進(jìn)行了窗口縮放的對(duì)比實(shí)驗(yàn)．發(fā)現(xiàn)對(duì)于給定的信噪比閾值，窗口越小，耗時(shí)越少，但偏移量越不連續(xù)，奇異值越多；匹配窗口越大，奇異值越少，但偏移量細(xì)節(jié)減少，耗時(shí)越多．為了保證形變圖的分辨率足夠高，匹配時(shí)距離向每隔4個(gè)像素、方位向每隔6個(gè)像素進(jìn)行一次計(jì)算．采用上述參數(shù)計(jì)算一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單極化PALSAR 影像對(duì)的偏移量大概需要8個(gè)小時(shí)．

將計(jì)算的配準(zhǔn)偏移量減去公式（2）擬合的軌道偏移量即為冰川位移量，包括斜距離向和方位向兩個(gè)分量．此結(jié)果圖位于雷達(dá)坐標(biāo)系下，通過(guò)軌道參數(shù)和成像幾何條件將其轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下．本文將7幅影像按時(shí)間順序分別配對(duì)（具體組合見(jiàn)表1），采用上述偏移量跟蹤技術(shù)計(jì)算每一影像對(duì)獲取時(shí)間間隔內(nèi)冰川位移．由于2007年10月9日獲取的影像是FBD 模式，距離向分辨率比FBS影像低50%，必須對(duì)距離向像素進(jìn)行兩倍過(guò)采樣后再和2008年1月9日獲取的影像匹配．FBD 模式包含HH 和HV極化，F(xiàn)BS僅包含HH 極化．為統(tǒng)一，本文研究均采用HH 極化數(shù)據(jù)．

4 結(jié)果及誤差分析

4．1 速度解算

假設(shè)冰川運(yùn)動(dòng)平行局部坡面并朝向最大坡度方向［10，12－16，19，23－24］，根據(jù)圖2表示的雷達(dá)成像幾何關(guān)系，我們通過(guò)方位向和斜距向的位移量可以計(jì)算出冰川在正北和正東方向的位移分量：

圖2 升軌雷達(dá)成像幾何示意圖方位向和地距向分別為雷達(dá)飛行方向和視線方向在地面上的投影；θ為雷達(dá)入射角；α為飛行方向與正北方向的夾角（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）；α－為地距向和正北方向夾角．圖中箭頭所指均為正方向．Fig．2 Geometry of ascending SAR imagingThe azimuth and range directions are the ground projects of radar flying and look direction；θis radar incident angle；αis angle between radar flying direction and north （clockwise rotation）；α－3π/2is angle between ground range direction and north．All the directions expressed by arrows are positive．

其中Raz和Rsr分別表示偏移量跟蹤技術(shù)計(jì)算的方位向和斜距向的位移量；Rgr是地距向位移量；而RN和RE則表示計(jì)算出的正北向和正東向位移．

再根據(jù)正北和正東向位移量合成二維平面位移矢量．將位移量除以影像獲取時(shí)間間隔，得到間隔內(nèi)冰川的日平均運(yùn)動(dòng)速度．圖3給出了南伊內(nèi)里切克冰川6個(gè)時(shí)段的日平均速度分布圖，底圖為SRTM高程模型．

