格陵蘭冰蓋次表面湖多源遙感監(jiān)測(cè)
——以格陵蘭中西部流域?yàn)槔?/h1>
2022-10-04 09:16:38李嵐靜陳卓奇鄭雷程曉
地球物理學(xué)報(bào) 2022年10期
李嵐靜， 陳卓奇,2,3*， 鄭雷,2,3， 程曉,2,3
1 中山大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 廣東珠海 519082 2 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海), 廣東珠海 519082 3 中國(guó)高校極地聯(lián)合研究中心, 北京 100875
0 引言
格陵蘭冰蓋是全球第二大陸地冰蓋，其完全消融將引起全球海平面上升7.4 m(Morlighem et al., 2017).過(guò)去幾十年，北極是全球氣溫上升最快的地區(qū)，增溫幅度達(dá)到1.2 ℃/10a，是全球平均增溫速度的2倍以上.快速上升的氣溫增強(qiáng)了格陵蘭冰蓋表面消融，促進(jìn)了冰面湖的形成，加強(qiáng)了冰蓋表面徑流，加劇了冰蓋的物質(zhì)損失(Leeson et al., 2015; Chen et al., 2006; Trusel et al., 2018).研究表明，格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失平均速率已從1991—2001年間的34(-6～74)Gt/a大幅增至2002—2011年間的215(157～274)Gt/a，物質(zhì)損耗的加速度為21.9±1 Gt/a(Stocker, 2014)，其中50.3%的物質(zhì)損失由冰蓋表面消融貢獻(xiàn)(The IMBIE Team, 2020).因此，格陵蘭冰蓋表面消融是格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失最重要的影響因素之一.
格陵蘭冰蓋表面消融加劇直接導(dǎo)致了格陵蘭冰面湖的增加(Howat et al., 2013).格陵蘭冰面湖數(shù)量、面積和深度提取、形成機(jī)制、生長(zhǎng)周期和排水事件監(jiān)測(cè)成為了國(guó)際研究熱點(diǎn)(Pope et al., 2016; Williamson et al., 2018; Yang et al., 2019).但近期研究表明格陵蘭大量冰面湖在冬季不會(huì)完全凍結(jié).Koenig等(2014, 2015)基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)首次發(fā)現(xiàn)了格陵蘭冰蓋次表面湖的存在，并利用IceBridge資料證實(shí)了格陵蘭冰蓋存在大量的次表面湖.這些次表面湖在冬季保持液態(tài)，溫度在0 ℃左右，比冰蓋表面溫度高，成為冰蓋內(nèi)部的一個(gè)熱庫(kù)(Koenig et al., 2015).滯留在冰蓋次表層的融水對(duì)格陵蘭冰蓋消融、穩(wěn)定性和物質(zhì)損失會(huì)產(chǎn)生重要的影響(Harper et al., 2012; Machguth et al., 2016; MacFerrin et al., 2019)，因此，對(duì)格陵蘭次表面湖的研究對(duì)于理解格陵蘭冰蓋物質(zhì)平衡具有非常重要的價(jià)值.
與格陵蘭冰面湖不同，格陵蘭冰蓋次表面湖被掩埋在冰雪層的內(nèi)部，難以用可見(jiàn)光遙感手段進(jìn)行監(jiān)測(cè).Koenig等(2015)利用IceBridge計(jì)劃獲得的機(jī)載雪雷達(dá)數(shù)據(jù)(2～6.5 GHz)，提取了2009—2012年格陵蘭冰蓋的次表面湖分布.雪雷達(dá)具有很好的穿透性，可以準(zhǔn)確的提取次表面湖的位置，但不能識(shí)別次表面湖的形狀和面積等信息，且僅能獲得飛機(jī)航線經(jīng)過(guò)區(qū)域的次表面湖，難以獲得全格陵蘭冰蓋次表面湖的分布.
另一種可用于監(jiān)測(cè)格陵蘭冰蓋次表面湖的方法是合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(Synthetic Aperture Radar，SAR).有研究表明C波段SAR信號(hào)可以穿透雪層1～10 m(Rignot et al., 2001).由于冰層和水體的后向散射系數(shù)顯著不同(Fahnestock et al., 1993).科學(xué)家提出可以利用Sentinel-1衛(wèi)星C波段后向散射系數(shù)監(jiān)測(cè)格陵蘭冰蓋次表面湖的分布(Miles et al., 2017; Schr?der et al., 2020; Dunmire et al., 2021).這類(lèi)算法的理論基礎(chǔ)是HH和HV極化的后向散射系數(shù)分別代表了次表面湖的面散射和冰體的體散射信號(hào)，通過(guò)對(duì)HH和HV極化信號(hào)的差異進(jìn)行分離實(shí)現(xiàn)對(duì)格陵蘭冰蓋次表面湖的監(jiān)測(cè)(Schr?der et al., 2020).
基于SAR數(shù)據(jù)的格陵蘭冰蓋次表面湖監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)次表面湖位置、形狀、面積的監(jiān)測(cè).但Sentinel-1衛(wèi)星C波段后向散射系數(shù)易受到地面幾何屬性的影響(如表面粗糙度、雪粒徑、冰層內(nèi)部結(jié)構(gòu)等)(Fahnestock et al.,1993).這些問(wèn)題給格陵蘭冰蓋次表面湖監(jiān)測(cè)帶來(lái)了很大的困難(Schr?der et al., 2020).現(xiàn)有研究大多采用監(jiān)督式學(xué)習(xí)的方法提取格陵蘭冰蓋次表面湖(Schr?der et al., 2020; Dunmire et al., 2021).該類(lèi)方法的優(yōu)勢(shì)是算法簡(jiǎn)單，但其算法精度嚴(yán)重依賴于樣本庫(kù)的選擇且常存在眾多人為設(shè)定的閾值.但受制于HH、HV后向散射系數(shù)的特點(diǎn)和監(jiān)督式學(xué)習(xí)方法的特性，利用監(jiān)督式學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)格陵蘭冰蓋全域次表面湖的監(jiān)測(cè)仍存在很大的不確定性.本研究的目的是利用無(wú)監(jiān)督式學(xué)習(xí)的方法，以格陵蘭中西部流域?yàn)槔?，提取夏季出現(xiàn)過(guò)但冬季未完全凍結(jié)的水體.
基于此，本文旨在利用Landsat8和Sentinel-1的影像，在提取出夏季冰面湖范圍的基礎(chǔ)上，發(fā)展基于Rosin圖像分割算法的格陵蘭冰蓋次表面湖提取方法，對(duì)方法有效性進(jìn)行驗(yàn)證后，應(yīng)用該方法提取2018—2019年冬季格陵蘭中西部流域次表面湖.
1 研究區(qū)域
參考Rignot和Mouginot(2012)的格陵蘭流域劃分結(jié)果，本研究選取格陵蘭中西部流域?yàn)檠芯繀^(qū)(70°N—75°N, 40°W—50°W)(圖1).此流域平均高程為2427.1 m，存在廣泛而活躍的冰川水文系統(tǒng)(Miles et al., 2017)，并且有著大量的沿岸冰面湖(Lewis and Smith, 2009).
圖1 研究區(qū)范圍采用基于Landsat-8的格陵蘭真彩色合成影像(Chen et al., 2020).格陵蘭流域的劃分采用Rignot和Mouginot(2012)流域分割方法.Fig.1 Study areaGreenland true color synthetic image based on Landsat-8 is obtained from Chen et al., (2020). Greenland watershed is obtained from Rignot and Mouginot (2012).
