南極冰蓋DEM機(jī)載測(cè)高驗(yàn)證與分析
——以西南極Thwaites冰川為例

黃科偉，李　斐,3，張勝凱，郝衛(wèi)峰，肖　峰，袁樂先

1. 武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 極地測(cè)繪科學(xué)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 3. 國(guó)家領(lǐng)土主權(quán)與海洋權(quán)益協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079

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南極冰蓋DEM機(jī)載測(cè)高驗(yàn)證與分析
——以西南極Thwaites冰川為例

黃科偉1,2，李斐1,2,3，張勝凱1,2，郝衛(wèi)峰1,2，肖峰1,2，袁樂先1,2

1. 武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 極地測(cè)繪科學(xué)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 3. 國(guó)家領(lǐng)土主權(quán)與海洋權(quán)益協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079

Foundationsupport：TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No. 41531069);TheNationalBasicResearchandDevelopmentProgram(973) (Nos.2012CB957701; 2013CBA01804);TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.41176173);TheChinesePolarEnvironmentComprehensiveInvestigation&AssessmentPrograms(No.CHINARE2016)

利用冰橋計(jì)劃(IceBridge)在西南極Thwaites冰川的機(jī)載激光測(cè)高數(shù)據(jù)，對(duì)ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和目前國(guó)際常用的4種南極DEM，包括Bamber1kmDEM、ICESatDEM、RAMPv2DEM和JLB97DEM的精度進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。結(jié)果表明，ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和ICESatDEM有著較高的高程可靠性，其與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)的平均高程差小于5m，標(biāo)準(zhǔn)差小于15m。Bamber1kmDEM高程可靠性相比ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和ICESatDEM低一些。JLB97DEM、RAMPv2DEM與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)之間的標(biāo)準(zhǔn)差超過30m，尤其在坡度較大的區(qū)域，高程可靠性低。

南極；Thwaites冰川；冰橋計(jì)劃；機(jī)載測(cè)高；數(shù)字高程模型

美國(guó)航空航天局(NASA)于2003年發(fā)射的ICESat衛(wèi)星，一直工作至2009年，主要目的是監(jiān)測(cè)極地冰雪的變化，并估算兩極冰雪消融對(duì)全球海平面的影響，由于ICESat的成功，ICESat的后續(xù)衛(wèi)星ICESat-2，計(jì)劃于2017年發(fā)射，將繼續(xù)進(jìn)行南極冰蓋高程變化和海冰厚度的監(jiān)測(cè)[1-2]。為了填補(bǔ)兩代ICESat衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)間斷，美國(guó)航空航天局于2007/08國(guó)際極地年(IPY)，開始啟動(dòng)了冰橋計(jì)劃，利用航空飛機(jī)于每年10/11月間在南極執(zhí)行測(cè)量任務(wù)，監(jiān)測(cè)冰蓋、冰架及海冰的變化[3-4]。

Thwaites冰川(75°30′S,106°45′W)是一條位于西南極墨菲火山東部瑪麗伯德地沃爾格林海岸、流向阿蒙森海派恩島海灣、異常寬闊且快速運(yùn)動(dòng)的冰川。近年來，Thwaites冰川受氣候變化的影響較為嚴(yán)重，冰川流速不斷加快，表面冰雪快速消融，接地線也持續(xù)退后，吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注[5-6]。文獻(xiàn)[7]利用2009年冰橋計(jì)劃在南極PineIsland冰川采集的機(jī)載激光測(cè)高數(shù)據(jù)，結(jié)合Radarsat-1SAR影像和MCoRDS雷達(dá)數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維立體制圖，揭示PineIsland冰川的厚度、支流分布以及冰川-海洋交互區(qū)域。在南極地區(qū)，冰蓋演變能夠很好地反映在冰雪表面地形上，數(shù)字高程模型(DEM)是地球科學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)[8-9]。本文以西南極Thwaites冰川為例，使用冰橋計(jì)劃激光雷達(dá)(ATM)2009年的機(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)，對(duì)ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)和目前國(guó)際常用的4種南極DEM，包括Bamber1kmDEM、ICESatDEM、RAMPv2DEM和JLB97DEM的精度進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

1　數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

1.1冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)

