兩種新的基于遙感影像的南極DEM精度比較與分析

耿通 肖峰 張勝凱 李佳星 宣越 李斐

(武漢大學(xué)中國南極測繪研究中心, 武漢 430079)

提要 南極參考高程模型(Reference Elevation Model of Antarctica, REMA)和TanDEM-X DEM是國際上新發(fā)布的兩種基于遙感影像的高分辨率數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)。采用Cryosat-2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)及冰橋計劃機載測高數(shù)據(jù)對兩個數(shù)字高程模型在南極冰蓋上的精度進(jìn)行驗證比較, 并考慮雷達(dá)信號穿透性和坡度等因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明: 在南極冰蓋范圍內(nèi), 與CryoSat-2數(shù)據(jù)相比較, REMA的平均高程差為-0.742 m, 標(biāo)準(zhǔn)差為5.269 m, TanDEM-X DEM的平均高程差為2.946 m, 標(biāo)準(zhǔn)差為5.755 m。在南極內(nèi)陸地區(qū)TanDEM-X DEM與冰橋計劃數(shù)據(jù)之間的高程差異略小于冰蓋邊緣地區(qū)的高程差異, 總體高程差異相比于REMA和冰橋計劃數(shù)據(jù)之間的高程差異要更明顯。REMA的高程值略高于TanDEM-X DEM的高程值, 兩個數(shù)字高程模型之間的平均高程差為3.742 m, 標(biāo)準(zhǔn)差為2.807 m, 這與TanDEM-X DEM的數(shù)據(jù)源使用X波段雷達(dá)波對積雪的穿透性有關(guān)。

0 引言

南極冰蓋是全球最大的冰蓋, 對全球氣候變化和海平面變化都有很大的影響。數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)對南極地區(qū)的科學(xué)研究有著重要意義。南極DEM的準(zhǔn)確構(gòu)建是確定分冰嶺、冰流盆地及接地線的位置, 計算冰流的大小及方向等科學(xué)問題的基礎(chǔ)[1]。

20世紀(jì)70年代以來, 世界各國的研究者通過各種測量方式獲取的南極地形數(shù)據(jù)構(gòu)建了多個南極DEM。南極區(qū)域地理位置偏僻且氣候環(huán)境惡劣,導(dǎo)致實地觀測與航空測量都受到極大的限制[1]。自1978年, 美國航空航天局發(fā)射了海洋測高衛(wèi)星SeaSat。1983年, Zwally等[2]利用SeaSat雷達(dá)高度計數(shù)據(jù), 生成了分辨率為20 km的南極DEM,開啟了使用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)構(gòu)建南極DEM的時代。此后, 美國海軍發(fā)射了大地測量衛(wèi)星GeoSat, 歐洲空間局(European Space Agency, ESA)發(fā)射了ERS-1衛(wèi)星, 美國航空航天局發(fā)射了激光測高衛(wèi)星ICESat, ESA發(fā)射了新一代雷達(dá)測高衛(wèi)星CryoSat-2。這些測高衛(wèi)星的發(fā)射為南極DEM的構(gòu)建提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 國內(nèi)外很多學(xué)者基于衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)對南極地區(qū)DEM開展研究并發(fā)布了多種分辨率的DEM[3-13]。

