基于寬幅SAR的格陵蘭島冰蓋凍融強度提取方法研究

趙夢雪 傅文學 孫燕武,3 李新武

(1 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院,數(shù)字地球重點實驗室,北京 100094;2 山東科技大學,測繪科學與工程學院,山東 青島 266590;3 安徽理工大學,測繪學院,安徽 淮南 232000)

提要 極地冰蓋凍融強度信息在理解冰蓋穩(wěn)定性及其對氣候變化響應(yīng)中具有重要意義。利用格陵蘭島2016年Sentinel-1A 干涉寬幅雙極化SAR數(shù)據(jù)(HH+HV),結(jié)合同時相自動氣象站點溫度和MODIS溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù),研究了HH、HV極化幅度值及HH/HV 比值與凍融強度的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明凍融強度與HH、HV極化幅度值呈負相關(guān)關(guān)系,而與HH/HV值呈正相關(guān)關(guān)系,且與HH/HV值的相關(guān)性更好,R2值約0.610?；贛ODIS溫度產(chǎn)品建立了冰蓋凍融強度劃分的5個HH/HV區(qū)間閾值,最后通過MODIS溫度產(chǎn)品的結(jié)果驗證表明,利用HH/HV值的凍融強度提取精度為86.8%。

0 引言

極地作為全球變化的敏感區(qū)域越來越受到關(guān)注,極地冰蓋厚度和凍融范圍的改變能夠反映全球氣候變化的整體情況[1]。極地冰蓋記錄的氣候信息有著數(shù)據(jù)量大、時間連續(xù)性好、保真性好等優(yōu)勢[2],使得對極地冰蓋凍融的監(jiān)測成為一項具有重大意義的研究。

傳統(tǒng)的實地觀測結(jié)果可靠性很強,但是由于極地地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣、氣候變化突然,實地觀測的安全性和可操作性無法得到有效保障[3]。隨著光學遙感的發(fā)展,光學影像應(yīng)用于極地冰蓋凍融變化的監(jiān)測得到大量研究,然而由于極地地區(qū)太陽高度角低,且氣象條件惡劣,多數(shù)時間無法獲取理想的光學影像。合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)由于其全天時、全天候成像能力以及能部分穿透地物的特點,在極地冰蓋凍融研究中具有獨特的優(yōu)勢,基于多時相、多極化、多波段及多模式SAR數(shù)據(jù),在冰蓋凍融研究中已有了大量的工作[4-5]。Nagler和Rott[6]發(fā)展了利用多時相SAR影像的冰雪凍融分類方法;Shi和Dozier[7]利用多極化C波段SAR數(shù)據(jù)并結(jié)合地形信息得到了精度為74%的積雪覆蓋圖;Strozzi 等[8]使用干涉SAR數(shù)據(jù)的后向散射強度信息進行相干性分析,并開展了濕雪區(qū)域的制圖,發(fā)現(xiàn)基于后向散射值能夠?qū)鐾良右詤^(qū)分;李震等[9]利用天山地區(qū)基于美航天飛機成像雷達(SIR-C)的C波段多極化數(shù)據(jù)進行冰雪凍融面積提取工作,得到的提取結(jié)果與TM 數(shù)據(jù)提取結(jié)果相比,一致區(qū)域高達87%～94%。但目前已有的研究多集中在對凍融分布的探測上,而對凍融強度的研究甚少。凍融強度能提供更豐富的冰蓋狀態(tài)信息,對氣候的響應(yīng)更敏感。本文利用寬幅SAR影像及實測數(shù)據(jù)分析了HH和HV單極化幅度值及HH/HV的比值與冰蓋凍融強度變化的相關(guān)性關(guān)系,提出了基于多極化寬幅SAR影像的極地冰蓋凍融強度信息提取方法。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

格陵蘭島是世界第一大島,總面積約218萬km2,是地球上僅次于南極洲的第二個“寒極”。年均溫度低于零度,冬季1月份平均溫度南部為–6℃,北部為–35℃;夏季7月份最北部平均氣溫為3.6℃;中部地區(qū)的最冷月平均溫度為–47℃。年均降水量從南部約1 900 mm 遞減到北部約50 mm[10-11]。