2 數(shù)據(jù)與研究方法
2.1 Sentinel-1
Sentinel-1由處于同一軌道平面的兩顆攜帶C波段合成孔徑雷達(dá)極軌衛(wèi)星Sentinel-1A和Sentinel-1B組成，Sentinel-1A和Sentinel-1B分別于2014年4月3日和2016年4月15日發(fā)射升空.單顆衛(wèi)星重訪周期為12天，雙星重訪周期提高至6天，更有利于對(duì)研究區(qū)的連續(xù)觀測(cè)(Schr?der et al., 2020)，在Sentinel-1B發(fā)射前Sentinel-1未實(shí)現(xiàn)格陵蘭地區(qū)影像的全覆蓋.
作為主動(dòng)微波遙感衛(wèi)星，Sentinel-1在對(duì)格陵蘭的觀測(cè)中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).其一，由于其接收的是傳感器發(fā)射后經(jīng)地物反射后的后向散射信息，不受黑夜、云的影響，故可以全天時(shí)、全天候?qū)Φ貙?shí)施觀測(cè)；其二，與光學(xué)影像相比，Sentinel-1搭載的C波段SAR具有一定的地表穿透能力，可以穿透覆蓋在次表面湖之上的冰或雪，觀測(cè)到次表面的水體.
Sentinel-1 SAR包括四種工作模式，分別為干涉寬帶模式(Interferometric Wide swath Mode，IW)、條帶模式(Strip Map Mode，SM)、超幅寬模式(Extra-Wide Swath Mode，EWS)以及波模式(Wave Mode)，IW模式以5 m×20 m的空間分辨率獲取250 km的帶狀影像，是Sentinel-1在陸地上的主要采集模式.EWS模式以犧牲空間分辨率為代價(jià)提供了非常大的區(qū)域覆蓋，由于次表面湖面積較小，故在此選擇IW模式，在此模式下，衛(wèi)星具有雙極化的能力(HH+HV或VV+VH)，次表面湖在不同極化方式中的表現(xiàn)形式也不盡相同.同極化信號(hào)對(duì)表散射比較敏感，而交叉極化對(duì)體散射敏感，可視為是體散射的表達(dá) (Schr?der et al., 2020)，且交叉極化信噪比較大，受表面粗糙度的影響較小(Miles et al., 2017)，反映了由于液態(tài)水的存在而導(dǎo)致的微波后向散射的變化(Dunmire et al., 2021)，因此本研究采用交叉極化數(shù)據(jù)開(kāi)展工作.
歐洲航天局(European Space Agency，ESA)為Sentinel-1提供4種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，本文采用一級(jí)GRD(Ground Range Detected)數(shù)據(jù)產(chǎn)品.
2.2 夏季冰面湖提取方法
已有研究表明，部分格陵蘭冰蓋次表面湖是由夏季冰面湖發(fā)育而來(lái).以夏季冰面湖分布為先驗(yàn)知識(shí)，可以大幅提高冬季次表面湖提取的精度和效率.基于此，本研究開(kāi)展了格陵蘭冰蓋夏季冰面湖分布提取研究，采用2018年5月至9月Landsat8影像共108幅.
在格陵蘭冰面湖提取過(guò)程中，夏季冰面湖和融化的冰、積雪、粒雪的近紅外的反射率都很低，無(wú)法區(qū)分，故采用改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)NDWIice，利用藍(lán)光波段和紅光波段的歸一化比值，以識(shí)別這種位于格陵蘭冰面上獨(dú)特環(huán)境的水體特征(Yang and Smith, 2013).
(1)
式(1)中的BLUE和RED對(duì)應(yīng)Landsat8的第二和第四波段.
本文取0.5作為NDWIice指數(shù)的全局經(jīng)驗(yàn)閾值,將整個(gè)研究區(qū)二值化為水區(qū)域和非水區(qū)域，認(rèn)為小于0.5為非水區(qū)域(Dunmire et al., 2021).
加入歸一化積雪指數(shù)NDSI,利用綠光波段和短波紅外波段的歸一化比值可以消除云和裸巖造成的冰面湖提取誤差(Moussavi et al., 2020).
(2)
式(2)中的GREEN和SWIR對(duì)應(yīng)Landsat8的第三波段和第六波段.
本文取0.85作為NDSI的經(jīng)驗(yàn)閾值(Dunmire et al., 2021),去除NDSI小于0.85范圍.
2.3 次表面湖探測(cè)方法
由于格陵蘭冰蓋次表面湖被掩埋在冰雪層的內(nèi)部，可見(jiàn)光遙感手段僅能監(jiān)測(cè)格陵蘭冰面湖的變化，而無(wú)法對(duì)次表面的情況進(jìn)行分析，在冬季無(wú)法獲得次表面有效信息(圖2).在冬季，冰層和水體由于介電常數(shù)不同，兩者的后向散射系數(shù)顯著不同(圖3)，以此為依據(jù)可利用SAR影像進(jìn)行次表面湖的提取.
圖2 冰面湖探測(cè)實(shí)例Fig.2 Example of the detection of supraglacial lakes
圖3 格陵蘭中西部流域水體、冰面直方圖Fig.3 Histogram of water and ice in the Central West basin of Greenland
本研究提取次表面湖的流程如圖4所示.首先，進(jìn)行夏季冰面湖提取.對(duì)2018年5月至9月Landsat8地表反射率影像數(shù)據(jù)集進(jìn)行云掩模，利用NDWIice和NDSI提取每幅影像冰面湖區(qū)域.將每幅影像的提取結(jié)果進(jìn)行最大值合成，得到該年格陵蘭中西部流域的最大水體范圍，作為冬季可能存在次表面湖的區(qū)域，對(duì)最大水體范圍中每個(gè)冰面湖轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)并進(jìn)行編碼，考慮到冰流速的逐年增加(Schr?der et al., 2020)，對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)學(xué)擴(kuò)張以確保可以完全提取冬季次表面湖范圍.
圖4 次表面湖提取流程圖(a) 夏季冰面湖可見(jiàn)光影像； (b) 夏季冰面湖范圍； (c) 冬季次表面湖可見(jiàn)光影像； (d) 冬季次表面湖SAR影像； (e) Rosin閾值分割方法； (f) 冬季次表面湖提取結(jié)果.Fig.4 Flow chart of the detection of buried lakes(a) Visible image of a supraglacial lake in summer; (b) Range of a supraglacial lake in summer; (c) Visible image of a buried lake in winter; (d) SAR image of a buried lake in winter; (e) Rosin Threshold Segmentation method; (f) Extraction of a buried lake in winter.
其次，對(duì)Sentinel-1的SAR GRD數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括：熱噪聲去除、輻射校正和地形校正，并按照月份進(jìn)行合成，利用擴(kuò)張后的冰面湖矢量提取其對(duì)應(yīng)的SAR影像.
最后，提取格陵蘭冰蓋次表面湖.由于次表面湖經(jīng)過(guò)消融、掩埋和凍結(jié)三個(gè)過(guò)程，冬季所能提取到的水體范圍要小于夏季最大水體范圍.由于次表面湖與冰面背景的后向散射差異，冰面湖矢量所對(duì)應(yīng)其冬季SAR影像應(yīng)存在兩種情況：其一，影像僅含有冰面背景，影像直方圖為正態(tài)分布；其二，影像同時(shí)含有冰面背景和次表面湖，影像中水體占比較小時(shí)，直方圖呈現(xiàn)偏峰分布(圖5a)，影像中水體占比較大時(shí)，直方圖呈現(xiàn)雙峰分布(圖5b).研究區(qū)夏季最大水體范圍掩膜內(nèi)的SAR影像直方圖以偏峰分布為主，故文章采用基于Rosin閾值分割的方法從雙峰分布或偏峰分布中動(dòng)態(tài)提取次表面湖(Rosin, 2001).
