利用Sentinel-1A/1B雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)南極接地線回退狀況

徐志達(dá)，王志勇,2，譚建偉

(1. 山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590; 2. 山東科技大學(xué)測(cè)繪工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,山東 青島 266590)

接地線是冰流從陸地流向海洋成為海洋漂浮冰架與陸地固定冰架之間的分界線[1]。南極接地線位置的準(zhǔn)確確定對(duì)南極物質(zhì)平衡、冰川動(dòng)力學(xué)、冰下環(huán)境、全球變暖等研究具有重要意義[1-2]。同時(shí)，接地線的精確位置也是海平面變化的重要指示參數(shù)，接地線的位置對(duì)海平面的變化十分敏感，會(huì)隨著海平面的變化而變化，因而對(duì)南極接地線的精確位置進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)與更新具有重要意義。

由于南極地區(qū)氣候環(huán)境惡劣且接地區(qū)域通常覆蓋有數(shù)十米厚的冰層，因而傳統(tǒng)的測(cè)量方法難以進(jìn)行接地線的精確提取[3]。目前，確定接地線的方法主要有：流體靜力平衡分析、光學(xué)影像坡度特征點(diǎn)提取、衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的軌道重復(fù)分析和雷達(dá)差分干涉測(cè)量等方法[1-6]。文獻(xiàn)[1]利用多源SAR影像數(shù)據(jù)基于DInSAR(differential interferometry SAR)和DDInSAR(double differential interferometry SAR)方法提取南極接地線并發(fā)布了MEa-SUREs接地線產(chǎn)品；文獻(xiàn)[5]利用MODIS影像基于表面坡度特征點(diǎn)提取接地線并發(fā)布了MOA(mosaic of antarctic)接地線產(chǎn)品；文獻(xiàn)[6]利用Cryosat-2測(cè)高數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)并提取了接地線；文獻(xiàn)[7]利用差分干涉測(cè)量技術(shù)對(duì)南極的Totten冰架接地線在1996—2013年間的變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，表明接地線在該區(qū)域17年間回退了1～3 km；文獻(xiàn)[8]利用COSMO-SkyMed星座數(shù)據(jù)對(duì)西南極的Pine島冰川進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[9]利用COSMO-SkyMed星座數(shù)據(jù)基于雙差干涉測(cè)量方法對(duì)南極冰川流速和接地線進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[10]利用Sentinel-1A數(shù)據(jù)對(duì)西南極的Pope、Smith和Kohler冰川接地線在2011—2014年間的回退情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。但國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少，文獻(xiàn)[3]利用ERS數(shù)據(jù)對(duì)Jalbart冰架接地線進(jìn)行了提取，并未有對(duì)接地線的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的研究。同時(shí)，已有研究中其研究區(qū)域多集中在冰流速較大的西南極區(qū)域，而針對(duì)東、西南極接地線進(jìn)行對(duì)比動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析則較少。

針對(duì)南極接地線的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與更新，利用Sentinel-1A/1B雷達(dá)衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)組成的干涉對(duì)，基于雙差干涉測(cè)量技術(shù)，分別對(duì)東南極毛德皇后地沿岸冰架與西南極阿蒙森灣西側(cè)的Dotson冰架進(jìn)行雙差干涉測(cè)量；將接地線提取結(jié)果與毛德皇后地沿岸利用2000年的RadarSat-1數(shù)據(jù)和Dotson冰架利用1996年ERS數(shù)據(jù)所提取的MEa-SUREs(making earth system data records for use in rensarch environment)接地線產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，分別利用間隔6 d或12 d Sentinel-1A/1B雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基于DDInSAR方法對(duì)南極接地線進(jìn)行提取與更新，并監(jiān)測(cè)Dotson冰架接地線回退具體情況。

1 DDInSAR提取接地線原理

冰流從大陸固定冰蓋流向海洋，達(dá)到流體靜力平衡成為海洋漂浮冰架，海洋漂浮冰架與大陸固定冰蓋之間的區(qū)域?yàn)榻拥貐^(qū)域[3]。如圖1所示，其中F點(diǎn)為接地區(qū)域能夠影響到陸地冰蓋的最遠(yuǎn)點(diǎn)，G點(diǎn)為接地線點(diǎn)，J點(diǎn)為表面坡度陡變點(diǎn)，H點(diǎn)為達(dá)到流體靜力平衡點(diǎn)。由于海洋潮汐作用的影響，海洋漂浮冰架會(huì)隨潮汐運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，從而會(huì)產(chǎn)生沿雷達(dá)視線方向的形變，因而根據(jù)差分干涉測(cè)量原理會(huì)在接地區(qū)域產(chǎn)生密集干涉條紋，通過(guò)追蹤密集條紋中靠近陸地一側(cè)分界線可提取接地線。