作為在地球南北兩極所進(jìn)行的最大航空遙感科學(xué)觀測(cè)工程，冰橋計(jì)劃對(duì)南北極區(qū)冰蓋、冰架以及海冰等要素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。冰橋計(jì)劃搭載的激光雷達(dá)(ATM)，掃描帶寬80m、航跡采樣間隔40m，是一個(gè)用來測(cè)量冰面高程變化的掃描激光計(jì)。本文使用的是激光雷達(dá)(ATM)2009年在西南極Thwaites冰川的機(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)產(chǎn)品L2，其經(jīng)過重采樣和平滑處理，包含有冰川、冰蓋和海冰高程、坡度和精度等數(shù)據(jù)信息，結(jié)合全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)，測(cè)量精度可以達(dá)到10cm[10]。數(shù)據(jù)產(chǎn)品L2無(wú)投影，參考坐標(biāo)系為WGS-84橢球。

1.2ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)

ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高系統(tǒng)(GLAS)Level2數(shù)據(jù)產(chǎn)品的GLA12數(shù)據(jù)是兩極冰蓋的高程數(shù)據(jù)，已進(jìn)行了儀器誤差改正、大氣延遲改正及潮汐改正。用于驗(yàn)證分析的是冰橋計(jì)劃2009年的機(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)，考慮盡量減少因時(shí)間間隔而導(dǎo)致的高程值差異。距離冰橋計(jì)劃2009年10、11月份的機(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)較近的是2009年9、10月份和3、4月份的ICESAT衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)，其中2009年9、10月份只采集了11d的數(shù)據(jù)，同時(shí)該段數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，因此本文最終選擇2009年3、4月份的GLA12衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)，相應(yīng)的ICESat衛(wèi)星軌跡如圖1所示。

圖1　Thwaites冰川地理位置圖Fig.1　Location map of Thwaites Glacier

1.34種南極常用的DEM

1.3.1JLB97 DEM

1991年，歐洲空間局發(fā)射了ERS-1遙感衛(wèi)星。衛(wèi)星上搭載了雷達(dá)高度計(jì)，測(cè)高精度達(dá)到10cm。利用1994年4月至1995年3月期間獲得的雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[11]在1997年建立了5km分辨率的南極DEM，即JLB97DEM。JLB97DEM覆蓋65°S—81.5°S區(qū)域內(nèi)的南極大陸，采用極方位立體投影，投影中心為南極點(diǎn)，投影橢球?yàn)閃GS-84橢球，提供基于OSU91A大地水準(zhǔn)面的正高值。

1.3.2RAMPv2 DEM

美國(guó)伯德極地研究中心(BPRC)的文獻(xiàn)[12]在1999年制作了一個(gè)全新的高精度、無(wú)縫南極DEM，目前發(fā)展到第2版本，即RAMPv2DEM。RAMPv2DEM的數(shù)據(jù)由南極數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)(ADD)等地圖數(shù)據(jù)、ERS-1衛(wèi)星雷達(dá)、航空雷達(dá)測(cè)厚等遙感數(shù)據(jù)和GPS等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)組成。RAMPv2DEM覆蓋60°S—90°S區(qū)域內(nèi)的南極大陸，水平分辨率為200m～5km不等。RAMPv2DEM采用極方位立體投影，投影橢球?yàn)門OPEX/Poseidon橢球和WGS-84橢球(兩者水平位置差異小于1m)，提供基于WGS-84橢球的大地高值和基于OSU91A大地水準(zhǔn)面的正高值。

1.3.3ICESat DEM

2007年，利用ICESat的激光測(cè)高數(shù)據(jù)，美國(guó)國(guó)家雪冰數(shù)據(jù)中心(NSIDC)的DiMarzio等[13]制作了一個(gè)格網(wǎng)間距為500m的，覆蓋南極大陸63°S—86°S區(qū)域的DEM。ICESatDEM數(shù)據(jù)由激光測(cè)高系統(tǒng)(GLAS)從2003年2月至2005年6月前7個(gè)運(yùn)行階段采集的GLA06數(shù)據(jù)組成。ICESatDEM采用極方位立體投影，投影中心為南極點(diǎn)，投影橢球?yàn)門OPEX/Poseidon橢球，提供基于WGS-84橢球的大地高值和基于EGM96大地水準(zhǔn)面的正高值。

