坡度和粗糙度對(duì)ICESat-GLAS回波特征及其光斑腳點(diǎn)高程誤差的影響研究
2016-06-05 14:57:57吳紅波,郭忠明,陳安安,賀建橋
地理與地理信息科學(xué) 2016年4期
吳 紅 波,郭 忠 明,陳 安 安,賀 建 橋
(1.陜西理工大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院，陜西 漢中 723000；2.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所，北京 100101：3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101；4.南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171；5.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；6.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)
坡度和粗糙度對(duì)ICESat-GLAS回波特征及其光斑腳點(diǎn)高程誤差的影響研究
吳 紅 波1,2,3,郭 忠 明4,陳 安 安5,6,賀 建 橋5
(1.陜西理工大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院，陜西 漢中 723000；2.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所，北京 100101：3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101；4.南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171；5.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；6.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)
為評(píng)價(jià)ICESat-GLAS數(shù)據(jù)在青藏高原地區(qū)冰川表面高程變化中的不確定性，采用GLA01產(chǎn)品和GLA14產(chǎn)品，基于SRTM DEM數(shù)據(jù)所派生的冰川區(qū)和非冰川區(qū)表面坡度、粗糙度數(shù)據(jù)，利用多元線性回歸關(guān)系模型分析了表面粗糙度、坡度對(duì)GLAS光斑腳點(diǎn)高程的不確定誤差。結(jié)果表明：當(dāng)GLAS光斑腳點(diǎn)坡度小于10°時(shí)，GLAS光斑腳點(diǎn)高程偏差為0.1 m，且高程偏差隨著坡度的增加而增大。在受坡度和粗糙度影響復(fù)雜地形下，GLAS光斑的回波展寬較大，不確定性偏差為0.3 m。此外，冰川區(qū)GLAS光斑腳點(diǎn)高程誤差可通過(guò)高斯濾波進(jìn)行展寬偏差校正，但當(dāng)冰川表面坡度大于45°時(shí)，相應(yīng)的GLAS光斑腳點(diǎn)高程在冰川表面高程變化估算中不可用。在后續(xù)的研究中，需考慮冰川運(yùn)動(dòng)、GLAS回波在冰雪表面滲透對(duì)冰川DEM高程精度以及GLAS光斑腳點(diǎn)水平位移的高程偏差影響。
ICESat-GLAS；坡度；粗糙度；回波特征；高程；不確定性
0 引言
氣候變暖導(dǎo)致全球大多數(shù)山地冰川正面臨全面退縮[1]，青藏高原山地冰川的融水為周邊地區(qū)河流水源提供重要補(bǔ)給[2]。冰川-氣候系統(tǒng)的物質(zhì)質(zhì)量-能量交換不僅能夠清晰地反映氣候變化趨勢(shì)[3]，而且冰川物質(zhì)消融也影響著區(qū)域水資源儲(chǔ)量[4]、河流徑流[5]、湖泊水位等變化[6]。因此，青藏高原地區(qū)山地冰川物質(zhì)平衡變化研究作為全球冰川變化研究的重要組成部分，已成為全球氣候系統(tǒng)中重要的監(jiān)測(cè)對(duì)象和研究?jī)?nèi)容[7]。目前，冰川物質(zhì)平衡估算方法有：花桿實(shí)地觀測(cè)、能量物質(zhì)平衡模型、時(shí)變重力場(chǎng)法[8]和雷達(dá)測(cè)高方法[9]。近30年來(lái)，星載雷達(dá)測(cè)高技術(shù)得到了迅速發(fā)展，測(cè)高資料被廣泛應(yīng)用于地表高程變化、卷云厚度[10]、海平面上升、植被結(jié)構(gòu)參數(shù)估算[11]。其中2003年1月13日NASA在美國(guó)發(fā)射了冰、云和陸地高程衛(wèi)星(ICESat)，搭載了高精度地球科學(xué)激光高度計(jì)系統(tǒng)GLAS(Geo-Laser Altimeter Science)，其ICESat-GLAS資料的測(cè)高精度可達(dá)厘米級(jí)[12]，被運(yùn)用于較大空間尺度上的冰川物質(zhì)平衡和湖泊水位變化估測(cè)[13]。