4．2 誤差分析

本文采用偏移量跟蹤技術(shù)獨(dú)立地提取了南伊內(nèi)里切克冰川在6個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均流動(dòng)速度，從圖3可以看出各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的速度分布高度吻合，說(shuō)明該技術(shù)應(yīng)用于山岳冰川流動(dòng)監(jiān)測(cè)是可靠的．其主要誤差來(lái)源是影像配準(zhǔn)、地理編碼以及地形引起的偏移量．本文中影像配準(zhǔn)的誤差控制在0．1個(gè)像素左右，即對(duì)應(yīng)斜距向和方位向約0．7m 和0．4m 的誤差，平均到每天運(yùn)動(dòng)速度誤差大約是2．02cm/d，與冰川運(yùn)動(dòng)的速度相比（圖3），這個(gè)誤差可以忽略．如果增加信噪比閾值，精度就能得到提高，但合格的樣本會(huì)減少．本文采用90m 分辨率的SRTM 高程數(shù)據(jù)作為地理編碼參考．Rodriguez 等曾討論了SRTM 高程數(shù)據(jù)的誤差，認(rèn)為歐亞大陸90%區(qū)域的絕對(duì)高程誤差在8．7m 左右［33］．托木爾峰區(qū)地形較復(fù)雜，絕對(duì)高程誤差可能大于8．7 m．但SRTM 高程數(shù)據(jù)的相對(duì)精度要大大優(yōu)于絕對(duì)精度［24］．對(duì)于地理編碼，相對(duì)高程誤差的影響要遠(yuǎn)大于絕對(duì)誤差，而且冰川主體部分坡度較緩，一般不超過(guò)7°（圖6），所以SRTM 90m 分辨率的高程數(shù)據(jù)在本文研究中是可以滿足要求的．由于SRTM 是2000年獲取的，部分雪域高程發(fā)生了變化，地理編碼的誤差依然存在．此外，冰川平行于局部坡面流動(dòng)的假設(shè)也會(huì)帶來(lái)一定的誤差．由于非冰雪覆蓋區(qū)域點(diǎn)的形變值理論上應(yīng) 該為零，可以作為速度控制點(diǎn)［10，12－13，22－24］，對(duì)速度估計(jì)值的精度進(jìn)行粗略評(píng)定．本文提取大量控制點(diǎn)作驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)90%的控制點(diǎn)速率都在4cm/d以下，這個(gè)誤差值比速度觀測(cè)值要小得多．

5 冰川運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

5．1 冰川SAR 強(qiáng)度圖解譯

圖4給出了研究區(qū)域2007年7月9日獲取的PALSAR 影像強(qiáng)度圖，冰川的輪廓很清晰．其上游為粒雪盆，即積累區(qū)，如圖中橢圓區(qū)域B、C 所指的位置，由于表面主要被分布和大小都均勻的粒雪覆蓋，所以強(qiáng)度圖顯得很均勻和光滑．其中、下游為冰舌，如圖中白色長(zhǎng)、短虛線和點(diǎn)線標(biāo)注處．冰舌表面被夾雜著巖屑和冰塊的冰磧覆蓋，冰磧體積大小不一，所以強(qiáng)度圖顯得比較粗糙．尾部有冰川支流阻斷冰川融水形成的麥茲巴赫湖（圖4中矩形區(qū)域A 所指的位置）．因?yàn)樗娴幕夭ㄐ盘?hào)太低，所以很容易和其它地物區(qū)別開(kāi)來(lái)．

圖4 研究區(qū)域PALSAR 強(qiáng)度影像（2007－07－09）黑色區(qū)域表示無(wú)影像覆蓋．Fig．4 PLASAR intensity map of study area（acquired on July 9，2007）Black area indicates data gap．