圖5 次表面湖SAR影像直方圖(a) 水體占比較小時(shí)SAR影像直方圖； (b) 水體占比較大時(shí)SAR影像直方圖.Fig.5 Histogram of SAR image of buried lakes(a) Histogram of SAR image with small water occupation; (b) Histogram of SAR image with large water occupation.
Rosin閾值分割算法適用于研究區(qū)存在一個(gè)主要地物類(lèi)型，除此類(lèi)型之外還會(huì)存在一個(gè)相對(duì)次要地物類(lèi)型的情況.后一類(lèi)地物可能會(huì)產(chǎn)生可辨別的峰或不可辨別的峰，需要與主峰合理地分開(kāi)，以免其包含的信息被主峰淹沒(méi)(Rosin, 2001).其主要思想是從直方圖的最大值點(diǎn)引出一條直線，連接向左尋找到的第一個(gè)零值點(diǎn)，從直方圖中各點(diǎn)向該直線做垂線，距離最大的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的灰度值即為所求的閾值(Rosin, 2001)(圖4e).利用上述方法遍歷所有水體矢量，提取格陵蘭中西部流域冬季次表面湖.
2.4 方法驗(yàn)證
方法驗(yàn)證主要分析了利用監(jiān)督分類(lèi)方法提取次表面湖的精度及存在的問(wèn)題，并對(duì)自動(dòng)提取算法的提取結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證(圖6).
圖6 監(jiān)督分類(lèi)法提取次表面湖Fig.6 Buried lakes extracted by supervised classification
〗首先，利用研究區(qū)冬季合成Sentinel-1 HV波段數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，提取冬季格陵蘭中西部流域次表面湖.高程數(shù)據(jù)采用來(lái)源于美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局(National Geospatial-Intelligence Agency，NGA)和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation，NSF)的ArcticDEM，分辨率為2 m(Morin et al., 2016).
由表1可得，研究區(qū)監(jiān)督分類(lèi)的精度隨樣本的數(shù)量的減少快速下降，故監(jiān)督分類(lèi)方法需在樣本量合適的情況下才可以得到較好的分類(lèi)精度，但其分類(lèi)精度嚴(yán)重依賴于樣本的選取及樣本選取的質(zhì)量.
表1 監(jiān)督分類(lèi)精度評(píng)定Table 1 Accuracy assessment of supervise classification
其次，在格陵蘭中西部流域選取了10個(gè)含有次表面湖的測(cè)試區(qū)域，利用冬季SAR影像，對(duì)測(cè)試區(qū)域內(nèi)的次表面湖進(jìn)行手動(dòng)勾繪，并與提取的次表面湖結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖7a—j代表所選擇的10個(gè)測(cè)試區(qū)域，分析其總體精度(Overall Accuracy，OA)及Kappa系數(shù)(表2).
表2 次表面湖提取精度評(píng)定Table 2 Accuracy evaluation of buried lakes extraction
10個(gè)測(cè)試區(qū)域的平均總體精度約為99.1%，平均Kappa系數(shù)約為0.85.10個(gè)測(cè)試區(qū)域Kappa系數(shù)大多處于0.6～0.8和高于0.8兩個(gè)區(qū)間，屬于高度的一致性和幾乎完全一致這兩個(gè)類(lèi)別，少部分低于0.6，屬于中等的一致性.驗(yàn)證了利用該方法提取格陵蘭中西部流域次表面湖的可行性.
3 結(jié)果
3.1 格陵蘭中西部流域夏季冰面湖空間分布
通過(guò)NDWIice和NDSI提取格陵蘭中西部流域融化季節(jié)(5—9月)的冰面湖(圖8)，主要分布在沿岸區(qū)域，圖8a—f是格陵蘭中西部流域夏季冰面湖提取結(jié)果的樣區(qū)，左側(cè)代表樣區(qū)夏季冰面湖可見(jiàn)光影像，右側(cè)代表夏季冰面湖的提取結(jié)果.2018年夏季探測(cè)到冰面湖共352個(gè)，總面積為102.28 km2，每個(gè)湖的平均面積為0.29 km2，面積主要集中在0.05～0.1 km2，約占總面積分布的38.9%，高程主要集中在900～1400 m，約占總高程分布的87.2%(圖9).
圖8 格陵蘭中西部流域冰面湖結(jié)果Fig.8 Supraglacial lakes in the Central West basin of Greenland
圖9 格陵蘭中西部流域冰面湖分布(a) 冰面湖面積分布范圍； (b) 冰面湖高程分布范圍.Fig.9 The distribution of supraglacial lakes in the Central West basin of Greenland(a) The area distribution of the supraglacial lakes; (b) The elevation distribution of the supraglacial lakes.
3.2 格陵蘭中西部流域冬季次表面湖分布
格陵蘭冬季次表面湖的提取采用最大值合成的方法，取2018年12月、2019年1月、2019年2月出現(xiàn)過(guò)的次表面湖合成 2018—2019年冬季次表面湖(圖10)，圖10a—f是格陵蘭中西部流域冬季次表面湖提取結(jié)果的樣區(qū)，左側(cè)代表樣區(qū)冬季次表面湖SAR影像，右側(cè)代表冬季次表面湖的提取結(jié)果.2018—2019年冬季探測(cè)到次表面湖共166個(gè)，總面積為44.07 km2，每個(gè)湖的平均面積為0.27 km2，面積主要集中在0.05～0.1 km2，約占總面積分布的40.7%，高程主要集中在900～1400 m，約占總高程分布的92.8%(圖11).
圖10 格陵蘭中西部流域次表面湖結(jié)果Fig.10 Buried lakes in the Central West basin of Greenland
圖11 格陵蘭中西部流域次表面湖分布(a) 次表面湖面積分布范圍； (b) 次表面湖高程分布范圍.Fig.11 The distribution of buried lakes in the Central West basin of Greenland(a) The area distribution of the buried lakes; (b) The elevation distribution of the buried lakes.
4 討論
結(jié)果表明基于SAR數(shù)據(jù)和Rosin閾值分割方法的格陵蘭冰蓋次表面湖監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效提取冬季格陵蘭次表面湖的范圍，證明格陵蘭中西部流域在冬季仍有大量水體存在于次表面.
此方法在提取次表面湖時(shí)，也會(huì)存在一定誤判的情況.首先冬季可能存在次表面湖的范圍依賴于夏季所提取的水體范圍，即與NDWIice指數(shù)閾值的選取有關(guān).NDWIice指數(shù)是提取冰蓋水體較為常用的方法，但其閾值的選擇會(huì)存在較大的差異(Miles et al., 2017; Schr?der et al., 2020; Benedek and Willis, 2021).Bell以0.14作為表面水體提取的閾值(Bell et al., 2017)，而Dunmire等(2021)則利用0.5為閾值提取夏季冰面湖.
由于NDWI用來(lái)提取格陵蘭水體的閾值集中在 0.14～0.5范圍內(nèi)(Miles et al., 2017; Schr?der et al., 2020; Benedek and Willis, 2021)，我們以0.05作為步長(zhǎng)，對(duì)水體指數(shù)NDWI做敏感性實(shí)驗(yàn)，分析NDWI變化對(duì)次表面湖提取結(jié)果的影響(表3).由測(cè)試結(jié)果可知，隨著NDWI取值的減少，夏季提取的水體范圍會(huì)有所增加，導(dǎo)致更多的淺水范圍被劃分為冬季可能存在次表面湖的情況，從而導(dǎo)致誤分的情況.本文僅針對(duì)較深水體進(jìn)行次表面湖的提取，故選擇0.5作為水體提取的閾值.