隨著衛(wèi)星定軌精度和數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)，GLAS資料在估算冰蓋物質(zhì)平衡[14]、湖泊水位和偏遠(yuǎn)山區(qū)的地形模型推導(dǎo)的結(jié)果表明，GLA12產(chǎn)品在南極冰蓋表面高度估值偏差變化率為2 cm/a，地表驗(yàn)證精度≤25 cm[15]。在未考慮水面波幅、浮冰和湖盆對(duì)湖泊水位干擾的情況下，湖泊水位不確定性為±0.15 m[16-18]。在GLAS光斑腳點(diǎn)高程數(shù)據(jù)估算冰川表面高程變化研究中，通過(guò)GLAS光斑軌跡星下點(diǎn)偏移校正可提高在丘陵地形下GLAS光斑腳點(diǎn)高程與冰面DEM高程的配準(zhǔn)精度[19]。GLAS光斑腳點(diǎn)高程偏差不僅考慮回波在冰雪表面滲透深度[20]，還需考慮冰雪密度的異質(zhì)性和冰川動(dòng)力學(xué)參數(shù)(坡度、坡向、粗糙度和冰川運(yùn)動(dòng)速率等)的影響[21]。
目前，GLAS資料具有較高的測(cè)高精度、較強(qiáng)的抗干擾性和良好的覆蓋能力，足以彌補(bǔ)冰川觀測(cè)臺(tái)站的監(jiān)測(cè)時(shí)段不連續(xù)和空間分布不均衡性[22]。在ICESat衛(wèi)星升/降軌道的星下點(diǎn)交叉分析和重疊光斑腳點(diǎn)坡度校正中[23]，仍缺少地表粗糙度、坡度對(duì)GLAS光斑腳點(diǎn)高程的誤差分析。為此，本文分析了GLA01和GLA14產(chǎn)品在山地冰川表面高程變化中的不確定性，基于地表粗糙度、坡度對(duì)GLAS光斑腳點(diǎn)高程的理論模型推導(dǎo)，并以青藏高原西昆侖山區(qū)的GLAS光斑腳點(diǎn)高程與地表坡度、粗糙度研究所引起的高程偏差進(jìn)行多元線性回歸分析，期望其研究結(jié)果對(duì)山地冰川物質(zhì)平衡監(jiān)測(cè)和地形調(diào)查提供參考。
1 ICESat-GLAS測(cè)高資料與方法
1.1 地表高程測(cè)量原理
ICESat衛(wèi)星從2003年2月21日-2009年10月11日共完成18期GLAS資料收集。GLAS測(cè)高儀是根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射器發(fā)射和接收脈沖的時(shí)間差測(cè)定衛(wèi)星到地表的距離，并對(duì)地表高程進(jìn)行估算[24]：
Hg=Hellipsiod-Halt-He-N
(1)
式中:Hg為地表高程；Hellipsiod為GLAS測(cè)高儀的參考橢球高；Halt為GLAS測(cè)高儀運(yùn)行高度； He為儀器偏置、潮汐和大氣延遲等修正誤差；N為大地基準(zhǔn)面相對(duì)于參考橢球面高度；也包括WGS84橢球體和Topex/Poseidon橢球體的高程差，約0.7m。本文采用360階EGM2008重力場(chǎng)模型描述衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)在青藏高原地區(qū)的重力位異常和垂線偏差，格網(wǎng)大小20′×20′，未考慮海潮、逆氣壓的影響。
1.2 GLAS數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介