格陵蘭島也是北半球最大的陸地冰原,冰蓋面積達181萬km2,占全島總面積的83.7%。格陵蘭冰蓋中部最厚達3 411 m,平均厚度約1 500 m[12-13]。格陵蘭島冰蓋的物質(zhì)平衡和冰量變化在全球平衡中起著重要作用,其表面冰層融化會導致海平面大幅上升,因此格陵蘭島凍融狀態(tài)是反映全球氣候系統(tǒng)的重要指針,反映著全球熱量平衡情況?；跉夂虮O(jiān)測和實際研究的需要,科學家們已在格陵蘭島布設(shè)若干氣象站,收集了自1999年起包括氣溫、空氣濕度、風速、壓強、雪深等信息。

1.2 研究數(shù)據(jù)

研究中使用的星載SAR數(shù)據(jù)為Sentinel-1A干涉寬幅(IW)模式雙極化數(shù)據(jù)(HH+HV),該模式數(shù)據(jù)采用遞進的地形掃描方式(Terrain Observation with Progressive ScanSAR,TOPSAR)成像,空間分辨率為5 m× 20 m,幅寬為250 km,數(shù)據(jù)覆蓋位置如圖1所示,位于格陵蘭島南部。

IW 模式數(shù)據(jù)覆蓋面積較大,中等分辨率,適合研究大區(qū)域大尺度極地冰蓋凍融現(xiàn)象,同時雙極化模式可以進行多極化組合計算,提供更豐富的觀測信息。由于缺乏實地獲取的凍融強度狀態(tài)數(shù)據(jù),已有的研究表明溫度數(shù)據(jù)可以較好地體現(xiàn)凍融強度信息[14],因此本文也采用本地溫度的高低來表征凍融狀態(tài):溫度越高,冰蓋融化越強。研究中采用的溫度值包括 SAR 覆蓋區(qū)域內(nèi)的NASA-SE站點(66°28′47″N,42°30′00″W,見圖1)處近地面溫度數(shù)據(jù)和MODIS溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)。NASA-SE站點每小時獲取一次溫度數(shù)據(jù)。該站點數(shù)據(jù)獲取較為完整,且站點溫度隨時間有較大的梯度變化,適合用來進行冰蓋凍融強度的分析。同時,考慮到冰蓋凍結(jié)或融化是一種持續(xù)性變化,瞬時狀態(tài)會受到前幾小時溫度的影響,因此采用了研究瞬時點前5小時及10小時跨度的站點溫度值進行平均。MODIS溫度選用研究當天的溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)品,空間分辨率為1 km。

圖1 Sentinel-1 寬幅SAR數(shù)據(jù)在格陵蘭島的區(qū)域范圍及NASA-SE站點位置Fig.1.Edge match region of Sentinel-1A IW SAR data and the location of NASA-SE in Greenland

2 多極化SAR與冰蓋凍融強度變化關(guān)系分析

SAR 后向散射與冰蓋表面的含水狀態(tài),即凍融強度有著密切的關(guān)系,因此分析不同極化SAR與冰蓋凍融強度之間的關(guān)系可為凍融強度信息提取提供理論基礎(chǔ)。本研究利用Sentinel-1A SAR 多極化SAR數(shù)據(jù),結(jié)合站點溫度和MODIS溫度產(chǎn)品,分析了HH、HV極化及HH/HV值與凍融強度變化的相關(guān)性,并在此基礎(chǔ)上提出了凍融強度提取的理論方法。

2.1 基于站點溫度的多極化SAR與冰蓋凍融強度變化關(guān)系分析

為獲取不同凍融狀態(tài)下的多極化SAR數(shù)據(jù)及相應(yīng)的梯度溫度值,獲取了2016年4—10月間研究區(qū)內(nèi)的Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù),并收集了NASA-SE站點的溫度數(shù)據(jù)。其中,SAR數(shù)據(jù)獲取時間為中午12點左右,該時段溫度較高,有利于研究冰蓋凍融的變化;考慮到冰蓋凍融狀態(tài)對溫度變化有一定的響應(yīng)時間區(qū)間,選取SAR數(shù)據(jù)獲取前5小時的NASA-SE站點的平均溫度作為站點溫度。