表3 冰面湖提取閾值的敏感性分析Table 3 Sensitivity analysis of threshold of supraglacial lakes extraction
其次，Rosin閾值分割法在提取冬季次表面湖時(shí)也會(huì)存在一定誤差.第一，雖然在冬季冰面和次表面水體的后向散射系數(shù)存在可分離性，但仍有一定的交集，尤其是在近岸地區(qū)，冬季水體與冰面的后向散射系數(shù)接近.由于Rosin閾值分割法僅根據(jù)每個(gè)冰面湖矢量?jī)?nèi)后向散射系數(shù)的概率密度分布得到分割閾值，故在沿岸地區(qū)會(huì)存在將冰面誤分為次表面湖的情況.第二，若在研究區(qū)域內(nèi)，冬季次表面湖面積小而冰面占比較大，其后向散射信息可能會(huì)淹沒(méi)于冰面的主峰故難以通過(guò)此方法而分離；第三，在僅有冰面的情況，研究區(qū)矢量范圍內(nèi)直方圖呈現(xiàn)正態(tài)分布，在此情況下，Rosin閾值分割法也有可能將少數(shù)冰面誤分為水體；第四，雖然Rosin閾值分割法可以處理部分雙峰的情況，但對(duì)于研究區(qū)矢量范圍內(nèi)兩種地物比例相當(dāng)或者次表面湖占主體的情況下，該方法也無(wú)法準(zhǔn)確提取次表面湖；第五，Rosin閾值分割法的精度也依賴于SAR影像的質(zhì)量.由于研究區(qū)內(nèi)水體矢量范圍影像直方圖以偏峰分布為主，綜上所述，利用Rosin閾值分割法提取次表面湖會(huì)存在一定的高估.
由于本文中次表面湖提取主要是依賴Rosin自適應(yīng)閾值分割的方式實(shí)現(xiàn)，故在獲得自適應(yīng)閾值后，分別對(duì)其進(jìn)行增加或減少1 dB、2 dB、3 dB，對(duì)Rosin閾值選取做敏感性實(shí)驗(yàn)，分析其不確定性(表4).由測(cè)試結(jié)果可知，Rosin所得到的次表面湖范圍對(duì)所使用的閾值非常敏感，提取閾值增加或減少會(huì)對(duì)提取范圍造成很大影響，例如，增加/減少3 dB會(huì)對(duì)提取結(jié)果造成317%/-481%的偏差，這正說(shuō)明使用全局閾值無(wú)法在大尺度上準(zhǔn)確提取所有次表面湖.
表4 次表面湖提取閾值的敏感性分析Table 4 Sensitivity analysis of threshold of buried lakes extraction
最后，影像本身也會(huì)存在一定的噪聲.影像的后向散射信息與采集的季節(jié)性時(shí)機(jī)、視線方向、入射角、表面和近表面的濕度、介電常數(shù)以及表面特征的結(jié)構(gòu)有關(guān)(Miles et al., 2017; Schr?der et al., 2020)，對(duì)提取的精確度造成影響.并且由于C波段微波雷達(dá)在冰雪中的穿透深度為1～10 m(Rignot and Mouginot, 2012)，我們的方法無(wú)法探測(cè)到超過(guò)此深度的水體.此外，利用此方法僅可以提取當(dāng)年夏季出現(xiàn)過(guò)表面融水的次表面湖，無(wú)法提取格陵蘭更靠近內(nèi)陸的區(qū)域全年不會(huì)暴露于地表的次表面湖.
5 總結(jié)與展望
本文提出了一種基于Rosin圖像分割算法，使用Sentinel-1數(shù)據(jù)自動(dòng)提取次表面湖范圍的方法，并得到2018—2019年冬季格陵蘭冰蓋中西部流域夏季冰面湖和冬季次表面湖分布范圍，得出結(jié)論如下：
(1)本研究提出的次表面湖提取算法的總體精度達(dá)到99%以上，Kappa系數(shù)達(dá)0.85，實(shí)現(xiàn)了對(duì)格陵蘭中西部流域次表面湖自動(dòng)提取的功能.該方法能用于整個(gè)格陵蘭各流域次表面湖的提取，深化對(duì)格陵蘭冰蓋物質(zhì)平衡的理解.對(duì)比機(jī)器學(xué)習(xí)方法，該方法在提取次表面湖時(shí)具有易于實(shí)現(xiàn)、不需要人工采集樣本且無(wú)需人為設(shè)定大量閾值的特點(diǎn).
(2)利用該方法提取2018—2019年格陵蘭中西部流域夏季冰面湖共352個(gè)，總面積為102.28 km2，冬季探測(cè)到次表面湖共166個(gè)，總面積為44.07 km2，說(shuō)明43.09%的夏季冰面湖在冬季不會(huì)完全凍結(jié).
(3)對(duì)比夏季冰面湖和冬季次表面湖，其面積和高程的總體分布趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)面積主要集中在0.05～0.1 km2，高程主要集中在900～1400 m的規(guī)律.在海拔大于1400 m的區(qū)域，夏季融化較少，冬季具有隔熱條件，更有利于物質(zhì)積累；對(duì)于海拔低于900 m的區(qū)域冰面湖排水系統(tǒng)更發(fā)達(dá)，不易形成次表面湖.
本研究也存在很多可以改進(jìn)的地方.首先，Rosin圖像分割算法在提取次表面湖時(shí)還存在一定的不確定性，主要體現(xiàn)在研究區(qū)內(nèi)僅有冰這一類(lèi)地物存在時(shí)的情況，利用Rosin閾值分割方法會(huì)將處于直方圖末端的少量像元誤分為次表面湖；在兩類(lèi)地物占比接近時(shí)提取精度較低，但此種情況的占比很小.其次，該方法在提取次表面湖時(shí)，僅采用2018年12月、2019年1月、2019年2月三個(gè)月份作為2018—2019年冬季次表面湖提取的時(shí)間范圍，未能分析次表面湖隨時(shí)間的變化情況，也未以單個(gè)湖體為單位分析其面積變化及監(jiān)測(cè)其排水情況，難以分析其儲(chǔ)量及生消規(guī)律等特征，也無(wú)法開(kāi)展其變化機(jī)制的研究.最后，由于目前大量可用的SAR數(shù)據(jù)從2017年開(kāi)始獲取，難以對(duì)次表面湖進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析.多數(shù)次表面湖是一個(gè)重新凍結(jié)的過(guò)程，其對(duì)冰蓋穩(wěn)定性及物質(zhì)平衡的影響應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其排水過(guò)程，隨著數(shù)據(jù)積累，此項(xiàng)工作將是將來(lái)研究的重點(diǎn).
因此，進(jìn)一步研究將通過(guò)增添直方圖分類(lèi)情況、增加其他分割算法以及引入同極化數(shù)據(jù)等方法優(yōu)化地物類(lèi)型判斷方法，對(duì)格陵蘭次表面湖的演變進(jìn)行監(jiān)測(cè)并研究其形成及變化機(jī)理，分析次表面湖的形成、發(fā)展與排水事件對(duì)冰蓋穩(wěn)定性或物質(zhì)平衡的影響.
致謝感謝中山大學(xué)蔣彌副教授對(duì)研究提出的建設(shè)性意見(jiàn)；感謝美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，USGS)提供的Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)；感謝歐洲航天局(European Space Agency，ESA)提供的Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)(https:∥sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/missions/sentinel1)；感謝美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)極地空間數(shù)據(jù)中心提供的ArcticDEM高程數(shù)據(jù)(https:∥www.pgc.umn.edu/data/arcticdem/).