5．2 影響冰川流速提取的因素分析

速度結(jié)果圖中常出現(xiàn)一些“空洞值”或者速度突變點(diǎn)，這是失配準(zhǔn)的結(jié)果．降雪、消融、風(fēng)吹雪、雪崩、裂縫等自然現(xiàn)象會(huì)使目標(biāo)散射特性發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致兩期SAR 影像失配準(zhǔn)．以圖4中B、C 橢圓區(qū)域?yàn)槔?，其夏季流速圖（圖3a和3b中對(duì)應(yīng)的區(qū)域，其位置在圖3a中進(jìn)行了標(biāo)記）幾乎為空白，而冬季流速圖（圖3d和3e中對(duì)應(yīng)的區(qū)域）卻十分連續(xù)．這是因?yàn)閳D4中B、C橢圓所在區(qū)域是冰川的積累區(qū)，夏季降雪密度大，而且新雪容易質(zhì)變，所以目標(biāo)表面散射特性在夏季極不穩(wěn)定；而冬季降雪稀少，表面一層主要是新雪經(jīng)過(guò)緩慢重結(jié)晶形成的粒雪，目標(biāo)表面散射特性相對(duì)穩(wěn)定．又如在冰舌上段（圖4中白色長(zhǎng)虛線所在位置），其夏季流速圖（圖3a、3b和3f中對(duì)應(yīng)的位置）斷斷續(xù)續(xù)，摻雜著空洞值和奇異值，而冬季流速圖（圖3c、3d和3e中對(duì)應(yīng)的位置）則平滑連續(xù)，幾乎沒(méi)有噪聲．這是因?yàn)楸嗌隙问歉郊颖鶐У纳蓞^(qū)，表面的粒雪層在暖季會(huì)經(jīng)過(guò)消融產(chǎn)生大量融水或徑流，冬季則開(kāi)始凍結(jié)于冰上，形成附加冰帶（圖5）．附加冰帶一般位于雪線附近，平衡線之上的部分在暖季不會(huì)產(chǎn)生徑流，對(duì)冰川有補(bǔ)給作用，而平衡線之下的部分會(huì)在暖季逐漸消融殆盡（圖5a），產(chǎn)生徑流，對(duì)冰川沒(méi)有補(bǔ)給作用［2］．冬季附加冰帶則不斷增厚，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)（圖5b），所以冰舌上段夏冬兩季流速圖差別很大．冰舌的中段部分（圖4中白色短虛線所在位置）表層是被冰磧覆蓋著的冰川冰，散射特性較穩(wěn)定，所以獲取的速度保持了很好的連續(xù)性．

5．3 南依內(nèi)里切克冰川的運(yùn)動(dòng)特征

河床坡度一定時(shí)，大冰川運(yùn)動(dòng)要比小冰川快得多［2］．南伊內(nèi)里切克冰川是世界上最大的山岳冰川之一，其流動(dòng)速度自然較大（圖3）．而冰川厚度一定時(shí)，河床坡度越大越有利于冰川流動(dòng)．我們?cè)?個(gè)時(shí)間段里連續(xù)觀測(cè)到的兩個(gè)高速區(qū)，即圖3中的D 和E矩形區(qū)域（由于6個(gè)時(shí)段速度圖覆蓋區(qū)域一致，只在圖3a中標(biāo)注了其位置）．為了便于比較，我們作了研究區(qū)域的坡度圖，顯示于圖6，其中的D 和E矩形區(qū)域與圖3的相應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)．結(jié)合該坡度圖來(lái)看，這兩處的坡度值有一個(gè)平穩(wěn)增大的過(guò)程，坡度范圍為1°～18°，但6個(gè)時(shí)間段的速度圖非空洞速度值對(duì)應(yīng)的坡度大小均在16°以下．圖3中F 和G 矩形區(qū)域的坡度從1°突變到16°以上（參考圖6中F 和G 矩形區(qū)域），而坡度為16°以上的區(qū)域的速度圖在6個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)均為空白或者奇異值，只能在其外圍觀測(cè)到一些速度增加的信號(hào)．通過(guò)對(duì)比D、E、F、G矩形框位置的同期光學(xué)影像發(fā)現(xiàn)：D 處表面連續(xù)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯裂縫；E 處在坡度最大的河道轉(zhuǎn)彎處內(nèi)側(cè)有少數(shù)分布較規(guī)則的裂縫（圖7b圓形區(qū)域）；而F、G 兩個(gè)大坡度區(qū)域冰川表面裂縫密布，裂口長(zhǎng)寬不規(guī)則（圖7c、7d中的圓形區(qū)域）．地面坡度增加時(shí)，山岳冰川局部剪應(yīng)力和流動(dòng)速度隨之快速增加，導(dǎo)致冰川裂縫生成和變化，地表樣貌被改變，進(jìn)而使SAR 影像局部失配準(zhǔn)．此外，冰面裂縫的生成和發(fā)育是冰川運(yùn)動(dòng)流速變化的重要標(biāo)志，可以為觀測(cè)冰川運(yùn)動(dòng)周期提供重要依據(jù)［34］．由于上述空白區(qū)域在6個(gè)觀測(cè)時(shí)段速度圖中形狀和大小十分接近，可以推測(cè)失配準(zhǔn)是由坡度從1°突變至16°引起的．