根據(jù)雷達(dá)差分干涉測(cè)量原理，在不考慮大氣和系統(tǒng)噪聲的影響時(shí)，重復(fù)軌道雷達(dá)干涉測(cè)量的相位可表示為[11]

(1)

式中，φr、φt、φd分別為參考相位、地形相位和形變相位；λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；R為從雷達(dá)天線到地面目標(biāo)點(diǎn)之間的距離；θ為雷達(dá)視角；h為地形高程；Δr為重復(fù)軌道觀測(cè)期間所發(fā)生的形變量。利用三景單視復(fù)影像(SLC)可構(gòu)建兩組時(shí)間基線相同的兩個(gè)干涉對(duì)(SSI)，通過(guò)引入外部數(shù)字高程模型DEM去除地形相位的影響，得到兩個(gè)差分干涉圖(DSI)，在DSI中僅包含由冰流和潮汐運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的形變相位[3]。因而，利用相同時(shí)間間隔的兩景SLC數(shù)據(jù)，且均以獲取時(shí)間在前的影像為主影像所形成的差分干涉圖可以認(rèn)為其由冰流所引起的冰流相位相同。因此，將所得到的兩景差分干涉圖再進(jìn)行相位差分處理，去除冰流相位的影響，得到雙差干涉圖(DDSI)，其相位可表示為

φdouble=φd1-φd2

(2)

式中，φd1為時(shí)間間隔在前的DSI-1形變相位；φd2為時(shí)間間隔在后的DSI-2形變相位。在接地區(qū)域，經(jīng)雙差干涉后的干涉圖中僅包含由潮汐運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的形變相位，因而會(huì)在接地區(qū)域形成密集干涉條紋。因此，通過(guò)追蹤DDSI中密集干涉條紋中靠近陸地一側(cè)的分界線，即可提取接地線。

2 試驗(yàn)區(qū)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分別選取冰流速相對(duì)較小、接地區(qū)域較穩(wěn)定和冰流速大、接地區(qū)域變化大等兩種典型區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分析在不同冰流速下接地線回退狀況，并驗(yàn)證采用雙差干涉測(cè)量對(duì)冰架動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與更新在南極絕大部分區(qū)域的可行性。分別選取了東南極毛德皇后地沿岸冰架和西南極阿蒙森灣西側(cè)的Dstson冰架進(jìn)行接地線提取及回退狀況監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)如圖2所示，其中，圖2(a)為毛德皇后地沿岸冰架區(qū)域，圖2(b)為阿蒙森灣西側(cè)Dstson冰架區(qū)域。在毛德皇后地沿岸冰川流速相對(duì)較小，冰流排泄量較小，接地線相對(duì)穩(wěn)定[12]。在阿蒙森灣東側(cè)的Pine島冰川、Thwaites冰川等區(qū)域，冰流速快，冰流排泄量大，接地線變化較大。在1992—2011年間，Pine島冰川的接地線中心區(qū)域回退了31 km，Thwaites冰川接地線中心區(qū)域回退了14 km[13]。在阿蒙森灣西側(cè)的Dstson冰架區(qū)域，其排泄的冰流量占整個(gè)阿蒙森灣冰排泄量的23%，因而對(duì)其進(jìn)行接地線更新和回退監(jiān)測(cè)具有重要意義[10]。