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李嵐靜， 陳卓奇,2,3*， 鄭雷,2,3， 程曉,2,3
1 中山大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 廣東珠海 519082 2 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海), 廣東珠海 519082 3 中國(guó)高校極地聯(lián)合研究中心, 北京 100875
0 引言
格陵蘭冰蓋是全球第二大陸地冰蓋，其完全消融將引起全球海平面上升7.4 m(Morlighem et al., 2017).過(guò)去幾十年，北極是全球氣溫上升最快的地區(qū)，增溫幅度達(dá)到1.2 ℃/10a，是全球平均增溫速度的2倍以上.快速上升的氣溫增強(qiáng)了格陵蘭冰蓋表面消融，促進(jìn)了冰面湖的形成，加強(qiáng)了冰蓋表面徑流，加劇了冰蓋的物質(zhì)損失(Leeson et al., 2015; Chen et al., 2006; Trusel et al., 2018).研究表明，格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失平均速率已從1991—2001年間的34(-6～74)Gt/a大幅增至2002—2011年間的215(157～274)Gt/a，物質(zhì)損耗的加速度為21.9±1 Gt/a(Stocker, 2014)，其中50.3%的物質(zhì)損失由冰蓋表面消融貢獻(xiàn)(The IMBIE Team, 2020).因此，格陵蘭冰蓋表面消融是格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失最重要的影響因素之一.
格陵蘭冰蓋表面消融加劇直接導(dǎo)致了格陵蘭冰面湖的增加(Howat et al., 2013).格陵蘭冰面湖數(shù)量、面積和深度提取、形成機(jī)制、生長(zhǎng)周期和排水事件監(jiān)測(cè)成為了國(guó)際研究熱點(diǎn)(Pope et al., 2016; Williamson et al., 2018; Yang et al., 2019).但近期研究表明格陵蘭大量冰面湖在冬季不會(huì)完全凍結(jié).Koenig等(2014, 2015)基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)首次發(fā)現(xiàn)了格陵蘭冰蓋次表面湖的存在，并利用IceBridge資料證實(shí)了格陵蘭冰蓋存在大量的次表面湖.這些次表面湖在冬季保持液態(tài)，溫度在0 ℃左右，比冰蓋表面溫度高，成為冰蓋內(nèi)部的一個(gè)熱庫(kù)(Koenig et al., 2015).滯留在冰蓋次表層的融水對(duì)格陵蘭冰蓋消融、穩(wěn)定性和物質(zhì)損失會(huì)產(chǎn)生重要的影響(Harper et al., 2012; Machguth et al., 2016; MacFerrin et al., 2019)，因此，對(duì)格陵蘭次表面湖的研究對(duì)于理解格陵蘭冰蓋物質(zhì)平衡具有非常重要的價(jià)值.
與格陵蘭冰面湖不同，格陵蘭冰蓋次表面湖被掩埋在冰雪層的內(nèi)部，難以用可見(jiàn)光遙感手段進(jìn)行監(jiān)測(cè).Koenig等(2015)利用IceBridge計(jì)劃獲得的機(jī)載雪雷達(dá)數(shù)據(jù)(2～6.5 GHz)，提取了2009—2012年格陵蘭冰蓋的次表面湖分布.雪雷達(dá)具有很好的穿透性，可以準(zhǔn)確的提取次表面湖的位置，但不能識(shí)別次表面湖的形狀和面積等信息，且僅能獲得飛機(jī)航線經(jīng)過(guò)區(qū)域的次表面湖，難以獲得全格陵蘭冰蓋次表面湖的分布.
另一種可用于監(jiān)測(cè)格陵蘭冰蓋次表面湖的方法是合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(Synthetic Aperture Radar，SAR).有研究表明C波段SAR信號(hào)可以穿透雪層1～10 m(Rignot et al., 2001).由于冰層和水體的后向散射系數(shù)顯著不同(Fahnestock et al., 1993).科學(xué)家提出可以利用Sentinel-1衛(wèi)星C波段后向散射系數(shù)監(jiān)測(cè)格陵蘭冰蓋次表面湖的分布(Miles et al., 2017; Schr?der et al., 2020; Dunmire et al., 2021).這類(lèi)算法的理論基礎(chǔ)是HH和HV極化的后向散射系數(shù)分別代表了次表面湖的面散射和冰體的體散射信號(hào)，通過(guò)對(duì)HH和HV極化信號(hào)的差異進(jìn)行分離實(shí)現(xiàn)對(duì)格陵蘭冰蓋次表面湖的監(jiān)測(cè)(Schr?der et al., 2020).
基于SAR數(shù)據(jù)的格陵蘭冰蓋次表面湖監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)次表面湖位置、形狀、面積的監(jiān)測(cè).但Sentinel-1衛(wèi)星C波段后向散射系數(shù)易受到地面幾何屬性的影響(如表面粗糙度、雪粒徑、冰層內(nèi)部結(jié)構(gòu)等)(Fahnestock et al.,1993).這些問(wèn)題給格陵蘭冰蓋次表面湖監(jiān)測(cè)帶來(lái)了很大的困難(Schr?der et al., 2020).現(xiàn)有研究大多采用監(jiān)督式學(xué)習(xí)的方法提取格陵蘭冰蓋次表面湖(Schr?der et al., 2020; Dunmire et al., 2021).該類(lèi)方法的優(yōu)勢(shì)是算法簡(jiǎn)單，但其算法精度嚴(yán)重依賴于樣本庫(kù)的選擇且常存在眾多人為設(shè)定的閾值.但受制于HH、HV后向散射系數(shù)的特點(diǎn)和監(jiān)督式學(xué)習(xí)方法的特性，利用監(jiān)督式學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)格陵蘭冰蓋全域次表面湖的監(jiān)測(cè)仍存在很大的不確定性.本研究的目的是利用無(wú)監(jiān)督式學(xué)習(xí)的方法，以格陵蘭中西部流域?yàn)槔?，提取夏季出現(xiàn)過(guò)但冬季未完全凍結(jié)的水體.
基于此，本文旨在利用Landsat8和Sentinel-1的影像，在提取出夏季冰面湖范圍的基礎(chǔ)上，發(fā)展基于Rosin圖像分割算法的格陵蘭冰蓋次表面湖提取方法，對(duì)方法有效性進(jìn)行驗(yàn)證后，應(yīng)用該方法提取2018—2019年冬季格陵蘭中西部流域次表面湖.
1 研究區(qū)域
參考Rignot和Mouginot(2012)的格陵蘭流域劃分結(jié)果，本研究選取格陵蘭中西部流域?yàn)檠芯繀^(qū)(70°N—75°N, 40°W—50°W)(圖1).此流域平均高程為2427.1 m，存在廣泛而活躍的冰川水文系統(tǒng)(Miles et al., 2017)，并且有著大量的沿岸冰面湖(Lewis and Smith, 2009).
圖1 研究區(qū)范圍采用基于Landsat-8的格陵蘭真彩色合成影像(Chen et al., 2020).格陵蘭流域的劃分采用Rignot和Mouginot(2012)流域分割方法.Fig.1 Study areaGreenland true color synthetic image based on Landsat-8 is obtained from Chen et al., (2020). Greenland watershed is obtained from Rignot and Mouginot (2012).