圖7 與圖6中D、E、F、G 矩形位置對(duì)應(yīng)的ASTER/3N 波段影像（15m 分辨率）（a）、（b）、（c）、（d）分別對(duì)應(yīng)D、E、F、G 矩形．Fig．7 Images of ASTER in band 3N（15meters resolution）covering the rectangle areas marked with‘D’，‘E’，‘F’，‘G’in Fig．6（a），（b），（c），（d）correspond to the rectangle areas of‘D’，‘E’，‘F’，‘G’，respectively．

冰舌尾部有條分支（圖4 中點(diǎn)線標(biāo)注）流向北部．在7月到8月這個(gè)時(shí)間段內(nèi)（圖3a矩形A），發(fā)現(xiàn)該處日平均速度為所有觀測(cè)值中最大，達(dá)到96cm/d（圖8a）．這主要和北面的麥茲巴赫湖有關(guān)．冰川融水徑流和浮冰是該湖的主要水源，暖季會(huì)有大量的冰消融形成徑流注入該湖，導(dǎo)致水位快速上升．水位上升后，冰川前端開(kāi)始浮動(dòng)，大量冰體脫落成為浮冰，造成冰川物質(zhì)虧損．下游物質(zhì)虧損后需要上游加速補(bǔ)充，所以速度激增．這點(diǎn)與Mayer等人的考察結(jié)果一致［35］．4月到5月在該處（圖3f矩形H）也觀測(cè)到了速度增加的信號(hào)（圖8b），但這一期的影像沒(méi)有覆蓋冰川分流節(jié)點(diǎn)，所以捕捉到的高速區(qū)范圍很?。渌鼤r(shí)段（圖3b、3c、3d、3e）的速度均很?。纱丝梢酝茰y(cè)該湖水位在5—9月連續(xù)上升，而在10月至次年4月則保持相對(duì)平穩(wěn)．此外，作為山岳冰川的南伊內(nèi)里切克冰川的運(yùn)動(dòng)方式不同于冰蓋（南極、格陵蘭等），其速度沿冰舌向末端逐漸減小，從40cm/d降到20cm/d，這主要是因?yàn)楸ǖ暮穸妊乇嘞蛳轮饾u減薄所致．