其中, 1997年, Bamber等[3]利用1994—1995年期間ERS-1雷達(dá)測高數(shù)據(jù)建立了分辨率為5 km的南極DEM—— JLB97 DEM, 其覆蓋了65°S～81.5°S區(qū)域內(nèi)的南極大陸, 與此前的南極DEM相比, JLB97 DEM在分辨率和覆蓋范圍上都有提升,并能更好地反映南極大陸地表的起伏。2007年,DiMarzio等[4]利用ICESat衛(wèi)星激光測高數(shù)據(jù)建立了分辨率為500 m的南極DEM, 其覆蓋了63°S～86°S區(qū)域內(nèi)的南極大陸, 相比于基于雷達(dá)測高數(shù)據(jù)建立的DEM, 基于激光測高數(shù)據(jù)建立的DEM受坡度影響更小。2009年, Bamber等[5]基于ERS-1雷達(dá)測高數(shù)據(jù)和ICESat激光測高數(shù)據(jù)發(fā)布了分辨率為1 km的南極DEM, 其覆蓋范圍是60°S～86°S, 由于結(jié)合了不同的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù), 其少部分區(qū)域的高程值由插值得到, 并且分辨率也因數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域的不同而異, 在ICESat數(shù)據(jù)點密集的區(qū)域分辨率能達(dá)到1 km的標(biāo)準(zhǔn), 而僅有ERS-1數(shù)據(jù)點的區(qū)域, 只能達(dá)到5 km分辨率。2014年,Helm等[6]利用CryoSat-2數(shù)據(jù)建立了1 km分辨率的南極DEM,覆蓋了65°S以南的南極大陸區(qū)域,其中88°S以南的數(shù)據(jù)由25 km分辨率的格網(wǎng)重采樣得到, 由于CryoSat-2在冰蓋邊緣地區(qū)觀測精度更高且覆蓋范圍更廣, 基于CryoSat-2數(shù)據(jù)建立的南極DEM相比之前的DEM有更好的精度表現(xiàn)。2018年, Slater等[7]基于2010年7月—2016年7月期間的CyoSat-2數(shù)據(jù), 利用1個二次函數(shù)進(jìn)行擬合, 利用克里金插值法對88°S以南的區(qū)域進(jìn)行差值, 得到了1km分辨率的南極DEM, 進(jìn)一步提升了南極DEM的精度, 但基于衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)建立的DEM由于原始數(shù)據(jù)分辨率低的原因,DEM的分辨率很難進(jìn)一步提升。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展, 光學(xué)立體測圖技術(shù)和合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)可獲取高分辨率、高精度的三維地表信息, 進(jìn)而可提取高分辨率、高精度的DEM[14-18]。2017年, 德國空間研究中心基于TerraSAR-X和TanDEM-X兩個幾乎完全相同的SAR衛(wèi)星獲取的全球影像數(shù)據(jù)發(fā)布了高分辨率的全球DEM——TanDEM-X DEM。2018年, 美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的極地地球空間中心和俄亥俄州立大學(xué)的伯德極地和氣候研究中心基于GeoEye-1和WorldView系列衛(wèi)星的高分辨率光學(xué)影像發(fā)布了8 m分辨率的南極DEM——REMA。兩種基于遙感影像的DEM都有較高的分辨率,但由于使用數(shù)據(jù)以及覆蓋范圍不同, 兩者高程精度也有所差異。Howat等[18]使用冰橋計劃測高數(shù)據(jù)對8 m分辨率的REMA進(jìn)行了驗證, 與冰橋計劃中ICECAP (International Collaborative Exploration of the Cryosphere by Airborne Profiling)的L2級產(chǎn)品進(jìn)行比較, 高差中位數(shù)、68 %線性誤差(68% linear error, LE68)和90 %線性誤差(90%linear error, LE90)分別為-0.16 m、0.77 m和1.25 m。Rizzoli等[19]利用ICESat高程數(shù)據(jù)對TanDEM-X DEM進(jìn)行了驗證,得到了TanDEM-X DEM的高程絕對精度: 在全球范圍內(nèi)LE90為3.49 m, 在格陵蘭島和南極冰蓋地區(qū) LE90為 6.37 m, 但TanDEM-X DEM所使用的衛(wèi)星影像的采集時間(2010—2015年)與ICESat數(shù)據(jù)采集時間(2003—2010年)并不重合。Wessel等[20]使用全球動態(tài)GPS(KGPS)數(shù)據(jù)(不包含南極地區(qū))和美國GPS基準(zhǔn)數(shù)據(jù)(GPS-on-BM)對12 m分辨率的TanDEM-X DEM進(jìn)行了驗證, 結(jié)果顯示: TanDEM-X DEM與KGPS以及GPS-on-BM都保持很好的一致性; 就絕對垂直偏差方面, 與KGPS之間平均偏差為-0.17 m, LE90為1.9 m; 與GPS-on-BM之間平均偏差為0.12 m, LE90為2 m, 但此精度僅適用于除南極地區(qū)以外的其他區(qū)域, 這使得TanDEM-X DEM在南極區(qū)域的精度不能很好地體現(xiàn)。此外,冰橋計劃的數(shù)據(jù)采集時間與TanDEM-X DEM所用遙感影像的采集時間相互重合(冰橋計劃: 2009—2017年; TanDEM-X DEM: 2010—2015年), 所以使用冰橋計劃數(shù)據(jù)能更好地驗證TanDEM-X DEM在南極區(qū)域的精度。