1.3.4Bamber 1 km DEM

2009年，文獻(xiàn)[14—15]結(jié)合ERS-1雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)和ICESat激光測(cè)高數(shù)據(jù)，制作了南極1km水平分辨率的DEM。Bamber1kmDEM覆蓋60°S—86°S區(qū)域內(nèi)的南極大陸，實(shí)際空間分辨率從1～5km不等。DEM數(shù)據(jù)由ERS-1雷達(dá)測(cè)高計(jì)從1994年3月至1995年5月的數(shù)據(jù)和ICESat激光雷達(dá)測(cè)高計(jì)從2003年2月至2008年3月的數(shù)據(jù)組成。Bamber1kmDEM采用極方位立體投影，投影中心為南極點(diǎn)，投影橢球?yàn)閃GS-84橢球，提供基于WGS-84橢球的大地高值。

2　數(shù)據(jù)處理

評(píng)價(jià)DEM精度主要采用野外測(cè)量獲取地面控制點(diǎn)、機(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)以及DEM對(duì)DEM等驗(yàn)證方式。野外測(cè)量獲取地面控制點(diǎn)的方式工作量大，很難獲取大范圍、大量的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在南極地區(qū)尤為明顯，而DEM對(duì)DEM的驗(yàn)證方式只能獲取DEM的相對(duì)精度[16]。冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載激光測(cè)高數(shù)據(jù)精度高，在西南極Thwaites冰川流域，實(shí)現(xiàn)了大面積的數(shù)據(jù)覆蓋。冰橋計(jì)劃2009年在西南極Thwaites冰川流域的數(shù)據(jù)采集航線如圖1所示紅線代表冰橋計(jì)劃數(shù)據(jù)采集航線，綠線代表ICESat衛(wèi)星軌跡，灰線代表Thwaites冰川海岸線，藍(lán)色點(diǎn)線輪廓代表數(shù)據(jù)篩選的區(qū)域。本文采用冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載激光測(cè)高數(shù)據(jù)對(duì)ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)和4種南極DEM的精度進(jìn)行驗(yàn)證，具體流程如圖2所示。

圖2　冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)對(duì)ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和4種DEM的精度驗(yàn)證流程Fig.2　The validation flow chart of IceBridge airborne altimetry data to ICESat satellite altimetry data and four Antarctic DEMs

2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

需要進(jìn)行的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作包括4種DEM統(tǒng)一到1km空間分辨率、確定Thwaites冰川范圍，統(tǒng)一高程基準(zhǔn)以及剔除海洋數(shù)據(jù)。結(jié)合美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心NSIDC的Thwaites冰川數(shù)據(jù)集與冰橋計(jì)劃2009年在Thwaites冰川的數(shù)據(jù)采集航線，數(shù)據(jù)篩選區(qū)域被定為104.28°W—110.06°W，74.05°S—76.65°S，如圖1。幾種數(shù)據(jù)的高程基準(zhǔn)并不相同，使用前需對(duì)其統(tǒng)一。ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)高程基準(zhǔn)為T/P橢球，使用經(jīng)驗(yàn)公式可將其轉(zhuǎn)換至WGS-84 橢球[17]。JLB97DEM中內(nèi)置了OSU91A大地水準(zhǔn)面和WGS-84 橢球的大地水準(zhǔn)面差距，將DEM中的正高值加上該點(diǎn)處的大地水準(zhǔn)面差距，就可以得到該點(diǎn)處WGS-84 橢球下的大地高。本文評(píng)價(jià)的是Thwaites冰川冰蓋區(qū)域ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和4種DEM的精度，利用ADDVersion6.0的海岸線數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)篩選區(qū)域內(nèi)的海洋數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載激光測(cè)高數(shù)據(jù)點(diǎn)為350 844個(gè)。

ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高系統(tǒng)(GLAS)的腳點(diǎn)半徑約為35m，本文以40m為閾值，當(dāng)ICESat衛(wèi)星激光腳點(diǎn)與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載激光腳點(diǎn)距離小于40m時(shí)，則將兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)視為同一位置進(jìn)行比較，獲取同一位置的測(cè)高數(shù)據(jù)點(diǎn)為4303個(gè)。使用ArcGIS軟件，在4種DEM中提取冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載激光腳點(diǎn)上的高程值，在4種DEM中提取的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)均為350 844個(gè)。將ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)點(diǎn)、4種DEM中提取的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)與同一位置的冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載激光測(cè)高數(shù)據(jù)點(diǎn)分別相減，剔除偏離均值超過2倍標(biāo)準(zhǔn)差的粗差，作統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。