5．4 南依內(nèi)里切克冰川的流速變化

冰川的運(yùn)動(dòng)機(jī)制十分復(fù)雜，本文觀測(cè)到的是冰川表面運(yùn)動(dòng)速度．6個(gè)時(shí)間段的觀測(cè)結(jié)果均顯示冰川運(yùn)動(dòng)的主流線在冰川的軸部，流速由軸部向兩側(cè)遞減；由冰川源頭向下至雪線處運(yùn)動(dòng)速度逐漸增加，然后再向冰川末端逐漸遞減．速度圖顯示，最高流速（圖3a中的E矩形區(qū)域）達(dá)到65cm/d．在約一年的時(shí)間內(nèi)該冰川主體日平均速度為20～50cm/d．為了更詳細(xì)地了解該冰川運(yùn)動(dòng)速度分布，沿冰舌（圖4中白色短虛線標(biāo)注處）連續(xù)取49個(gè)樣點(diǎn)的速度值，通過(guò)三次樣條擬合作剖面圖，顯示于圖8．各個(gè)時(shí)段所有采樣點(diǎn)的平均速度依次為32．3cm/d（2007－07－09—2007－08－24），28．9cm/d（2007－08－24—2007－10－09），27．9cm/d（2007－10－09—2008－01－09），30．1cm/d（2008－01－09—2008－02－24），30．8cm/d（2008－02－24—2008－04－10）和33．3cm/d（2008－04－10—2008－05－26）．如前文所述，托木爾峰區(qū)氣溫1月最低，2月不穩(wěn)定，3、4月氣溫穩(wěn)定回升，5 月氣溫大幅升高，7 月氣溫最高，此后開(kāi)始降低，9月末至10月初氣溫大幅回落［30］．從數(shù)據(jù)上看，冰川流速隨溫度降低而降低，隨溫度升高而升高，有一個(gè)季節(jié)起伏過(guò)程．從剖面圖來(lái)看，各期速度值在剖面線上段比較穩(wěn)定，沒(méi)有明顯季節(jié)性差別，但從剖面線7km 處開(kāi)始分化，暖季速率會(huì)高于寒季5～10cm/d，而且不如寒季穩(wěn)定．這是因?yàn)橐环矫媾颈ㄔ鰷?，冰的黏度迅速減小；另一方面暖季冰川內(nèi)部及底部的融水出現(xiàn)會(huì)潤(rùn)滑河床底．但隨著海拔升高，冰川溫度迅速降低，而且趨于穩(wěn)定．另外冰川運(yùn)動(dòng)跟冰川厚度有關(guān)，不同時(shí)期降雪量不同，所以流速表現(xiàn)出來(lái)的季節(jié)變化并不是嚴(yán)格的周期性變化，只在趨勢(shì)上和溫度變化保持一致．

圖8 圖3a中矩形區(qū)域A和圖3f中矩形區(qū)域H 的放大顯示Fig．8 Amplifications of rectangle area A in Fig．3aand H in Fig．3f

本文觀測(cè)到的冰川運(yùn)動(dòng)速度和Esra等估計(jì)的該冰川2004年的速度（采用ASAR 數(shù)據(jù)）相比［25］，在冰舌部分下降約5cm/d．如前所述，冰川流速主要和冰川自身規(guī)模大小相關(guān)．一條健康冰川的速度通常是穩(wěn)定的，而與運(yùn)動(dòng)速度減慢相伴的是冰川末端厚度減薄和位置退縮［2］．在將近一年的時(shí)間內(nèi)，該冰川主體的流動(dòng)速度較為穩(wěn)定．在全球變暖的影響下，大部分山岳冰川開(kāi)始退縮和減?。?0世紀(jì)60到80年代天山冰川的運(yùn)動(dòng)速度大約為40～50cm/d［2］，這個(gè)速度與本文結(jié)果吻合．本文還沒(méi)有找到關(guān)于南伊內(nèi)里切克冰川運(yùn)動(dòng)情況的其它詳細(xì)記載，單用與Esra結(jié)果中部分區(qū)域流動(dòng)速度比較尚不能分析該冰川物質(zhì)虧損的程度．如果可以獲取更多的數(shù)據(jù)，我們就能建立該冰川的運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)運(yùn)動(dòng)變化情況掌握冰川整體進(jìn)退和物質(zhì)平衡變化趨勢(shì)．本研究小組將繼續(xù)跟蹤該區(qū)域冰川的運(yùn)動(dòng)速度變化情況．另外需要指出的是，由于南伊內(nèi)里切克冰川在影像中處于邊緣位置，而相同軌道編號(hào)下的衛(wèi)星影像覆蓋會(huì)有輕微錯(cuò)動(dòng)，因此冰川尾部觀測(cè)值覆蓋面不盡相同，但沒(méi)有影響對(duì)冰川運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究．