2 數(shù)據(jù)與研究方法
2.1 Sentinel-1
Sentinel-1由處于同一軌道平面的兩顆攜帶C波段合成孔徑雷達(dá)極軌衛(wèi)星Sentinel-1A和Sentinel-1B組成，Sentinel-1A和Sentinel-1B分別于2014年4月3日和2016年4月15日發(fā)射升空.單顆衛(wèi)星重訪周期為12天，雙星重訪周期提高至6天，更有利于對(duì)研究區(qū)的連續(xù)觀測(cè)(Schr?der et al., 2020)，在Sentinel-1B發(fā)射前Sentinel-1未實(shí)現(xiàn)格陵蘭地區(qū)影像的全覆蓋.
作為主動(dòng)微波遙感衛(wèi)星，Sentinel-1在對(duì)格陵蘭的觀測(cè)中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).其一，由于其接收的是傳感器發(fā)射后經(jīng)地物反射后的后向散射信息，不受黑夜、云的影響，故可以全天時(shí)、全天候?qū)Φ貙?shí)施觀測(cè)；其二，與光學(xué)影像相比，Sentinel-1搭載的C波段SAR具有一定的地表穿透能力，可以穿透覆蓋在次表面湖之上的冰或雪，觀測(cè)到次表面的水體.
Sentinel-1 SAR包括四種工作模式，分別為干涉寬帶模式(Interferometric Wide swath Mode，IW)、條帶模式(Strip Map Mode，SM)、超幅寬模式(Extra-Wide Swath Mode，EWS)以及波模式(Wave Mode)，IW模式以5 m×20 m的空間分辨率獲取250 km的帶狀影像，是Sentinel-1在陸地上的主要采集模式.EWS模式以犧牲空間分辨率為代價(jià)提供了非常大的區(qū)域覆蓋，由于次表面湖面積較小，故在此選擇IW模式，在此模式下，衛(wèi)星具有雙極化的能力(HH+HV或VV+VH)，次表面湖在不同極化方式中的表現(xiàn)形式也不盡相同.同極化信號(hào)對(duì)表散射比較敏感，而交叉極化對(duì)體散射敏感，可視為是體散射的表達(dá) (Schr?der et al., 2020)，且交叉極化信噪比較大，受表面粗糙度的影響較小(Miles et al., 2017)，反映了由于液態(tài)水的存在而導(dǎo)致的微波后向散射的變化(Dunmire et al., 2021)，因此本研究采用交叉極化數(shù)據(jù)開(kāi)展工作.
歐洲航天局(European Space Agency，ESA)為Sentinel-1提供4種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，本文采用一級(jí)GRD(Ground Range Detected)數(shù)據(jù)產(chǎn)品.
2.2 夏季冰面湖提取方法
已有研究表明，部分格陵蘭冰蓋次表面湖是由夏季冰面湖發(fā)育而來(lái).以夏季冰面湖分布為先驗(yàn)知識(shí)，可以大幅提高冬季次表面湖提取的精度和效率.基于此，本研究開(kāi)展了格陵蘭冰蓋夏季冰面湖分布提取研究，采用2018年5月至9月Landsat8影像共108幅.
在格陵蘭冰面湖提取過(guò)程中，夏季冰面湖和融化的冰、積雪、粒雪的近紅外的反射率都很低，無(wú)法區(qū)分，故采用改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)NDWIice，利用藍(lán)光波段和紅光波段的歸一化比值，以識(shí)別這種位于格陵蘭冰面上獨(dú)特環(huán)境的水體特征(Yang and Smith, 2013).
(1)
式(1)中的BLUE和RED對(duì)應(yīng)Landsat8的第二和第四波段.
本文取0.5作為NDWIice指數(shù)的全局經(jīng)驗(yàn)閾值,將整個(gè)研究區(qū)二值化為水區(qū)域和非水區(qū)域，認(rèn)為小于0.5為非水區(qū)域(Dunmire et al., 2021).
加入歸一化積雪指數(shù)NDSI,利用綠光波段和短波紅外波段的歸一化比值可以消除云和裸巖造成的冰面湖提取誤差(Moussavi et al., 2020).
(2)
式(2)中的GREEN和SWIR對(duì)應(yīng)Landsat8的第三波段和第六波段.
本文取0.85作為NDSI的經(jīng)驗(yàn)閾值(Dunmire et al., 2021),去除NDSI小于0.85范圍.
2.3 次表面湖探測(cè)方法
由于格陵蘭冰蓋次表面湖被掩埋在冰雪層的內(nèi)部，可見(jiàn)光遙感手段僅能監(jiān)測(cè)格陵蘭冰面湖的變化，而無(wú)法對(duì)次表面的情況進(jìn)行分析，在冬季無(wú)法獲得次表面有效信息(圖2).在冬季，冰層和水體由于介電常數(shù)不同，兩者的后向散射系數(shù)顯著不同(圖3)，以此為依據(jù)可利用SAR影像進(jìn)行次表面湖的提取.
圖2 冰面湖探測(cè)實(shí)例Fig.2 Example of the detection of supraglacial lakes
圖3 格陵蘭中西部流域水體、冰面直方圖Fig.3 Histogram of water and ice in the Central West basin of Greenland
本研究提取次表面湖的流程如圖4所示.首先，進(jìn)行夏季冰面湖提取.對(duì)2018年5月至9月Landsat8地表反射率影像數(shù)據(jù)集進(jìn)行云掩模，利用NDWIice和NDSI提取每幅影像冰面湖區(qū)域.將每幅影像的提取結(jié)果進(jìn)行最大值合成，得到該年格陵蘭中西部流域的最大水體范圍，作為冬季可能存在次表面湖的區(qū)域，對(duì)最大水體范圍中每個(gè)冰面湖轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)并進(jìn)行編碼，考慮到冰流速的逐年增加(Schr?der et al., 2020)，對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)學(xué)擴(kuò)張以確保可以完全提取冬季次表面湖范圍.
圖4 次表面湖提取流程圖(a) 夏季冰面湖可見(jiàn)光影像； (b) 夏季冰面湖范圍； (c) 冬季次表面湖可見(jiàn)光影像； (d) 冬季次表面湖SAR影像； (e) Rosin閾值分割方法； (f) 冬季次表面湖提取結(jié)果.Fig.4 Flow chart of the detection of buried lakes(a) Visible image of a supraglacial lake in summer; (b) Range of a supraglacial lake in summer; (c) Visible image of a buried lake in winter; (d) SAR image of a buried lake in winter; (e) Rosin Threshold Segmentation method; (f) Extraction of a buried lake in winter.
其次，對(duì)Sentinel-1的SAR GRD數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括：熱噪聲去除、輻射校正和地形校正，并按照月份進(jìn)行合成，利用擴(kuò)張后的冰面湖矢量提取其對(duì)應(yīng)的SAR影像.
最后，提取格陵蘭冰蓋次表面湖.由于次表面湖經(jīng)過(guò)消融、掩埋和凍結(jié)三個(gè)過(guò)程，冬季所能提取到的水體范圍要小于夏季最大水體范圍.由于次表面湖與冰面背景的后向散射差異，冰面湖矢量所對(duì)應(yīng)其冬季SAR影像應(yīng)存在兩種情況：其一，影像僅含有冰面背景，影像直方圖為正態(tài)分布；其二，影像同時(shí)含有冰面背景和次表面湖，影像中水體占比較小時(shí)，直方圖呈現(xiàn)偏峰分布(圖5a)，影像中水體占比較大時(shí)，直方圖呈現(xiàn)雙峰分布(圖5b).研究區(qū)夏季最大水體范圍掩膜內(nèi)的SAR影像直方圖以偏峰分布為主，故文章采用基于Rosin閾值分割的方法從雙峰分布或偏峰分布中動(dòng)態(tài)提取次表面湖(Rosin, 2001).