表1　冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、4種DEM數(shù)據(jù)求差統(tǒng)計(jì)

2.2與ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)比較

經(jīng)過粗差剔除，兩個(gè)測(cè)高系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差為1.18m，ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)點(diǎn)比冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)點(diǎn)高了44cm。圖3為兩個(gè)測(cè)高系統(tǒng)高程數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖與高程差空間分布，從圖中可發(fā)現(xiàn)，散點(diǎn)集中分布在直線y=x附近，在兩側(cè)幾乎無(wú)分布。R2等于0.999 9也說明回歸直線y=x對(duì)散點(diǎn)值的擬合程度極好。ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)吻合得很好，高程差幾乎都在0左右。這是由于ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高系統(tǒng)(GLAS)與冰橋計(jì)劃激光雷達(dá)(ATM)均由美國(guó)航空航天局研發(fā)而成，均屬于激光雷達(dá)傳感器，高程測(cè)量原理較為相似。

2.3與4種南極DEM比較

RAMPv2DEM中存在較多粗差數(shù)據(jù)，其粗差剔除率為5.7%，相比較來說，JLB97DEM和ICESatDEM的粗差剔除率較低，而Bamber1kmDEM中粗差數(shù)據(jù)最少，其粗差剔除率為0.9%。經(jīng)過粗差剔除，顯示冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與Bamber1kmDEM、ICESatDEM、RAMPv2DEM以及JLB97DEM的標(biāo)準(zhǔn)差分別為22.0m、14.7m、63.8m和31.5m。圖4為冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與4種DEM的高程差空間分布及散點(diǎn)圖，從圖中可發(fā)現(xiàn)，Bamber1kmDEM和ICESatDEM的散點(diǎn)集中分布在直線y=x附近，在兩側(cè)僅少量分布，R2分別等于0.996 4、0.998 2，可以看出，Bamber1kmDEM和ICESatDEM的高程值與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)吻合得較好，精度較高，這是由于這兩個(gè)DEM都使用了ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)。而Bamber1kmDEM中包含有精度相對(duì)較低的ERS-1雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)，使得Bamber1kmDEM的精度稍低。RAMPv2DEM的散點(diǎn)集中在直線y=x右側(cè)以正偏差為主，JLB97DEM的散點(diǎn)集中在直線y=x左側(cè)以負(fù)偏差為主，R2分別等于0.963 7、0.956 9，可以看出，RAMPv2DEM和JLB97DEM與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)吻合得較差，精度較低，在沿海區(qū)域存在大量異常值，這是由于RAMPv2DEM在Thwaites冰川流域使用的是采集年代(1940s—1990s)較為久遠(yuǎn)的ADD地圖數(shù)據(jù)和ERS-1雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)。JLB97DEM只使用了精度較低的ERS-1雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)。

圖3　冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖及高程差空間分布Fig.3　Scatter diagram of IceBridge airborne altimetry data and ICESat airborne altimetry data with spatial patterns of elevation differences

3　分析與討論

關(guān)于冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、4種DEM之間的偏差，分析原因，有以下兩個(gè)方面：①衛(wèi)星測(cè)高系統(tǒng)較大的腳點(diǎn)半徑導(dǎo)致了在坡度較大區(qū)域的偏差；②冰雪表面在觀測(cè)期間發(fā)生了變化。

圖4　冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM和JLB97 DEM高程差空間分布及散點(diǎn)圖Fig.4　Spatial patterns of elevation differences of IceBridge airborne altimetry data and four Antarctic DEMs—Bamber 1 km DEM, ICESat DEM, RAMPv2 DEM and JLB97 DEM with scatter diagram

3.1表面坡度的影響

為了檢驗(yàn)ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和4種DEM的高程精度與坡度之間的關(guān)系，本文參考表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以ICESatDEM的坡度為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)了冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、4種DEM的高程差。在0°～1°范圍內(nèi)，以0.1°為間隔，冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、4種DEM平均高程差和標(biāo)準(zhǔn)差隨坡度變化的趨勢(shì)如圖5所示。