6 結(jié) 論

監(jiān)測(cè)冰川物質(zhì)平衡變化對(duì)于保護(hù)環(huán)境和發(fā)展經(jīng)濟(jì)具有重要意義，而冰川運(yùn)動(dòng)是冰川物質(zhì)平衡發(fā)生變化的一個(gè)重要信號(hào)，因此監(jiān)測(cè)冰川運(yùn)動(dòng)變化可以為研究冰川物質(zhì)平衡提供重要信息．本文利用偏移量跟蹤技術(shù)獲取了南伊內(nèi)里切克冰川6個(gè)時(shí)間段內(nèi)的二維運(yùn)動(dòng)場(chǎng)．詳細(xì)分析了影響灰度偏移量技術(shù)監(jiān)測(cè)冰川運(yùn)動(dòng)的因素，并結(jié)合SAR 強(qiáng)度影像、坡度圖和光學(xué)影像分析了南伊內(nèi)里切克冰川流速的分布特征，揭示流速大小和地形、季節(jié)和冰川湖的關(guān)系．發(fā)現(xiàn)在約一年的時(shí)間內(nèi)該冰川主體日平均速度為20～50cm/d，和Esra等得到的結(jié)果大體一致，但在冰舌部分略有下降，幅度約5cm/d．所取冰舌取樣點(diǎn)的流動(dòng)速率為20～43cm/d，暖季速率會(huì)高于寒季5～10cm/d．各觀測(cè)時(shí)段內(nèi)所有采樣點(diǎn)的平均速度最高可達(dá)33．3cm/d（時(shí)段6），最低為27．9cm/d（時(shí)段3）．這些冰川運(yùn)動(dòng)速度特征可以為科考人員提供一定的路線指導(dǎo)，還能幫助冰芯研究者選擇比較理想的冰芯鉆孔位置，為古氣候環(huán)境特征重建與研究提供參考依據(jù)［36］．

圖9 冰舌部分速度剖面圖橫軸起點(diǎn)為圖4中白色大實(shí)心圓，終點(diǎn)為白色小實(shí)心圓．Fig．9 Velocity profiles of glacial tongueThe origin of horizontal axis corresponds to the big white solid circle in Fig．4，while the end corresponds to small white solid circle．

SAR 影像已成為獲取冰川流動(dòng)速度的重要信息源，然而縱觀目前的研究，大多集中在南極和格陵蘭兩大冰蓋，以及挪威斯瓦爾巴特群島入海冰川等，只有少數(shù)研究是關(guān)于內(nèi)陸山岳冰川（喜馬拉雅、阿爾卑斯、天山）．本文利用SAR 影像成功提取了南伊內(nèi)里切克冰川的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)信息，各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的速度分布特征吻合，而且符合山岳冰川的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，說(shuō)明該技術(shù)可以很好地應(yīng)用于山岳冰川流動(dòng)監(jiān)測(cè)．這對(duì)加大我國(guó)西部冰川監(jiān)測(cè)力度，保護(hù)西部自然環(huán)境和研究全球變化具有重要意義．

致 謝 感謝日空局提供ALOS/PALSAR 數(shù)據(jù)，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)"中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心"（http：//westdc．westgis．a(chǎn)c．cn）提供中國(guó)冰川編目信息系統(tǒng)．

（References）

［1］ 李忠勤，沈永平，王飛騰等．冰川消融對(duì)氣候變化的響應(yīng)——以烏魯木齊河源1號(hào)冰川為例．冰川凍土，2007，29（3）：335－342．

Li Z Q，Shen Y P，Wang F T，et al．Response of glacier change to climate change—Take Urnumqi Glacier No．1as an example．J．Glaci．Geocry．（in Chinese），2007，29（3）：335－342．

［2］ 任炳輝．中國(guó)的冰川．蘭州：甘肅教育出版社，1990：54．

Ren B H．Chinese Glacier（in Chinese）．Lanzhou：Gansu Education Press，1990：54．

［3］ Massonnet D， Rossi M， Carmonar C， et al． The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry．Nature，1993，364：138－142．