本文使用CryoSat-2雷達(dá)測高數(shù)據(jù)對兩個DEM進(jìn)行差值, 并按表面坡度進(jìn)行對比分析, 在按高程點位置提取DEM高程值的過程中使用雙線性插值法進(jìn)行提取, 考慮雷達(dá)穿透性進(jìn)行分析。然后使用冰橋計劃數(shù)據(jù)對TanDEM-X DEM進(jìn)行驗證分析, 并比較與REMA之間的差異, 為進(jìn)一步使用此兩種DEM在南極地區(qū)開展研究提供有利支持。

1 數(shù)字高程模型和測高數(shù)據(jù)

1.1 TanDEM-X DEM模型

為了建立高分辨率和高精度的全球DEM,德國空間研究中心分別于2007年和2010年發(fā)射了TerraSAR-X與TanDEM-X衛(wèi)星。TerraSAR-X衛(wèi)星軌道高度為514 km, 軌道類型為太陽同步軌道, 重復(fù)周期為11 d; 衛(wèi)星搭載有X頻段合成孔徑雷達(dá), 波長為4.62 cm, 頻率為9.65 GHz, 采用多極化方式; 衛(wèi)星成像模式有聚束式(Spotlight Mode)、條帶式(StripMap Mode)和掃描式(ScanSAR Mode), 分辨率分別為1 m×1.5 m/3.5 m、3 m×3 m和18 m×18 m。TerraSAR-X衛(wèi)星與TanDEM-X衛(wèi)星以螺旋狀相對運動運行, 從而組成雙星干涉系統(tǒng)[20]。

利用2010年12月—2015年1月期間兩顆衛(wèi)星采集的高分辨率遙感影像像對, 德國空間研究中心發(fā)布了高精度、高分辨率的全球DEM, 主要產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。TanDEM-X DEM采用WGS-84橢球, 有12 m、30 m和90 m分辨率的不同版本, 目前德國空間研究中心僅提供90 m分辨率的DEM供用戶下載。TanDEM-X 90m(3arcsec)DEM是1.0版中12 m(0.4 arcsec)DEM產(chǎn)品的變體, 由于空間分布均勻, TanDEM-X 90 m(3arcsec)產(chǎn)品的相對垂直誤差要比TanDEM-X 12m(0.4arcsec)產(chǎn)品的相對垂直誤差好得多[21]。本文使用90 m分辨率的TanDEM-X DEM進(jìn)行對比分析。

1.2 REMA模型

2018年, 美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的極地地球空間中心和俄亥俄州立大學(xué)的伯德極地和氣候研究中心基于高分辨率光學(xué)影像發(fā)布了8 m分辨率的REMA。REMA是從成對的分米級分辨率的商業(yè)衛(wèi)星圖像中, 由立體攝影法構(gòu)建提取的南極DEM, 采用極坐標(biāo)立體投影, 標(biāo)準(zhǔn)緯線為71°S,主要產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。

表1 REMA和TanDEM-X DEM主要產(chǎn)品參數(shù)Table 1.Main parameters of REMA and TanDEM-X DEM