GLAS測(cè)高儀采用的是綠光543nm和近紅外1 064nm處激光脈沖測(cè)量地表特征，在平地上形成一個(gè)直徑近似70m的圓形光斑，沿升/降軌道方向上的GLAS光斑腳點(diǎn)間隔約170m[25]，重訪周期為33～91d[26]。測(cè)高儀每秒發(fā)射40個(gè)激光脈沖，脈沖寬度為4ns，1ns的脈沖對(duì)應(yīng)于0.15m的高度。測(cè)高儀的采樣器數(shù)字化地物反射電壓值，并以回波形式記錄在GLA01產(chǎn)品中；利用GLA01回波反射特征和脈沖到達(dá)地物表面上的時(shí)間差對(duì)地物分類和地物高度變化進(jìn)行估計(jì)[27]。本文Level1B級(jí)GLA01和GLA14產(chǎn)品的數(shù)據(jù)版本分別為33、34，青藏高原冰川區(qū)有效GLAS光斑共計(jì)149 996個(gè)，可從美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心NSIDC(NationalSnowandIceDataCenter,URL:http://nsidc.org/data/icesat/)獲取，并由美國(guó)戈達(dá)德宇航中心(NASA′sGoddardSpaceFlightCenter，GSFC)的ICESat科學(xué)研究處理小組I-SIPS(ICESATScienceInvestigator-ledProcessingSystem)進(jìn)行管理[28]。其中，GLA01產(chǎn)品包含GLAS后向散射回波特征參數(shù)、地形坡度、粗糙度等信息，GLA14產(chǎn)品包括光斑腳點(diǎn)高程、經(jīng)度、緯度、大地水準(zhǔn)面高度、光斑記錄號(hào)、日期、UTC時(shí)間等變量，可借助GLASVisualizer(idl_visualizer_20140604)和GLASAltimetryelevationextractorTool(ngat-0.15)提取，并以ASCII格式存儲(chǔ)[29]。本研究采用90m×90m空間分辨率的SRTMDEMv4.1資料與GLA14產(chǎn)品中光斑腳點(diǎn)高程配準(zhǔn)，由美國(guó)太空總署(NASA)和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(NIMA)聯(lián)合提供,下載網(wǎng)址http://srtm.csi.cgiar.org/。
1.3 GLAS光斑回波特征
ICESat衛(wèi)星測(cè)高儀不僅利用激光脈沖從發(fā)射器到地球表面，返回到接收器的時(shí)間差估計(jì)星地距離，而且還可獲取地表地物回波特征信息。GLAS測(cè)高儀到地面的距離d為:
(2)
式中:c為光速常數(shù)，c=299 792 458m/s；Δt是激光脈沖發(fā)射和接收時(shí)間差[30]。
在沒(méi)有前向散射的云層影響下，裸地表面上GLAS回波為單峰的高斯曲線(圖1)，波峰的數(shù)量取決于地表覆被和地形影響。在冰裂縫、冰峭壁、冰溝、冰痕等表面，每個(gè)完整GLAS回波中有2個(gè)或多個(gè)峰值。那么，GLAS回波可定義為[31]：
(3)
(4)
式中:Wm為第m個(gè)高斯波峰的貢獻(xiàn)；N為一個(gè)完整GLAS回波中的波峰數(shù)；Am為第m個(gè)波峰振幅高度；ε為回波隨機(jī)誤差；tm為第m個(gè)波峰峰值處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間；σ為第m個(gè)峰值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
圖1 高斯函數(shù)和半峰寬
每個(gè)完整的GLAS回波曲線w(ti)可表示為:
(5)
式中:w(ti)由544個(gè)光電壓值組成，記錄在GLA01產(chǎn)品中，平地上、坡度和粗糙度表面所對(duì)應(yīng)的GLAS回波見(jiàn)圖2。vi為GLAS回波中光電壓值，vm為第m個(gè)波峰峰值處光電壓值。
圖2 GLA01產(chǎn)品的532 nm處的反射率回波曲線
1.4 地表坡度和粗糙度所引起的偏差
坡度和粗糙表面的各向異性、空間連續(xù)性常用于地形因子模型推導(dǎo)[33],本文借助中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(URL:http://www.gscloud.cn/)，計(jì)算出SRTM DEM的地形粗糙指數(shù)(Terrain Ruggedness Index)和坡度值。