［4］ Gabriel A K，Goldstein R M，Zebker H A．Mapping small elevation changes over large areas：differential radar interferometry．J．Geophys．Res．，1989，94（B7）：9183－9191．

［5］ Massonnet D，F(xiàn)eigl K L．Radar interferometry and its application to changes in the Earth′s surface．Rev．Geophys．，1998，36（4）：441－500．

［6］ Zebker H A，Rosen P A，Goldstein R M，et al．On the derivation of coseismic displacement fields using differential radar interferometry：The Landers earthquake．J．Geophys．Res．，1994，99（B10）：19617－19634．

［7］ Hu J，Li Z W，Ding X L，et al．Two－dimensional co－seismic surface displacement field of the Chi－Chi Earthquake inferred from SAR image matching．Sensors，2008，8：6484－6495．

［8］ Feng G C，Hetland E A，Ding X L，et al．Coseismic fault slip of the 2008Mw7．9Wenchuan earthquake estimated from InSAR and GPS measurements．Geophys．Res．Lett．，2010，37，L01302，doi：10．1029/2009GL041213．

［9］ Li Z W，Ding X L，Huang C，et al．Improved filtering parameter determination for the Goldstein radar interferogram filter．ISPRSJ．PhotogrammRemoteSens．，2008，63（6）：621－634．

［10］ Goldstein R M，Engelhardt H，Kamb B，et al．Satellite radar interferometry for monitoring ice sheet motion：application to an Antarctic ice stream．Science，1993，262：1525－1530．

［11］ Giles A B，Massom R A，Warner R C．A method for subpixel scale feature－tracking using Radarsat images applied to the Mertz Glacier Tongue，East Antarctica．RemoteSens．Environ．，2009，113：1691－1699．

［12］ Liu H X，Zhao Z Y，Jezek K．Synergistic fusion of interferometric and speckle－tacking methods for deriving surface velocity from interferometric SAR data．IEEE Geosci．RemoteSens．Lett．，2007，4（1）：102－106．

［13］ Liu H X，Zhao Z Y，Jezek K．Simultaneous least square adjustment of multiframe velocities derived from interferometric and speckle－tracking methods．IEEEGeosci．RemoteSens．Lett．，2008，5（2）：289－293．

［14］ Rignot E J．Fast recession of a West Antarctic Glacier．Science，1998，281：549－551．

［15］ Joughin L，Tulaczyk S，F(xiàn)ahnestock M，et al．A mini－surge on the Ryder Glacier，Greenland，observed by satellite radar interferometry．Science，1996，274：228－230．

［16］ Joughin L，Abdalati W，F(xiàn)ahnestock M．Large fluctuations in speed on Greenland′s Jakobshavn Lsbrae glacier．Nature，2004，432：608－610．

［17］ Kwok R，F(xiàn)ahnestock M A．Ice sheet motion and topography from radar interferometry．IEEETrans．onGeosci．Remote Sens．，1996，34（1）：189－200．

［18］ Luckman A，Murray T，Strozzi T．Surface flow evolution throughout a glacier surge measured by satellite radar interferometry．Geophys．Res．Lett．，2002，29（23），2095，doi：10．1029/2001GL014570．

［19］ Mohr J J，Reeh N，Madsen S N．Three－dimensional glacial flow and surface elevation measured with radar interferometry．Nature，1998，391：273－276．

［20］ Rignot E J，Gogineni S P，Krabill W B，et al．North and Northeast Greenland Ice discharge from satellite radar interferometry．Science，1997，276：934－937．

［21］ Rignot E J，Kanagaratnam P．Changes in the velocity structure of the Greenland Ice Sheet．Science，2006，311：986－990．

［22］ Strozzi T，Luckman A，Murray T，et al．Glacier motion estimation using SAR offset－tracking procedures．IEEE Trans．onGeosci．RemoteSens．，2002，40（11）：2384－2391．