由于南極冰流速的影響，為保證干涉對(duì)的相干性，所選雷達(dá)數(shù)據(jù)的重復(fù)周期應(yīng)較短，同時(shí)為保證能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)接地線的連續(xù)監(jiān)測(cè)與更新，應(yīng)選取當(dāng)前在軌運(yùn)行且易獲取的數(shù)據(jù)。因此，本文選用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星為歐洲空間局(ESA)哥白尼計(jì)劃中的地球觀測(cè)衛(wèi)星，由Sentinel-1A/1B兩顆衛(wèi)星組成，搭載C波段合成孔徑雷達(dá)，可全天時(shí)、全天候地對(duì)地觀測(cè)[14]。其中，Sentinel-1A的重復(fù)周期為12 d，而由Sentinel-1A/1B星座獲取數(shù)據(jù)的重復(fù)周期可縮短為6 d。在毛德皇后地沿岸冰架其冰流速較慢，因此選用時(shí)間基線為12 d的Sentinel-1A數(shù)據(jù)。在Dstson冰架區(qū)域，其冰流速快時(shí)間基線為12 d的Sentinel-1A數(shù)據(jù)會(huì)造成嚴(yán)重的失相干，無(wú)法形成干涉圖，因此在該區(qū)域選用時(shí)間基線為6 d的Sentinel-1A/1B雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用外部DEM為美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)所發(fā)布的由Bamber等制作的分辨率為1 km的DEM數(shù)據(jù)[15]，其精度可達(dá)10 cm，在地形起伏較大區(qū)域也可達(dá)幾米[16]。

表1 試驗(yàn)SAR影像數(shù)據(jù)信息

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

將獲得的SAR影像數(shù)據(jù)按照相同時(shí)間基線以前時(shí)相獲取影像為主影像組成干涉對(duì)，對(duì)兩景影像進(jìn)行配準(zhǔn)形成干涉圖，干涉對(duì)信息見(jiàn)表2。對(duì)生成的干涉圖利用Goldstein方法進(jìn)行濾波并去除平地相位，在此基礎(chǔ)上引入外部DEM模擬干涉相位與生成的干涉圖進(jìn)行差分以去除地形相位，選用相同解纏方法和解纏起點(diǎn)進(jìn)行相位解纏并重去平后得到差分干涉影像DSI。試驗(yàn)所用解纏方法為最小費(fèi)用流方法，最小相干性閾值為0.2。圖3為毛德皇后地沿岸冰架經(jīng)地理編碼后的差分干涉圖，由于該干涉圖中的形變相位中受冰流相位的影響，因而在接地區(qū)域并無(wú)明顯的密集條紋能用于追蹤提取接地線。

區(qū)域干涉對(duì)時(shí)間基線/d垂直基線/m毛德皇后地沿岸冰架20170818—2017083012820170830—20170911128Dotson冰架20180424—2018043068320180430—20180506660

為了去除冰流相位的影響，將所得到的時(shí)間基線相同且均以前時(shí)相為主影像的兩景差分干涉影像DSI-1和DSI-2利用交叉相關(guān)方法進(jìn)行配準(zhǔn)，將配準(zhǔn)后的差分干涉影像進(jìn)行相位差分并將結(jié)果進(jìn)行地理編碼。在雙差干涉圖中接地區(qū)域存在明顯密集干涉條紋，通過(guò)手繪追蹤密集條紋靠近陸地一側(cè)分界線進(jìn)行提取接地線。結(jié)果如圖4所示，圖中灰色曲線為DDInSAR提取結(jié)果，黑色曲線是利用2000年的Radarsat-1數(shù)據(jù)提取的MEa-SUREs接地線產(chǎn)品，其產(chǎn)品精度達(dá)100 m，為當(dāng)前精度最高的接地線產(chǎn)品[1]。將提取結(jié)果與MEa-SUREs產(chǎn)品進(jìn)行垂直距離統(tǒng)計(jì)分析，垂直統(tǒng)計(jì)圖如圖5所示，其距離平均值為260 m，標(biāo)準(zhǔn)差為220 m，表明利用Sentinel-1數(shù)據(jù)的DDInSAR方法能夠用于南極接地線的提取與更新。同時(shí)MEa-SUREs產(chǎn)品在該區(qū)域所用數(shù)據(jù)為2000年的Radersat-1數(shù)據(jù)，表明在2000—2017年的17年間該區(qū)域接地線比較穩(wěn)定，無(wú)明顯大區(qū)域回退現(xiàn)象，說(shuō)明在冰流速較小、冰排泄量小的區(qū)域，接地線較為穩(wěn)定，無(wú)明顯回退變化現(xiàn)象。