1.4.1 坡度校正 GLAS回波脈沖寬度可用來(lái)描述激光光斑內(nèi)地物高度和地形坡度所引起的光斑腳點(diǎn)高程偏差[34]。平地上的GLAS光斑覆蓋面積與SRTM DEM像元面積的重疊面積達(dá)47.48%,GLAS光斑腳點(diǎn)高程與DEM像元高程近似。為了評(píng)估地形坡度所引起的高程配準(zhǔn)誤差[35]，將SRTM DEM像元分解為3×3亞像元，SRTM DEM像元高程為亞像元高程值Pij的線性加權(quán)均值(圖3)，SRTM DEM高程與GLAS光斑腳點(diǎn)高程的配準(zhǔn)誤差eco-registered可表示為：
(6)
式中:ei為第i個(gè)SRTMDEM亞像元與GLAS光斑腳點(diǎn)配準(zhǔn)誤差，i=1,2,3,…,9;SRTMDEM亞像元空間分辨率為30m×30m。
圖3 GLAS光斑與SRTM DEM像元分析
在粗糙度近似為零的坡面上，GLAS光斑腳點(diǎn)坡度可用坡面的x、y方向上的展寬距離描述為：
(7)
(8)
1.4.2 粗糙度 地表粗糙度是地表單元的表面積與其在水平面上的投影面積之比[36]，GLAS光斑內(nèi)的地表粗糙度Δξ的近似求解公式為[37]：
Δξ≈1/cos(sfootprint)
(9)
式中:GLAS光斑腳點(diǎn)坡度sfootprint可用SRTMDEM的坡度值s近似替代，但凹凸地形分布及變化誤差受分析窗口和空間尺度影響較大[38]。由于冰雪粗糙度值對(duì)識(shí)別冰川表面地物類型(裸冰、積雪、粒雪等)缺少充分的統(tǒng)計(jì)方法，需建立地面粗糙度觀測(cè)值與GLAS回波偏差的擬合關(guān)系式[39]。
1.4.3 粗糙度校正 對(duì)任意一個(gè)GLAS光斑內(nèi)的激光脈沖入射表面模型可描述為[40]：
(10)
假設(shè)激光脈沖的延遲是脈沖中心到相位波前的曲率所致的延遲[41]，其GLAS回波展寬為：
(11)
式中:Tp為光斑腳點(diǎn)展寬時(shí)間(s)；f為光束天頂角(rad)；sx和sv分別為在水平平面坐標(biāo)系中x、y方向上的坡度(rad)；qr為激光束發(fā)散角度的1/2(rad)；Δfx和Δfv分別為激光束在x、y方向上的隨機(jī)偏差。
圖4 表面坡度、粗糙度變化所對(duì)應(yīng)的GLAS回波波形(No.937048640)
考慮表面粗糙度、坡度、天頂角、光束曲率和系統(tǒng)隨機(jī)誤差的影響，每束激光脈沖的均方根脈沖寬度可表示為：
(12)
式中:sp、sl分別是接收、發(fā)射脈沖寬度(ns)，sh是接收器的脈沖響應(yīng)(1個(gè)或多個(gè))的寬度(ns)。
對(duì)于表面粗糙的平地，即sfootprint=0，式(10)可簡(jiǎn)化為：
(13)
相應(yīng)的sx=sy=0，則式(13)表示為：
4H2alt×tan2qrc2×cos2f[tan2qr+tan2f]
(14)
若忽略GLAS測(cè)高儀的天頂角f和光束發(fā)散角qr，則式(14)簡(jiǎn)化為：
(15)
平地上的GLAS光斑內(nèi)地表粗糙度適用于下式：
(16)
對(duì)于表面粗糙度較大的GLAS光斑，表面粗糙度和坡度是相互關(guān)聯(lián)的[35]。對(duì)于表面光滑的GLAS光斑腳點(diǎn)，Δξ=0、f≈0，則式(14)變?yōu)椋?/p>
(17)
由于GLAS光斑腳點(diǎn)坡度sfootprint與x、y矢量方向上的坡度關(guān)系為：
tan2sfootprint=tan2sx+tan2sy
(18)
若忽略GLAS激光脈沖天頂角變化的影響，則式(14)為：
(19)
(20)
1.5 不確定性誤差
GLAS測(cè)高資料的隨機(jī)誤差是非線性的，對(duì)于任意工作期內(nèi)的GLAS光斑腳點(diǎn)高程的總體誤差P可表示為[42]：
P=Eco-registered+Ecampaign+Ebias=
1n×∑ni=1eco-registered+1l×∑l=18l=1ecampaign+1p×∑pi=1ebias
(21)
式中:Eco-registered為任一期GLAS光斑腳點(diǎn)高程和SRTMDEM高程之間的配準(zhǔn)誤差均值。Ecampaign是每個(gè)激光發(fā)射器工作期間的系統(tǒng)偏差，l=1，2，3，…，18。Ebias是表面坡度和粗糙度所引起的GLAS回波的標(biāo)準(zhǔn)偏差均值，通過(guò)GLAS回波高斯曲線的誤差概率函數(shù)與粗糙度經(jīng)驗(yàn)分布偏差估算得到。eco-registered、ecampaign、ebias分別為任意一個(gè)GLAS光斑腳點(diǎn)與SRTMDEM像元的高程配準(zhǔn)誤差、系統(tǒng)誤差和復(fù)雜地形所導(dǎo)致的不確定性誤差。