首先,提取了NASA-SE站點處Sentinel-1A SAR影像4—10月的時間序列HH和HV 后向散射系數(shù)值,形成了后向散射系數(shù)與站點溫度之間的線性關(guān)系散點圖,如圖2所示。散點圖的橫坐標為HH 及HV的后向散射系數(shù),縱坐標為站點溫度,紅線為趨勢擬合線,線性相關(guān)系數(shù)R2的值反映了兩者相關(guān)性的強弱,R2越大,后向散射系數(shù)與溫度相關(guān)性越強,R2范圍為[0,1]。

從線性相關(guān)圖中可以發(fā)現(xiàn),HH 與HV的后向散射系數(shù)均與溫度呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系,溫度越高,即融化越強,后向散射系數(shù)越小,表明冰蓋含水量的增加導致更多的信號被吸收或反射。另外,HH和HV單極化后向散射與凍融狀態(tài)的相關(guān)性都較低,相比較而言,HH 相比HV極化與溫度的相關(guān)性更好,R2在0.4以上,而HV極化相關(guān)性的R2值只有約0.27。

圖2 HH和HV 后向散射系數(shù)與站點溫度關(guān)系圖Fig.2.Relationship between the degree Celsius of AWS and backscattering coefficient in different polarization modes

同時,分析了HH/HV值與溫度變化之間的相關(guān)關(guān)系,散點圖如圖3所示。由圖中可見,HH極化后向散射系數(shù)與溫度的擬合線比HV極化的更“陡”,即HH 極化后向散射值對溫度的變化響應(yīng)更為敏感,升高相同的溫度,HH 比HV極化后向散射值降低的更多。因此,與HH和HV極化后向散射系數(shù)與站點溫度的負相關(guān)關(guān)系不同,HH/HV值與溫度呈正相關(guān)關(guān)系。

圖3 HH/HV 與站點溫度關(guān)系圖Fig.3.Relationship between the degree Celsius of AWS and the value of HH/HV

通過計算相關(guān)性R2可以發(fā)現(xiàn),HH/HV值與5小時、10小時均溫的R2均達到0.610,而與15小時均溫的相關(guān)性R2為0.5853,相比有所下降,表明更長時間的溫度影響有所減弱。與HH和HV單極化后向散射系數(shù)值相比,HH/HV值與凍融強度變化之間相關(guān)性有較大的提高,表明利用HH/HV值可以更好地提取冰蓋凍融強度。

2.2 基于MODIS溫度產(chǎn)品的HH/HV值與冰蓋凍融強度變化關(guān)系分析

由于研究區(qū)內(nèi)的站點較少,相應(yīng)獲得的溫度值也較少,為分析更多的樣本點,得到更可靠的趨勢數(shù)據(jù),本文同時也利用了區(qū)域尺度MODIS溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)品結(jié)合HH/HV值進行分析。

分析中采用Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù),獲取時間為2016年8月13日,正值格陵蘭島冰蓋融化較為強烈的夏季,區(qū)域內(nèi)有明顯的凍融梯度,溫度數(shù)據(jù)為SAR 獲取當天的MODIS溫度產(chǎn)品。SAR數(shù)據(jù)經(jīng)過多視、輻射校正、地形校正及濾波預(yù)處理,并將預(yù)處理后的影像重采樣,保持與MODIS 產(chǎn)品空間分辨率的一致性,最后形成HH/HV值與MODIS溫度值的二維散點圖,如圖4所示。與HH/HV值與站點溫度相關(guān)趨勢相同,呈正相關(guān)。由于MODIS溫度產(chǎn)品為衛(wèi)星過境的瞬時溫度值,與站點分析中的時段溫度均值略有差異。

圖4 HH/HV值與MODIS溫度產(chǎn)品的線性相關(guān)圖Fig.4.Correlation diagram between the value of HH/HV and the degree Celsius of MODIS

根據(jù)圖4的相關(guān)擬合線,確定HH/HV值劃分凍融強度的閾值。MODIS溫度劃分閾值對應(yīng)的HH/HV值即為冰蓋凍融強度的劃分閾值,由凍結(jié)程度較大至融化程度較大,MODIS溫度梯度間隔為2℃,按溫度由低至高劃分為5個狀態(tài),即HH/HV值為<0.152、0.152～0.340、0.340～0.522、0.522～0.701和>0.701的5個凍融強度不同的區(qū)間,如表1所示。像元的HH/HV值位于對應(yīng)MODIS溫度所確定的范圍內(nèi),則認為該像元能夠表明基于HH/HV區(qū)間值的冰蓋凍融強度提取方法是可信的,研究區(qū)可信像元占樣本總像元數(shù)的63.58%。