REMA主要采用了WorldView-2/3衛(wèi)星影像(全色分辨率為0.32～0.5 m)以及少量的GeoEye-1影像(全色分辨率為0.41 m), 大部分影像采集于2015和2016年南極夏季期間。GeoEye-1和Worldview系列衛(wèi)星均屬于美國Digital Globe公司的商業(yè)成像衛(wèi)星系統(tǒng), 它們與2016年發(fā)射的Worldview-4衛(wèi)星共同組成Digital Globe星座群,可以對地球上任意位置的平均拍攝頻率達(dá)到每天4.5 次。

REMA的質(zhì)量控制是由CryoSat-2 SARIn數(shù)據(jù)與ICESat/GLAS數(shù)據(jù)共同完成的, 并且優(yōu)先使用CryoSat-2數(shù)據(jù)集以及時間更新的數(shù)據(jù), 對于兩個衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)都不能使用的區(qū)域, 采用了與臨近已校準(zhǔn)區(qū)域插值的方法進(jìn)行校準(zhǔn), 對于100 m及分辨率更低的REMA還使用了Cook等制作的100 m分辨率的ASTER GDEM進(jìn)行填充(南極半島地區(qū)), 大陸其他地區(qū), 使用Helm 等[6]基于CryoSat-2數(shù)據(jù)建立的DEM進(jìn)行填充[18]。

除了8 m分辨率的版本, REMA同時還有100 m、200 m和1 km等不同分辨率版本, 可以在美國明尼蘇達(dá)大學(xué)極地地理空間中心官網(wǎng)上免費下載。為了減少分辨率差異所帶來的誤差, 本文使用更接近TanDEM-X DEM分辨率(90 m)的100 m分辨率的REMA。

1.3 CryoSat-2數(shù)據(jù)

CryoSat-2衛(wèi)星由ESA于2010年4月發(fā)射,主要用于探測全球海冰厚度和冰蓋高程。衛(wèi)星運行高度約為717 km, 軌道類型為近極地非太陽同步軌道, 軌道周期為369天, 并包含有30天的子周期, 軌道傾角為92°, 數(shù)據(jù)覆蓋范圍可達(dá)到88°S～88°N。CryoSat-2主要搭載有合成孔徑/干涉雷達(dá)高度計(SIRAL)、DORIS接收機、激光反射器及衛(wèi)星跟蹤器。SIRAL高度計使用Ku波段雷達(dá)信號, 主要采用3種高程測量模式: 低分辨率模式(LRM)、SAR模式和SARIn模式。相比之前發(fā)射的測高衛(wèi)星, CryoSat-2在南極冰蓋邊緣區(qū)域復(fù)雜地形的測量精度較高[22-24]。CryoSat-2主要提供3種級別的測高數(shù)據(jù)產(chǎn)品: L1層全碼率數(shù)據(jù)、L1b層多視波形數(shù)據(jù)和L2層高程數(shù)據(jù)。其中, 本文使用的GDR(Geophysical Data Record)數(shù)據(jù)是經(jīng)過多種模式數(shù)據(jù)融合, 并加入地球物理改正后的L2級產(chǎn)品。由于CryoSat-2衛(wèi)星運行一個周期足以覆蓋南極大陸地區(qū), 考慮到12月份南極冰蓋表面積雪較少, 能夠減少誤差, 本文使用2018年12月份期間時間跨度為1個子周期的GDR數(shù)據(jù)。

1.4 冰橋計劃數(shù)據(jù)