圖5　冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、4種DEM平均高程差和標(biāo)準(zhǔn)差按坡度統(tǒng)計(jì)Fig.5　Mean elevation difference and standard deviation for IceBridge airborne altimetry data and ICESat satellite altimetry data, four Antarctic DEMs as a function of surface slope

整體來看，除了RAMPv2DEM的平均高程差隨坡度的增大而增大，ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)與其余3種DEM的平均高程差并不隨坡度值的變化而變化。這可能是因?yàn)镽AMPv2DEM在Thwaites冰川坡度較大的區(qū)域，使用的是采集年代較為久遠(yuǎn)的ADD地圖數(shù)據(jù)[8]。而標(biāo)準(zhǔn)差隨坡度的增大而增大。這可能是因?yàn)樾l(wèi)星測(cè)高激光腳點(diǎn)位置在陡峭區(qū)域存在偏差，使得生成的DEM在陡峭區(qū)域的高程與真值不符。有一種解釋是Thwaites冰川地勢(shì)陡峭區(qū)域的冰雪流速較快[18]，因此易受冰雪消融影響[19]。

當(dāng)坡度小于0.2°時(shí)，冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與Bamber1kmDEM、ICESatDEM和JLB97DEM高程差的標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明這3種DEM在坡度較小的區(qū)域，與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)吻合得較好，精度較高。隨著坡度逐漸上升，ICESatDEM高程差的標(biāo)準(zhǔn)差緩慢增大，而Bamber1kmDEM和JLB97DEM高程差的標(biāo)準(zhǔn)差增大得較快。這可能是因?yàn)镋RS-1衛(wèi)星相比ICESat衛(wèi)星激光腳點(diǎn)半徑較大，導(dǎo)致使用了ERS-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的JLB97DEM和Bamber1kmDEM相比只使用了ICESat衛(wèi)星數(shù)據(jù)的ICESatDEM增大得更快。圖5中高程差的標(biāo)準(zhǔn)差隨坡度變化最快的是RAMPv2DEM，這是因?yàn)镽AMPv2DEM在Thwaites冰川坡度較小的區(qū)域，采用的是ERS-1雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)，在坡度較大區(qū)域，使用的是采集年代較為久遠(yuǎn)的ADD地圖數(shù)據(jù)。

3.2高程變化

基于近年來的冰雪表面高程變化研究，Thwaites冰川流域處于持續(xù)快速消融狀態(tài)[6,20-21]，因此冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、4種DEM的高程差與冰川高程變化也有關(guān)。ERS-1衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)的采集年份存在15年左右的間隔，兩次數(shù)據(jù)采集之間應(yīng)該存在明顯的冰雪消融。如表1所示，JLB97DEM只使用了ERS-1衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)，相比冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)，顯示在Thwaites冰川流域存在幾十米的表面高程變化。RAMPv2DEM在Thwaites冰川流域使用了采集年代(1940s—1990s)更為久遠(yuǎn)的ADD地圖數(shù)據(jù)，顯示在Thwaites冰川流域存在更大的表面高程變化。

明顯的冰雪消融引起的偏差在冰雪流速較快的區(qū)域更加明顯，而Thwaites冰川地勢(shì)陡峭區(qū)域的冰雪流速較快[19]，因此從本質(zhì)上其與坡度引起的偏差是一致的。ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)的采集年份比較接近，因此冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)與ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、ICESatDEM的偏差較小。而既使用了ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)，又使用了ERS-1衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)的Bamber1kmDEM與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)的偏差相比ICESatDEM的偏差大一些。本文研究的結(jié)果與之前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)南極冰蓋DEM精度評(píng)價(jià)的結(jié)果[16,19]以及西南極Thwaites冰川表面高程變化的結(jié)論[5,20-21]基本一致。