表1 凍融強度劃分Table1.Classification of freeze/melt extent

3 基于寬幅SAR的凍融強度信息提取結(jié)果與分析

基于表1的凍融狀態(tài)閾值,利用雙極化Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù)開展了凍融強度信息提取結(jié)果分析,所采用的數(shù)據(jù)仍然為2016年8月13日的Sentinel-1A SAR影像,經(jīng)HH/HV 雙極化組合運算后圖像如圖5a所示,從亮至暗表明HH/HV值減小。

從電磁波散射機制的角度進行分析,由冰蓋邊緣到中部,液態(tài)水含量減少,主導機制由鏡面反射變?yōu)槁瓷?接觸到冰蓋后沿原路線返回被雷達接收的后向散射波數(shù)量增多,反映在圖像上即為區(qū)域的后向散射增強,HH和HV 后向散射系數(shù)均增大。結(jié)合上文中的分析結(jié)果,HH 比HV極化后向散射系數(shù)與溫度關(guān)系線的斜率絕對值更大,冰蓋邊緣HH/HV值也更大,這與圖5a中情況相符。依據(jù)表1的閾值劃分,并考慮凍融強度不同的冰蓋范圍連續(xù)性較強,結(jié)合實地情況去除圖中不連續(xù)的點,獲得基于HH/HV值的凍融強度信息提取結(jié)果,如圖5b所示。基于以上提取結(jié)果,分別統(tǒng)計了HH/HV區(qū)間和MODIS溫度區(qū)間內(nèi)的像元數(shù)量,比較結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,在凍融強度不同的各個區(qū)間,HH/HV值與MODIS溫度數(shù)據(jù)的像元分布比較一致,在區(qū)域3的像元數(shù)最多,兩側(cè)依次減少;在HH/HV值和MODIS數(shù)據(jù)的劃分中,屬于同一區(qū)間的像元占總像元數(shù)的86.8%。

圖5 凍融強度信息的提取.a) HH/HV 比值圖像;b)凍融強度劃分結(jié)果Fig.5.Retrieval of the freeze/melt information.a) HH/HV value;b) the distribution of the zones in different power

為了驗證結(jié)果的可靠性,同時也選取了研究區(qū)域范圍內(nèi)不同日期獲取的SAR數(shù)據(jù)與MODIS溫度區(qū)間像元進行比較,結(jié)果如圖7所示。在HH/HV值和MODIS數(shù)據(jù)的劃分中,4個時間的數(shù)據(jù)中,屬于同一區(qū)間的像元分別占總像元數(shù)的98.4%、94.4%、91.4%和90.1%,說明HH/HV值一定程度上能夠反映區(qū)域的凍融強度,結(jié)果可靠。

圖6 研究區(qū)域HH/HV 凍融區(qū)間與MODIS溫度區(qū)間像元數(shù)的比較圖Fig.6.Histogram of the different data of HH/HV value and MODIS

圖7 不同日期HH/HV 凍融區(qū)間與MODIS溫度區(qū)間像元數(shù)的比較圖Fig.7.Histogram of HH/HV value and MODIS in different dates

4 結(jié)語

本文采用Sentienl-1A 寬幅SAR數(shù)據(jù)對格陵蘭島冰蓋凍融強度進行提取研究。研究了 HH和HV單極化后向散射和HH/HV的比值與凍融強度之間的相關(guān)性關(guān)系,分析表明,與 HH和HV單極化后向散射系數(shù)不同,HH/HV值與溫度值呈正相關(guān)關(guān)系,且HH/HV值能更好地反映冰蓋凍融強度,建立了利用HH/HV值提取冰蓋凍融強度的區(qū)間閾值。由于缺乏實地凍融狀態(tài)測量數(shù)據(jù),研究中采用溫度值來反映凍融狀態(tài)難免存在誤差,但基于多極化 SAR的凍融強度提取方法仍然可為極地研究提供實際的技術(shù)途徑。