冰橋計劃是由美國航空航天局于2009年啟動的迄今為止最大規(guī)模的極地航空測繪任務(wù)[25]。冰橋計劃每年3—5月在北極, 10—11月在南極進(jìn)行航空觀測, 航測飛機上搭載有數(shù)字相機DMS、激光雷達(dá)ATM和Ku波段雷達(dá)高度計等多源遙感傳感器, 主要任務(wù)是為了填補ICESat(2003年發(fā)射, 2009年停止工作)與ICESat-2(2018年發(fā)射)之間的極地數(shù)據(jù)空白, 獲取對冰架、冰蓋、海冰等的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。ICECAP計劃作為冰橋計劃的一部分, 主要利用搭載在航測飛機上的多光子計數(shù)三維成像激光雷達(dá)(Sigma-Space lidar)和UAF(University of Alaska Fairbanks)激光雷達(dá)系統(tǒng)在東南極地區(qū)采集冰蓋高程信息[26]。其中, UAF激光雷達(dá)系統(tǒng)包含Riegl激光雷達(dá)掃描儀, 激光波段為905 nm, 掃描頻率為20 Hz, 腳點大小為0.2 m, 焦點間距為1 m, 測高精度為0.125 m。本文使用經(jīng)過改正后的ICECAP激光雷達(dá)L2級數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)可在美國雪冰數(shù)據(jù)中心(NSIDC)免費下載獲得。

2 利用CryoSat-2數(shù)據(jù)比較分析兩個遙感DEM的精度

比較時, 將90 m分辨率的TanDEM-X DEM以71°S為標(biāo)準(zhǔn)緯線進(jìn)行極方位投影。利用南極冰蓋范圍內(nèi)的CryoSat-2高程點坐標(biāo)分別提取兩個DEM相應(yīng)的高程值進(jìn)行差值對比, 提取過程采取雙線性插值法, 根據(jù)相鄰像元的有效值計算像元值。通過初步的比較發(fā)現(xiàn)兩個DEM及CryoSat-2產(chǎn)品中均存在一些粗差, 在剔除了預(yù)設(shè)粗差值的基礎(chǔ)上, 綜合其他學(xué)者的方法[27-28]進(jìn)一步剔除大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的點位, 最后得到比較結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示, 每兩種數(shù)據(jù)集比較的統(tǒng)計結(jié)果如表2、表3和表4所示。

圖1 REMA與CryoSat-2高程差值的頻率統(tǒng)計Fig.1.Frequency statistics of elevation differences between REMA and CryoSat-2 datasets

圖2 TanDEM-X DEM與CryoSat-2高程差值的頻率統(tǒng)計Fig.2.Frequency statistics of elevation differences between TanDEM-X DEM and CryoSat-2 datasets

圖3 TanDEM-X DEM與REMA高程差值的頻率統(tǒng)計Fig.3.Frequency statistics of elevation differences between TanDEM-X DEM and REMA

表2 REMA與CryoSat-2高程差值統(tǒng)計Table 2.The elevation differences between REMA and CryoSat-2 datasets

表3 TanDEM-X DEM與CryoSat-2高程差值統(tǒng)計Table 3.The elevation differences between TanDEM-X DEM and CryoSat-2 datasets

表4 TanDEM-X DEM與REMA差值統(tǒng)計Table 4.The elevation differences between TanDEM-X DEM and REMA

通過對比發(fā)現(xiàn), 兩個DEM的高程與CryoSat-2數(shù)據(jù)的高程差異較小, REMA要比TanDEM-X DEM更接近于CryoSat-2數(shù)據(jù)的高程值。TanDEM-X DEM相比于CryoSat-2高程值偏低,而REMA高于CryoSat-2數(shù)據(jù)。在REMA與TanDEM-X DEM的比較中也可以發(fā)現(xiàn)REMA大部分選點的高程值要高于TanDEM-X DEM的高程值。通過對兩個DEM數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析, 這可能是由于TanDEM-X DEM 數(shù)據(jù)源所使用的X波段雷達(dá)波對積雪具有數(shù)米的穿透性[29],而REMA使用的光學(xué)影像獲得的是積雪的表面高程。CryoSat-2使用Ku波段雷達(dá)信號, 對積雪有一定穿透性, 但由于缺少南極冰蓋表面積雪深度數(shù)據(jù),難以確定CryoSat-2雷達(dá)信號對冰蓋表面積雪深度的穿透深度, 因此未對CryoSat-2的穿透性進(jìn)行校正。結(jié)合其他學(xué)者的研究, 如圖4[30]所示, 在不同積雪屬性下Ku波段雷達(dá)信號的穿透深度都小于X波段雷達(dá)信號的穿透深度。此外, 通過對兩個DEM的數(shù)據(jù)融合過程進(jìn)行分析, REMA使用了大量的CryoSat- 2數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制, 并且使用基于CryoSat-2數(shù)據(jù)制成的Helm DEM對部分?jǐn)?shù)據(jù)空白區(qū)域進(jìn)行填充, 使得REMA與CryoSat-2高程更為接近。