4　結(jié)　論

利用冰橋計(jì)劃在西南極Thwaites冰川的機(jī)載激光測(cè)高數(shù)據(jù)，對(duì)ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和目前國(guó)際常用的4種南極DEM，包括Bamber1kmDEM、ICESatDEM、RAMPv2DEM和JLB97DEM的精度進(jìn)行了比較和分析。結(jié)果表明，只使用了較高精度激光測(cè)高數(shù)據(jù)的ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)和ICESatDEM有著較高的高程可靠性，其與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)的平均高程差小于5m，標(biāo)準(zhǔn)差小于15m。Bamber1kmDEM既使用了ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)，又使用了地勢(shì)陡峭區(qū)域精度較低的ERS-1衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)，高程可靠性相比ICESatDEM數(shù)據(jù)低一些。僅使用了ERS-1衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)的JLB97DEM和冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)之間的標(biāo)準(zhǔn)差超過30m，在坡度較大的區(qū)域，高程可靠性低。RAMPv2DEM在Thwaites冰川流域使用的是ERS-1雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)和采集年代久遠(yuǎn)的ADD地圖數(shù)據(jù)，與冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差超過60m，高程可靠性低。基于比較結(jié)果，也說明西南極Thwaites冰川流域表面高程處于快速變化狀態(tài)。未來結(jié)合多期的ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)和冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)，可以研究Thwaites冰川表面高程的變化。

致謝：感謝美國(guó)國(guó)家雪冰數(shù)據(jù)中心(NSIDC)提供的數(shù)據(jù)。

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(責(zé)任編輯：宋啟凡)

收稿日期： 2015-06-01

修回日期： 2016-03-01

第一作者簡(jiǎn)介： 黃科偉(1991—)，男，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)載測(cè)高。

Firstauthor：HUANGKewei(1991—),male,master,majorsinairbornealtimetry.

E-mail：kwhuang@whu.edu.cn

Correspondingauthor：LIFei

E-mail：fli@whu.edu.cn

LIUMin(1980—),male,PhDcandidate,majorsinmarinegravityfieldtheoryandapplications.

ValidationandAnalysisoftheAntarcticDigitalElevationModelsBasedonAirborneAltimetry——ACaseStudyofThwaitesGlacier,WestAntarctica

HUANGKewei1,2，LIFei1,2,3，ZHANGShengkai1,2，HAOWeifeng1,2，XIAOFeng1,2，YUANLexian1,2

1.ChineseAntarcticCenterofSurveyingandMapping,WuhanUniversity,Wuhan430079,China; 2.KeyLaboratoryofPolarSurveyingandMapping,NationalAdministrationofSurveying,MappingandGeoinformationofChina,Wuhan430079,China；3.CollaborativeInnovationCenterforTerritorialSovereigntyandMaritimeRights，Wuhan430079,China

BasedontheIceBridgeairbornealtimetrydatacollectedoverThwaitesGlacier,WestAntarctica,theaccuracyofICESatsatellitealtimetrydataandfourwidelyusedDEMsofAntarctica,i.e.,JLB97DEM,RAMPv2DEM,ICESatDEMandBamber1kmDEMwerevalidatedandanalyzed.TheresultsshowthatbothofICESatsatellitealtimetrydataandICESatDEMfeaturehighreliability,withabiaslessthan5mandastandarddeviationlessthan15m.ThereliabilityofBamber1kmDEMisabitlowerthanthatofICESatsatellitealtimetrydataandICESatDEM.ThestandarddeviationsofJLB97DEMandRAMPv2DEMcomparingwithIceBridgeairbornealtimetrydataarelargerthan30m,andthereliabilitiesforJLB97DEMandRAMPv2DEMarelowespeciallyintheslopedareas.

Antarctica;Thwaitesglacier;IceBridgeMission;airbornealtimetry;DEM

2015-09-28

2016-03-01

劉敏(1980—)，男，博士生，研究方向?yàn)楹Ｑ笾亓?chǎng)測(cè)定理論方法及應(yīng)用。

E-mail：Ouyangyz@sohu.com

HUANGKewei，LIFei，ZHANGShengkai,etal.ValidationandAnalysisoftheAntarcticDigitalElevationModelsBasedonAirborneAltimetry——ACaseStudyofThwaitesGlacier,WestAntarctica[J].ActaGeodaeticaetCartographicaSinica,2016,45(5):544-551.DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150290.

P224

A

1001-1595(2016)05-0544-08

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41531069)；國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃(2012CB957701；2013CBA01804)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41176173)；南北極環(huán)境綜合考察及資源潛力評(píng)估項(xiàng)目(CHINARE2016)

李斐

引文格式：黃科偉，李斐，張勝凱,等.南極冰蓋DEM機(jī)載測(cè)高驗(yàn)證與分析——以西南極Thwaites冰川為例[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(5)：544-551.DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150290.