圖5 次表面湖SAR影像直方圖(a) 水體占比較小時(shí)SAR影像直方圖； (b) 水體占比較大時(shí)SAR影像直方圖.Fig.5 Histogram of SAR image of buried lakes(a) Histogram of SAR image with small water occupation; (b) Histogram of SAR image with large water occupation.
Rosin閾值分割算法適用于研究區(qū)存在一個(gè)主要地物類(lèi)型，除此類(lèi)型之外還會(huì)存在一個(gè)相對(duì)次要地物類(lèi)型的情況.后一類(lèi)地物可能會(huì)產(chǎn)生可辨別的峰或不可辨別的峰，需要與主峰合理地分開(kāi)，以免其包含的信息被主峰淹沒(méi)(Rosin, 2001).其主要思想是從直方圖的最大值點(diǎn)引出一條直線，連接向左尋找到的第一個(gè)零值點(diǎn)，從直方圖中各點(diǎn)向該直線做垂線，距離最大的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的灰度值即為所求的閾值(Rosin, 2001)(圖4e).利用上述方法遍歷所有水體矢量，提取格陵蘭中西部流域冬季次表面湖.
2.4 方法驗(yàn)證
方法驗(yàn)證主要分析了利用監(jiān)督分類(lèi)方法提取次表面湖的精度及存在的問(wèn)題，并對(duì)自動(dòng)提取算法的提取結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證(圖6).
圖6 監(jiān)督分類(lèi)法提取次表面湖Fig.6 Buried lakes extracted by supervised classification
〗首先，利用研究區(qū)冬季合成Sentinel-1 HV波段數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，提取冬季格陵蘭中西部流域次表面湖.高程數(shù)據(jù)采用來(lái)源于美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局(National Geospatial-Intelligence Agency，NGA)和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation，NSF)的ArcticDEM，分辨率為2 m(Morin et al., 2016).
由表1可得，研究區(qū)監(jiān)督分類(lèi)的精度隨樣本的數(shù)量的減少快速下降，故監(jiān)督分類(lèi)方法需在樣本量合適的情況下才可以得到較好的分類(lèi)精度，但其分類(lèi)精度嚴(yán)重依賴于樣本的選取及樣本選取的質(zhì)量.
表1 監(jiān)督分類(lèi)精度評(píng)定Table 1 Accuracy assessment of supervise classification
其次，在格陵蘭中西部流域選取了10個(gè)含有次表面湖的測(cè)試區(qū)域，利用冬季SAR影像，對(duì)測(cè)試區(qū)域內(nèi)的次表面湖進(jìn)行手動(dòng)勾繪，并與提取的次表面湖結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖7a—j代表所選擇的10個(gè)測(cè)試區(qū)域，分析其總體精度(Overall Accuracy，OA)及Kappa系數(shù)(表2).
表2 次表面湖提取精度評(píng)定Table 2 Accuracy evaluation of buried lakes extraction
10個(gè)測(cè)試區(qū)域的平均總體精度約為99.1%，平均Kappa系數(shù)約為0.85.10個(gè)測(cè)試區(qū)域Kappa系數(shù)大多處于0.6～0.8和高于0.8兩個(gè)區(qū)間，屬于高度的一致性和幾乎完全一致這兩個(gè)類(lèi)別，少部分低于0.6，屬于中等的一致性.驗(yàn)證了利用該方法提取格陵蘭中西部流域次表面湖的可行性.
3 結(jié)果
3.1 格陵蘭中西部流域夏季冰面湖空間分布
通過(guò)NDWIice和NDSI提取格陵蘭中西部流域融化季節(jié)(5—9月)的冰面湖(圖8)，主要分布在沿岸區(qū)域，圖8a—f是格陵蘭中西部流域夏季冰面湖提取結(jié)果的樣區(qū)，左側(cè)代表樣區(qū)夏季冰面湖可見(jiàn)光影像，右側(cè)代表夏季冰面湖的提取結(jié)果.2018年夏季探測(cè)到冰面湖共352個(gè)，總面積為102.28 km2，每個(gè)湖的平均面積為0.29 km2，面積主要集中在0.05～0.1 km2，約占總面積分布的38.9%，高程主要集中在900～1400 m，約占總高程分布的87.2%(圖9).
圖8 格陵蘭中西部流域冰面湖結(jié)果Fig.8 Supraglacial lakes in the Central West basin of Greenland
圖9 格陵蘭中西部流域冰面湖分布(a) 冰面湖面積分布范圍； (b) 冰面湖高程分布范圍.Fig.9 The distribution of supraglacial lakes in the Central West basin of Greenland(a) The area distribution of the supraglacial lakes; (b) The elevation distribution of the supraglacial lakes.
3.2 格陵蘭中西部流域冬季次表面湖分布
格陵蘭冬季次表面湖的提取采用最大值合成的方法，取2018年12月、2019年1月、2019年2月出現(xiàn)過(guò)的次表面湖合成 2018—2019年冬季次表面湖(圖10)，圖10a—f是格陵蘭中西部流域冬季次表面湖提取結(jié)果的樣區(qū)，左側(cè)代表樣區(qū)冬季次表面湖SAR影像，右側(cè)代表冬季次表面湖的提取結(jié)果.2018—2019年冬季探測(cè)到次表面湖共166個(gè)，總面積為44.07 km2，每個(gè)湖的平均面積為0.27 km2，面積主要集中在0.05～0.1 km2，約占總面積分布的40.7%，高程主要集中在900～1400 m，約占總高程分布的92.8%(圖11).
圖10 格陵蘭中西部流域次表面湖結(jié)果Fig.10 Buried lakes in the Central West basin of Greenland
圖11 格陵蘭中西部流域次表面湖分布(a) 次表面湖面積分布范圍； (b) 次表面湖高程分布范圍.Fig.11 The distribution of buried lakes in the Central West basin of Greenland(a) The area distribution of the buried lakes; (b) The elevation distribution of the buried lakes.
4 討論
結(jié)果表明基于SAR數(shù)據(jù)和Rosin閾值分割方法的格陵蘭冰蓋次表面湖監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效提取冬季格陵蘭次表面湖的范圍，證明格陵蘭中西部流域在冬季仍有大量水體存在于次表面.
此方法在提取次表面湖時(shí)，也會(huì)存在一定誤判的情況.首先冬季可能存在次表面湖的范圍依賴于夏季所提取的水體范圍，即與NDWIice指數(shù)閾值的選取有關(guān).NDWIice指數(shù)是提取冰蓋水體較為常用的方法，但其閾值的選擇會(huì)存在較大的差異(Miles et al., 2017; Schr?der et al., 2020; Benedek and Willis, 2021).Bell以0.14作為表面水體提取的閾值(Bell et al., 2017)，而Dunmire等(2021)則利用0.5為閾值提取夏季冰面湖.
由于NDWI用來(lái)提取格陵蘭水體的閾值集中在 0.14～0.5范圍內(nèi)(Miles et al., 2017; Schr?der et al., 2020; Benedek and Willis, 2021)，我們以0.05作為步長(zhǎng)，對(duì)水體指數(shù)NDWI做敏感性實(shí)驗(yàn)，分析NDWI變化對(duì)次表面湖提取結(jié)果的影響(表3).由測(cè)試結(jié)果可知，隨著NDWI取值的減少，夏季提取的水體范圍會(huì)有所增加，導(dǎo)致更多的淺水范圍被劃分為冬季可能存在次表面湖的情況，從而導(dǎo)致誤分的情況.本文僅針對(duì)較深水體進(jìn)行次表面湖的提取，故選擇0.5作為水體提取的閾值.