2 結(jié)果與分析
2.1 GLAS光斑腳點(diǎn)高程誤差分析
隨著ICESat衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)間的推移，GLAS資料的2003-2009年各期系統(tǒng)偏差與運(yùn)行時(shí)間呈線性相關(guān)關(guān)系，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.8589,通過(guò)95%置信區(qū)間檢驗(yàn)；且系統(tǒng)偏差變化率為2～3cm/a(圖5)。在冰川表面高程估計(jì)中，需根據(jù)18期GLAS光斑腳點(diǎn)高程的系統(tǒng)偏差統(tǒng)計(jì)，將各期系統(tǒng)偏差變化率值逐一補(bǔ)償?shù)紾LAS光斑腳點(diǎn)高程中。
分析青藏高原冰川區(qū)149 996個(gè)有效GLAS光斑可知(圖6,彩圖見(jiàn)封2)，在坡度≤10°的非冰川區(qū)域，GLAS光斑腳點(diǎn)高程與DEM的配準(zhǔn)誤差為0.1m，且配準(zhǔn)誤差會(huì)隨著坡度的增加而變化。在坡度和粗糙度共同影響復(fù)雜地形下，GLAS光斑的回波展寬較大，通過(guò)GLAS回波偏差與坡度經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式校正，冰川區(qū)GLAS光斑腳點(diǎn)高程與SRTM DEM高程的配準(zhǔn)精度為0.3 m，這與GLAS光斑軌跡與GPS動(dòng)態(tài)軌跡交叉分析驗(yàn)證結(jié)果一致[43]。此外，ICESat衛(wèi)星軌道高度和衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整，會(huì)系統(tǒng)性地引起各期的光斑腳點(diǎn)位移量7～10 m[44]。
圖5 2003-2009年18期GLAS光斑腳點(diǎn)高程的系統(tǒng)偏差
圖6 青藏高原地區(qū)冰川表面GLAS光斑與SRTM DEM的配準(zhǔn)誤差
青藏高原山地冰川表面運(yùn)動(dòng)、平均海拔和冰雪密度時(shí)空特征差異，會(huì)使GLAS資料在冰川表面高程變化和冰川物質(zhì)平衡計(jì)算產(chǎn)生一定低估影響。為描述表面坡度、粗糙度對(duì)GLAS腳點(diǎn)高程偏差的關(guān)系，本文選擇青藏高原西昆侖冰川地區(qū)的GLAS光斑數(shù)據(jù)和地形坡度、粗糙度進(jìn)行分析；據(jù)式(16)可知，GLAS光斑內(nèi)下凹地表的粗糙度用負(fù)值表示，凸起地表的粗糙度用正值表示(圖7,彩圖見(jiàn)封2)。
2.2 坡度與光斑腳點(diǎn)高程偏差關(guān)系
隨機(jī)選取冰川區(qū)239個(gè)GLAS光斑，其中189個(gè)光斑腳點(diǎn)坡度sfootprint≤20°，50個(gè)光斑的腳點(diǎn)坡度20°
圖7 青藏高原西昆侖山冰川表面GLAS光斑與SRTM DEM的坡度、粗糙度分布
圖8 GLAS光斑內(nèi)地表坡度與GLAS回波不確定誤差關(guān)系
分析非冰川區(qū)的1 205個(gè)GLAS光斑腳點(diǎn)高程偏差和腳點(diǎn)坡度變化擬合曲線可知，GLAS光斑腳點(diǎn)的高程偏差與坡度值呈線性相關(guān)關(guān)系，且隨著GLAS光斑腳點(diǎn)坡度值增加而增大(圖9)。當(dāng)GLAS光斑處于升軌道上，GLAS光斑腳點(diǎn)的垂直高程偏差為正偏差，且與腳點(diǎn)坡度呈正相關(guān)；當(dāng)GLAS光斑腳點(diǎn)軌跡處于降軌道上，GLAS光斑腳點(diǎn)的垂直高程偏差為負(fù)偏差，且與腳點(diǎn)坡度值呈負(fù)相關(guān)。
2.3 地表粗糙度與光斑腳點(diǎn)高程偏差關(guān)系
當(dāng)冰川末端、表磧物、冰溝和河道邊緣處的坡度>45°時(shí)，該處粗糙度值也會(huì)相應(yīng)迅速增大[47](圖7c)。
圖9 GLAS光斑腳點(diǎn)坡度與垂直方向上的偏差關(guān)系曲線