［23］ Strozzi T，Kouraev A，Wiesmann A，et al．Estimation of Arctic glacier motion with satellite L－band SAR data．Remote Sens．Environ．，2008，112：636－645．

［24］ Luckman A，Quincey D，Bevan S．The potential of satellite radar interferometry and feature tracking for monitoring flow rates of Himalayan glaciers．RemoteSens．Environ．，2007，111：172－181．

［25］ Esra E， Andreas R，Olaf H，et al．Glacier velocity monitoring by maximum likelihood texture tracking．IEEE Trans．onGeosci．RemoteSens．，2009，47（2）：394－405．

［26］ Lado W K，Kanfmann V．Estimation of rock glacier surface deformation using SAR interferometry data．IEEETrans．on Geosci．RemoteSens．，2003，41（6）：1512－1515．

［27］ 周建民，李震，李新武．基于ALOS/PALSAR 雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)的中國(guó)西部山谷冰川冰流運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究．測(cè)繪學(xué)報(bào)，2009，38（4）：341－347．

Zhou J M，Li Z，Li X W．Research on rules of valley glacier motion in Western China based on ALOS/PALSAR interferometry．ActaGeodae．Cartogra．Sinica（in Chinese），2009，38（4）：341－347．

［28］ 劉時(shí)銀，丁永健，李晶等．中國(guó)西部冰川對(duì)近期氣候變暖的響應(yīng)．第四紀(jì)研究，2006，26（5）：762－771．

Liu S Y，Ding Y J，Li J，et al．Glaciers in response to recent climate warming in Western China．QuaternarySciences（in Chinese），2006，26（5）：762－771．

［29］ 王淑紅，謝自楚，李巧媛．近期東西天山冰川變化的對(duì)比研究．冰川凍土，2008，30（6）：946－952．

Wang S H，Xie Z C，Li Q Y．Comparison study of glacier variations in East and West Tianshan Mountains．J．Glaci．Geocry．（in Chinese），2008，30（6）：946－952．

［30］ 韓海東，劉時(shí)銀，丁永健等．科其喀爾巴西冰川的近地層基本氣象特征．冰川凍土，2008，30（6）：967－975．

Han H D，Liu S Y，Ding Y J，et al．Near－surface meteorological characteristics on the Koxcar Baxi Glacier，Tianshan．J．Glaci．Geocry．（in Chinese），2008，30（6）：967－975．

［31］ Wegmuller U，Werner C，Storzzi T，et al．Ionospheric eletron concentration effects on SAR and InSAR．Proceeding of IGASS 2006，Denver，USA，July 31－August 4．

［32］ Werner C， Wegmuller U，Strozzi T，et al．Precision estimation of local offsets between pairs of SAR SLCs and detected SAR images．GeoscienceandRemoteSensing Symposium，IGARSSProceeding，IEEEInternational，2005，7：4803－4805．

［33］ Rodriguez E，Morris C S，Belz J E．A global assessment of the SRTM performance．PhotogrammEng．RemoteSens．，2006，72：249－260．

［34］ Sund M，Elken T，Hagen J O，et al．Svalbard surge dynamics derived from geometric changes．Ann．Glaciol．，2009，50（52）：50－60．

［35］ Mayer C，Lambrecht A，Hagg W，et al．Post－drainage ice dam response at Lake Merzbacher，Inylchek glacier，Kyrgyzstan．Geogra．Ann．Ser．，2008，90A（1）：87－96．

［36］ 葉慶華，陳鋒，姚檀棟等．近30年來(lái)喜馬拉雅山脈西段納木那尼峰地區(qū)冰川變化的遙感監(jiān)測(cè)研究．遙感學(xué)報(bào)，2007，11（4）：511－520．

Ye Q H，Chen F，Yao T D，et al．Tupu of glacier variations in the Mt Naimona Nyi Region，Western Himalayas，in the last three decades．J．RemoteSens．（in Chinese），2007，11（4）：511－520．