圖4 不同波段在不同積雪屬性下的積雪穿透深度[30]Fig.4.Penetration depth for different bands in snow as a function of grain size and liquid-water content[30]

另外, 考慮DEM的精度可能受地形坡度的影響, 以0.05°為區(qū)間對REMA、TanDEM-X DEM和CryoSat-2數(shù)據(jù)之間的平均高程差和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計, 圖5為兩種遙感DEM與CryoSat-2 高程點之間的平均高程差和標(biāo)準(zhǔn)差隨坡度變化的趨勢。

從圖5可以看出, TanDEM-X DEM與CryoSat-2高程點和REMA之間的平均高程差較大, 且均為正值, 這與整體比較時的結(jié)果相一致。兩個DEM與CryoSat-2之間高程差的標(biāo)準(zhǔn)差走勢基本一致,整體隨坡度增加而增加, 且上升趨勢較快; 兩個DEM之間高程差的標(biāo)準(zhǔn)差較小, 且隨坡度增加上升的趨勢較緩和。這可能是由于一定的坡度有利于干涉影像對地形的識別, 能更好地識別高程值[30], 這也是TanDEM-X DEM與CryoSat-2高程點和REMA在有一定坡度的區(qū)域平均高程差更小的一個重要原因。盡管CryoSat-2 GDR數(shù)據(jù)引入部分SAR和SARIn數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度改正, 但仍受坡度影響較大, 高程點精度隨坡度增加而降低。此外, CryoSat-2高程點為實測數(shù)據(jù), REMA和TanDEM-X DEM 存在一定的插值誤差。

圖5 三種數(shù)據(jù)之間高程差值按坡度統(tǒng)計趨勢.a)平均高程差;b)標(biāo)準(zhǔn)差.*表示CryoSat-2與REMA的偏差;o表示CryoSat-2與TanDEM-X DEM的偏差;+表示REMA與TanDEM-X DEM的偏差Fig.5.The trend of differences between three types of data.a) the mean elevation difference; b) the standard deviation.*shows the deviation between CryoSat-2 and REMA; o shows the deviation between CryoSat-2 and TanDEM-X DEM; +shows the deviation between REMA and TanDEM-X DEM

3 利用冰橋計劃數(shù)據(jù)對TanDEM-X DEM進(jìn)行驗證分析

為了方便與REMA的精度相比較, 采用Howat等[18]對REMA的驗證方法對90m 分辨率的TanDEM-X DEM在南極區(qū)域的精度進(jìn)行驗證。這里我們只選用2012和2013年間冰橋計劃 ICECAP L2級數(shù)據(jù)進(jìn)行比較, 并利用REMA 100 km分辨率的格網(wǎng)對其進(jìn)行劃分。如圖6所示, 黑色底圖為TanDEM-X DEM的拼接圖, 與白色的REMA 100km分辨率的格網(wǎng)相比, TanDEM-X DEM的覆蓋范圍更大, 考慮投影偏差的影響, 在計算前需要對柵格進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換及裁剪等預(yù)處理。最后得到結(jié)果如圖7、圖9所示, 統(tǒng)計值如圖8和圖10所示。

圖6 REMA 100 km×100 km格網(wǎng)與TanDEM-X DEM重合區(qū)域Fig.6.Mosaic for 100 km×100 km tiles of REMA coincides with TanDEM-X DEM

圖8 TanDEM-X DEM與2012年間ICECAP數(shù)據(jù)差值的頻數(shù)直方圖.a)差值的LE90; b)差值的LE68; c)殘差中位數(shù).垂直的虛線是中位數(shù)Fig.8.Histograms of the difference between REMA and ICECAP datasets in 2012.a) the linear error at the 90th percentiles(LE90); b)the linear error at the 68th percentiles (LE68);c) the medians of residual.Vertical dashes are the median values