根據(jù)青藏高原西昆侖山區(qū)裸地的1 205個(gè)隨機(jī)GLAS光斑高程偏差ebias和其粗糙度統(tǒng)計(jì)分析可知，1.01≤Δξ<2.2時(shí)，由粗糙度所導(dǎo)致的回波偏差ebias隨著地表粗糙度的增加而增加，呈散射狀(圖10)。當(dāng)GLAS光斑內(nèi)Δξ>2.2時(shí)，垂直誤差可達(dá)±0.5 m。與植被、碎石、河溝、農(nóng)田等地表所不同的是，冰川區(qū)冰雪表面粗糙度數(shù)值偏小，范圍在1≤Δξ<1.5，冰雪表面粗糙度所導(dǎo)致的GLAS回波展寬較小，其高程偏差采用式(20)進(jìn)行校正。
圖10 表面粗糙度與GLAS光斑腳點(diǎn)高程偏差關(guān)系
3 結(jié)論
本文對(duì)比分析了冰川區(qū)和非冰川區(qū)地形坡度、粗糙度變化對(duì)GLAS光斑腳點(diǎn)的高程偏差，并評(píng)估了GLAS測(cè)高資料在青藏高原山地冰川高程變化估計(jì)中的不確定性，主要結(jié)論如下：1)檢驗(yàn)了GLAS光斑腳點(diǎn)高程在青藏高原山地冰川表面的總體誤差為0.3 m；當(dāng)GLAS光斑腳點(diǎn)坡度≤10°時(shí)，腳點(diǎn)高程偏差為0.1 m。2)GLAS測(cè)高資料地表面高程偏差主要源于坡度和粗糙度影響，對(duì)于冰雪表面粗糙度近似等于1的GLAS光斑，光斑腳點(diǎn)高程偏差隨表面坡度的增加而增加，呈線性遞增。在非冰川覆蓋山區(qū)，粗糙度所引起的GLAS回波展寬，可通過(guò)高斯濾波降低粗糙度所引起的高程偏差；在粗糙度和坡度值均較小的冰川表面高程變化估計(jì)中，GLAS光斑可通過(guò)擬合回歸關(guān)系式進(jìn)行修正，降低光斑腳點(diǎn)高程偏差。3)考慮GLAS光斑各期之間的系統(tǒng)偏差和配準(zhǔn)誤差，GLAS數(shù)據(jù)覆蓋了各種地形條件下的冰川表面類型，且精度滿足冰川物質(zhì)平衡估算要求，但與實(shí)測(cè)樣地?cái)?shù)據(jù)尚有一定偏差。在后續(xù)的研究中，需考慮冰川表面運(yùn)動(dòng)、GLAS回波的冰雪滲透深度對(duì)冰川DEM高程精度評(píng)價(jià)和水平方向的位移補(bǔ)償偏差，其研究結(jié)果可為偏遠(yuǎn)的山地冰川表面高程變化和物質(zhì)平衡監(jiān)測(cè)提供參考。
致謝：美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心NSIDC(National Snow and Ice Data Center)提供的GLAS數(shù)據(jù)和International Agriculture Research-Consortium for Spatial Information (CGIAR-CSI)提供SRTM DEM v4.1數(shù)據(jù)，及中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所科考人員的野外工作協(xié)助，在此感謝！
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Characteristics of ICESat-GLAS Full Waveforms and the Errors of GLAS Footprints Elevation Change Influenced by the Surface Slope and Roughness
WU Hong-bo1,2,3,GUO Zhong-ming4,CHEN An-an5,6,HE Jian-qiao5
(1.SchoolofHistoryandTourism,ShaanxiSci-TechUniversity,Hanzhong723000;2.InstituteofTibetanPlateauResearch,ChineseofAcademySciences,Beijing100101;3.CASCenterforExcellenceinTibetanPlateauEarthSciences,Beijing100101;4.SchoolofEnvironmentalSciences,NanjingXiaozhuangUniversity,Nanjing211171;5.StateKeyLaboratoryofCryosphericSciences,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000;6.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)