針對(duì)Dotson冰架冰流速較快，時(shí)間基線為12 d的干涉數(shù)據(jù)會(huì)造成嚴(yán)重失相干現(xiàn)象，選用重復(fù)周期為6 d的Sentinel-1A/1B數(shù)據(jù)組成干涉對(duì)進(jìn)行DDInSAR接地線提取試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。在圖6(a)中，因時(shí)間基線6 d的雷達(dá)數(shù)據(jù)能夠在一定區(qū)域保持足夠的相干性，進(jìn)而形成干涉提取接地線?；疑€就是利用2018年的Sentinel-1A/1B數(shù)據(jù)所提取到的該區(qū)域的接地線，黑色曲線為已有的MEa-SUREs接地線產(chǎn)品，是利用1996年的ERS數(shù)據(jù)提取的，其中圖6(a)中的黑色矩形放大圖如圖6(b)所示。在圖6(b)中的A、B、C、D等區(qū)域可看到明顯的回退現(xiàn)象，其中，A區(qū)域平均回退距離約2500 m，最大回退距離為4500 m；C區(qū)域接地線平均回退約4000 m，最大回退距離7400 m，且接地線回退形成兩個(gè)小島；而在B、D區(qū)域，1996年MEa-SUREs接地線中存在的兩個(gè)小島在2018年的雙差干涉圖DDSI中，均無(wú)密集干涉條紋產(chǎn)生，說(shuō)明接地線回退導(dǎo)致這兩個(gè)小島的消失。

結(jié)果表明，在毛德皇后地沿岸冰架，由于冰層厚度大、受氣候影響較小的原因，其年平均冰流速較小，因而其冰流排泄量較小，冰架相對(duì)穩(wěn)定[12]。而在Dotson冰架區(qū)域，由于該區(qū)域冰床海拔較低且在1996—2018年的22年間，沿岸年平均流速高達(dá)數(shù)百米/年，其中Kohler、Smith等主要冰流經(jīng)該區(qū)域排出其排泄的冰流量占整個(gè)阿蒙森灣冰排泄量的23%[10]，冰流排泄量大，導(dǎo)致冰層變薄、接地線回退現(xiàn)象嚴(yán)重。同時(shí)，也表明了利用Sentinel-1A/1B雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和DDInSAR方法能夠?qū)Ρ魉佥^大、接地線變化不穩(wěn)定的區(qū)域進(jìn)行接地線的提取及監(jiān)測(cè)，這對(duì)南極接地線的提取及實(shí)時(shí)更新具有非常重要的意義。

4 結(jié) 論

本文利用Sentinel-1A/1B雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基于DDInSAR方法分別在冰流速相對(duì)較小、接地線較穩(wěn)定的毛德皇后地沿岸冰架和冰流速較大、冰流排泄量大的阿蒙森灣西側(cè)的Dotson冰架進(jìn)行接地線提取試驗(yàn)。在毛德皇后地沿岸冰架，利用2017年的間隔12 d的3景Sentinel-1A提取結(jié)果與采用2000年Radersat-1數(shù)據(jù)獲取的MEa-SUREs接地線產(chǎn)品基本一致，表明該區(qū)域接地線比較穩(wěn)定，同時(shí)也證明了利用Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的DDInSAR方法提取南極接地線的可行性。在Dotson冰架，利用2018年間隔6 d的3景Sentinel-1A/1B雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取結(jié)果與采用1996年ERS數(shù)據(jù)獲取的MEa-SUREs接地線產(chǎn)品相比，表明在該區(qū)域因冰流排泄量大導(dǎo)致接地線回退現(xiàn)象嚴(yán)重。

由于Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星當(dāng)前正在軌運(yùn)行且免費(fèi)向全球用戶開(kāi)放，因此，利用Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)采用DDInSAR方法進(jìn)行接地線提取能夠?qū)崿F(xiàn)南極接地線的更新與持續(xù)監(jiān)測(cè)，特別是可以在接地線回退較嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行接地線回退的準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與接地線產(chǎn)品的及時(shí)更新，這對(duì)監(jiān)測(cè)因全球氣候變化而導(dǎo)致南極冰架的變化具有重要意義[17]。

雖然利用Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的DDInSAR方法能夠?qū)Υ蟛糠帜蠘O區(qū)域的接地線進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，但對(duì)某些冰流速特別大的區(qū)域6 d的時(shí)間基線仍可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的失相干而無(wú)法提取接地線。因此，后期可采用重復(fù)周期更短的COSMO-SkyMed星座數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)或聯(lián)合其他多源SAR數(shù)據(jù)對(duì)南極接地線進(jìn)行提取與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

致謝：感謝歐洲空間局(ESA)提供的實(shí)驗(yàn)區(qū)Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，感謝美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)提供的DEM數(shù)據(jù)和南極MEa-SUREs接地線產(chǎn)品。