表3 冰面湖提取閾值的敏感性分析Table 3 Sensitivity analysis of threshold of supraglacial lakes extraction
其次，Rosin閾值分割法在提取冬季次表面湖時(shí)也會(huì)存在一定誤差.第一，雖然在冬季冰面和次表面水體的后向散射系數(shù)存在可分離性，但仍有一定的交集，尤其是在近岸地區(qū)，冬季水體與冰面的后向散射系數(shù)接近.由于Rosin閾值分割法僅根據(jù)每個(gè)冰面湖矢量?jī)?nèi)后向散射系數(shù)的概率密度分布得到分割閾值，故在沿岸地區(qū)會(huì)存在將冰面誤分為次表面湖的情況.第二，若在研究區(qū)域內(nèi)，冬季次表面湖面積小而冰面占比較大，其后向散射信息可能會(huì)淹沒(méi)于冰面的主峰故難以通過(guò)此方法而分離；第三，在僅有冰面的情況，研究區(qū)矢量范圍內(nèi)直方圖呈現(xiàn)正態(tài)分布，在此情況下，Rosin閾值分割法也有可能將少數(shù)冰面誤分為水體；第四，雖然Rosin閾值分割法可以處理部分雙峰的情況，但對(duì)于研究區(qū)矢量范圍內(nèi)兩種地物比例相當(dāng)或者次表面湖占主體的情況下，該方法也無(wú)法準(zhǔn)確提取次表面湖；第五，Rosin閾值分割法的精度也依賴于SAR影像的質(zhì)量.由于研究區(qū)內(nèi)水體矢量范圍影像直方圖以偏峰分布為主，綜上所述，利用Rosin閾值分割法提取次表面湖會(huì)存在一定的高估.
由于本文中次表面湖提取主要是依賴Rosin自適應(yīng)閾值分割的方式實(shí)現(xiàn)，故在獲得自適應(yīng)閾值后，分別對(duì)其進(jìn)行增加或減少1 dB、2 dB、3 dB，對(duì)Rosin閾值選取做敏感性實(shí)驗(yàn)，分析其不確定性(表4).由測(cè)試結(jié)果可知，Rosin所得到的次表面湖范圍對(duì)所使用的閾值非常敏感，提取閾值增加或減少會(huì)對(duì)提取范圍造成很大影響，例如，增加/減少3 dB會(huì)對(duì)提取結(jié)果造成317%/-481%的偏差，這正說(shuō)明使用全局閾值無(wú)法在大尺度上準(zhǔn)確提取所有次表面湖.
表4 次表面湖提取閾值的敏感性分析Table 4 Sensitivity analysis of threshold of buried lakes extraction
最后，影像本身也會(huì)存在一定的噪聲.影像的后向散射信息與采集的季節(jié)性時(shí)機(jī)、視線方向、入射角、表面和近表面的濕度、介電常數(shù)以及表面特征的結(jié)構(gòu)有關(guān)(Miles et al., 2017; Schr?der et al., 2020)，對(duì)提取的精確度造成影響.并且由于C波段微波雷達(dá)在冰雪中的穿透深度為1～10 m(Rignot and Mouginot, 2012)，我們的方法無(wú)法探測(cè)到超過(guò)此深度的水體.此外，利用此方法僅可以提取當(dāng)年夏季出現(xiàn)過(guò)表面融水的次表面湖，無(wú)法提取格陵蘭更靠近內(nèi)陸的區(qū)域全年不會(huì)暴露于地表的次表面湖.
5 總結(jié)與展望
本文提出了一種基于Rosin圖像分割算法，使用Sentinel-1數(shù)據(jù)自動(dòng)提取次表面湖范圍的方法，并得到2018—2019年冬季格陵蘭冰蓋中西部流域夏季冰面湖和冬季次表面湖分布范圍，得出結(jié)論如下：
(1)本研究提出的次表面湖提取算法的總體精度達(dá)到99%以上，Kappa系數(shù)達(dá)0.85，實(shí)現(xiàn)了對(duì)格陵蘭中西部流域次表面湖自動(dòng)提取的功能.該方法能用于整個(gè)格陵蘭各流域次表面湖的提取，深化對(duì)格陵蘭冰蓋物質(zhì)平衡的理解.對(duì)比機(jī)器學(xué)習(xí)方法，該方法在提取次表面湖時(shí)具有易于實(shí)現(xiàn)、不需要人工采集樣本且無(wú)需人為設(shè)定大量閾值的特點(diǎn).
(2)利用該方法提取2018—2019年格陵蘭中西部流域夏季冰面湖共352個(gè)，總面積為102.28 km2，冬季探測(cè)到次表面湖共166個(gè)，總面積為44.07 km2，說(shuō)明43.09%的夏季冰面湖在冬季不會(huì)完全凍結(jié).
(3)對(duì)比夏季冰面湖和冬季次表面湖，其面積和高程的總體分布趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)面積主要集中在0.05～0.1 km2，高程主要集中在900～1400 m的規(guī)律.在海拔大于1400 m的區(qū)域，夏季融化較少，冬季具有隔熱條件，更有利于物質(zhì)積累；對(duì)于海拔低于900 m的區(qū)域冰面湖排水系統(tǒng)更發(fā)達(dá)，不易形成次表面湖.
本研究也存在很多可以改進(jìn)的地方.首先，Rosin圖像分割算法在提取次表面湖時(shí)還存在一定的不確定性，主要體現(xiàn)在研究區(qū)內(nèi)僅有冰這一類(lèi)地物存在時(shí)的情況，利用Rosin閾值分割方法會(huì)將處于直方圖末端的少量像元誤分為次表面湖；在兩類(lèi)地物占比接近時(shí)提取精度較低，但此種情況的占比很小.其次，該方法在提取次表面湖時(shí)，僅采用2018年12月、2019年1月、2019年2月三個(gè)月份作為2018—2019年冬季次表面湖提取的時(shí)間范圍，未能分析次表面湖隨時(shí)間的變化情況，也未以單個(gè)湖體為單位分析其面積變化及監(jiān)測(cè)其排水情況，難以分析其儲(chǔ)量及生消規(guī)律等特征，也無(wú)法開(kāi)展其變化機(jī)制的研究.最后，由于目前大量可用的SAR數(shù)據(jù)從2017年開(kāi)始獲取，難以對(duì)次表面湖進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析.多數(shù)次表面湖是一個(gè)重新凍結(jié)的過(guò)程，其對(duì)冰蓋穩(wěn)定性及物質(zhì)平衡的影響應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其排水過(guò)程，隨著數(shù)據(jù)積累，此項(xiàng)工作將是將來(lái)研究的重點(diǎn).
因此，進(jìn)一步研究將通過(guò)增添直方圖分類(lèi)情況、增加其他分割算法以及引入同極化數(shù)據(jù)等方法優(yōu)化地物類(lèi)型判斷方法，對(duì)格陵蘭次表面湖的演變進(jìn)行監(jiān)測(cè)并研究其形成及變化機(jī)理，分析次表面湖的形成、發(fā)展與排水事件對(duì)冰蓋穩(wěn)定性或物質(zhì)平衡的影響.
致謝感謝中山大學(xué)蔣彌副教授對(duì)研究提出的建設(shè)性意見(jiàn)；感謝美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，USGS)提供的Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)；感謝歐洲航天局(European Space Agency，ESA)提供的Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)(https:∥sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/missions/sentinel1)；感謝美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)極地空間數(shù)據(jù)中心提供的ArcticDEM高程數(shù)據(jù)(https:∥www.pgc.umn.edu/data/arcticdem/).
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