To evaluate on the uncertainty of the GLAS footprints elevation change on the glaciers in Tibet Plateau,the GLA01 product and GLA14 product are employed for the error analysis of GLAS footprints elevation.The bias of the centroid of return echo signal in the GLAS waveforms in the glacier surface and non-glacier land surface region are compared based on the SRTM DEM-derived roughness and slope data.Using the multiple linear regression models,the GLAS footprints elevation deviation are significantly related to the land surface roughness and slope of GLAS footprints.The results showed that the errors of GLAS footprints elevation on the glacier surface are 0.1 m,while the glacier surface slope value of GLAS footprints are less than 10°.The deviation of GLAS footprints elevation increases with the surface slope categories increased.The GLAS footprints are jointly affected by the slope and roughness,which the overall uncertain error was 0.3 m.In addition,if the glacier surface slope is more than 45°,the corresponding GLAS footprints are not available for estimation on the surface elevation change.The GLAS full waveforms are filtered by the Gaussian-Centroid method and the process can reduce the uncertain error of the centroid of the laser returned echo of the GLAS footprints.In future studies,the offset compensation caused by the glacier surface motion and the glacier surface DEM elevation deviation evaluation without considering the penetration effect of GLAS returned echo on the snow/ice surface would be considered.
ICESat-GLAS;slope;roughness;waveforms characteristics;elevation;uncertainty
2015-11-12；
2016-02-01
國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41190084)；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類) (XDB03030200)；中國(guó)科學(xué)院海外科教基地建設(shè)計(jì)劃(SAJC201303);陜西理工大學(xué)人才啟動(dòng)項(xiàng)目(SLGQD16-09)
吳紅波(1984-),男,博士后,講師,從事冰雪遙感方向研究。E-mail:wuhongbo12366@sina.com
10.3969/j.issn.1672-0504.2016.04.006
P237
A
1672-0504(2016)04-0030-08