圖9 按格網(wǎng)統(tǒng)計的TanDEM-X DEM與2013年間ICECAP數(shù)據(jù)差值的中誤差分布Fig.9.Median of elevation differences by mosaic tile between REMA and ICECAP datasets in 2013

從圖7和圖9中可以看出, TanDEM-X DEM與ICECAP高程點在內(nèi)陸地區(qū)差異較小, 在冰蓋邊緣地區(qū), 兩者差異更大, 這可能是受冰蓋邊緣坡度較大影響的結(jié)果, 由于TanDEM-X使用的X波段波長較短, 對于地形起伏較大的區(qū)域來說, 地形相位將在干涉圖上產(chǎn)生較密的條紋, 這將會影響到后面的相位解纏甚至造成解纏失敗[31]。從圖8和圖10中可以看出, TanDEMX DEM高程要低于ICECAP高程點, 殘差中值在4 m左右; 而Howat等[18]對REMA的驗證中REMA高程低于ICECAP高程點, 殘差中值僅為0.16 m。這表明TanDEM-X DEM表面高程要低于 REMA 表面高程, 這與上一節(jié)使用CryoSat-2高程點比較時的結(jié)果一致。圖8和圖10還分別統(tǒng)計了TanDEM-X DEM與ICECAP高程差的90分位數(shù)和68分位數(shù)的線性誤差,LE90約為5.4 m, LE68約為4.7 m, 而Howat等[18]對REMA的驗證結(jié)果是LE90為1.25 m, LE68為0.77 m。

4 結(jié)論

本文分別利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)和航空測高數(shù)據(jù)對REMA和TanDEM-X DEM(南極區(qū)域)兩個基于遙感影像建立的DEM進(jìn)行了比較分析, 得到了以下結(jié)論。

1.與 CryoSat-2數(shù)據(jù)進(jìn)行比較, 得到與REMA的平均高程差為-0.797 m, 標(biāo)準(zhǔn)差為5.536 m; 與TanDEM-X DEM在南極地區(qū)的平均高程差為3.030 m, 標(biāo)準(zhǔn)差為6.299 m。兩個DEM的精度隨地形坡度的增加而降低。

2.在使用冰橋計劃數(shù)據(jù)對TanDEM-X DEM進(jìn)行驗證中發(fā)現(xiàn), 在冰蓋邊緣地區(qū)TanDEM-X DEM精度較差, 內(nèi)陸地區(qū)與機載測高數(shù)據(jù)較為吻合。通過分析, 這是由于復(fù)雜地形影響了干涉處理中相位解纏的原因。與ICECAP L2級產(chǎn)品相比, 高程殘差的中值約為4 m, LE90約為5.4 m, LE68約為4.7 m, 相比于REMA和ICECAP數(shù)據(jù)的偏差更為顯著。

3.REMA高于TanDEM-X DEM, 整體平均高程差為3.742, 標(biāo)準(zhǔn)差為2.807 m, 這與兩個遙感DEM與CryoSat-2數(shù)據(jù)之間的比較結(jié)果以及使用冰橋計劃數(shù)據(jù)對TanDEM-X DEM的驗證結(jié)果均呈現(xiàn)一致性。這一偏差可能是由于TanDEM-X DEM的數(shù)據(jù)源使用X波段雷達(dá)波對積雪的穿透性較強, 而REMA使用的數(shù)據(jù)源為光學(xué)影像, 得到的是冰蓋的表面高程。

致謝：感謝德國空間研究中心提供90 m分辨率TanDEM-X DEM、美國明尼蘇達(dá)大學(xué)極地地理空間中心提供100 m分辨率REMA、歐洲空間局提供CryoSat-2數(shù)據(jù)以及美國雪冰數(shù)據(jù)中心提供冰橋計劃數(shù)據(jù)(ICECAP)。