哨兵1號影像在南極觸地線提取中的應(yīng)用與分析

趙現(xiàn)仁,邢 喆,張 峰,郭燦文,王 晶,孫 毅,馬 永,趙彬如,王 劍

(國家海洋信息中心,天津 300171)

觸地線位于冰川觸地區(qū)內(nèi),是內(nèi)陸冰蓋或潮水冰川的觸地部分與相鄰的浮冰架或冰川之間的過渡性邊界[1-3],觸地區(qū)寬度通常為幾千米[4],受潮汐運動、大氣載荷和其他海洋過程的影響而垂直振蕩,當(dāng)冰架與周圍的基巖、島嶼和冰升等相接時,就會發(fā)生冰川觸地[5]。觸地線是計算冰通量的自然邊界[6-7],觸地線的精確位置對于南極冰川物質(zhì)平衡的計算至關(guān)重要,觸地線位置偏差造成冰通量計算錯誤,從而給物質(zhì)平衡估算帶來較大偏差[8]。觸地線是冰川動力學(xué)研究中的重要參數(shù),觸地區(qū)是冰川動力發(fā)生改變的過渡地帶,從主要以垂直剪切力為主的觸地狀態(tài)的冰流到以縱向拉伸和橫向剪切為主的浮力驅(qū)動冰架流的運動過程[9],是冰蓋動力學(xué)現(xiàn)代數(shù)值建模的難點之一[10-11]。觸地線是冰川變化和海平面變化的一個重要指示器,觸地線位置的時空變化是對冰架厚度變化、海平面變化的直接響應(yīng),冰架變薄和冰架崩解會引起觸地線的回退,觸地線的回退可能又會對冰川厚度和冰流失產(chǎn)生反饋作用,導(dǎo)致觸地區(qū)冰層增厚及冰流速增大[12-14],且隨著海平面的升降而產(chǎn)生進退。因此,長期連續(xù)監(jiān)測觸地線位置的變化對于冰川學(xué)研究很重要。目前,國際上公開的常用觸地線產(chǎn)品主要有4種:①基于260幅南極MODIS影像鑲嵌圖,利用冰架坡度變化特征生成的MOA GL 2004和MOA GL 2009觸地線產(chǎn)品[15];②利用收集的1999—2003年15 m分辨率Landsat 7 ETM+影像,以及ICESat數(shù)據(jù)得到地表精確高程信息提取的觸地線產(chǎn)品[16];③由2003—2009年的激光測高數(shù)據(jù)提取的觸地線產(chǎn)品[17];④基于DDInSAR方法和ERS1/2、RADARSAT1/2和ALOS/PALSAR等多源雷達影像數(shù)據(jù)提取的觸地線產(chǎn)品[1]。

觸地線的提取方法主要包括實地觀測和遙感提取兩種手段[18-19],考慮到南極地區(qū)自然條件惡劣,無法長期野外觀測或難以在短時間內(nèi)獲得大范圍的觸地線,觸地線的提取以遙感手段為主。隨著合成孔徑雷達技術(shù)的迅速發(fā)展,以及ERS、RADARSAT、ALOS、COSMO-SkyMed、TerraSAR-X和Sentinel-1A/B等一系列SAR衛(wèi)星的成功發(fā)射,雙差干涉測量(double differential SAR interferometry,DDInSAR)被認(rèn)為是當(dāng)前提取大范圍、高精度南極觸地線的最有效技術(shù)手段[20]。文獻[21]統(tǒng)計了1996—2019年公開發(fā)表的文獻資料中關(guān)于SAR衛(wèi)星在觸地線提取中的使用頻率,ERS-1/2tandem為43%、ERS-1icephase為21%、TerraSAR-X/TanDEM-X為13%、ERS-2icephase為7%、COSMO-SkyMed為6%、RADARSAT-1/RADARSAT-2為5%、Sentinel-1A/B為3%、ALOS/PALSAR為2%。因此具有短重復(fù)周期和波長較長的SAR傳感器(C波段和L波段)是觸地線動態(tài)變化監(jiān)測的首選數(shù)據(jù),而當(dāng)前在軌運行、時間基線較短并且可以免費獲取的Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù)使用頻率較低。歐空局曾首次利用2014—2017年的Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù),提取了覆蓋南極區(qū)域的觸地線產(chǎn)品,但是該產(chǎn)品在2018年5月17日從相關(guān)網(wǎng)站刪除。在外文文獻資料中利用Sentinel1A/B雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取南極觸地線的研究區(qū)域主要集中于西南極的波普冰川、史密斯冰川、科勒冰川、派恩島冰川、龍尼冰架西部及東南極的埃默里冰架等[22-23];在中文文獻資料中,僅有2篇文章利用了DDInSAR方法和Sentinel-1A/B影像對東南極毛德皇后地沿岸部分冰架和西南極阿蒙森灣西側(cè)的多森冰架開展了觸地線的提取工作[24-25],上述研究并未對Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù)在南極觸地線大規(guī)模提取中的應(yīng)用特點展開討論。

綜上,本文基于2020年Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù),采用DDInSAR方法開展南極大范圍的觸地線提取,分析觸地線的提取精度、Sentinel-1A/B雷達影像的適用性、南極典型冰川的觸地線變化特征及可能影響南極觸地線提取的各種因素,以期系統(tǒng)認(rèn)識DDInSAR方法和Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù)在南極觸地線提取中的應(yīng)用特點,并為其他科研人員開展南極觸地線的研究提供一定的參考。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域為南極沿岸地區(qū),即Sentinel-1雷達影像數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域(如圖1所示)。南極半島呈狹長弓狀,境內(nèi)多山地,地勢崎嶇,緯度相對較低,受海洋性氣候影響較大,使得該地區(qū)冰川變化較大,海岸帶和冰架地區(qū)流速較快。西南極沿岸被阿蒙森海和羅斯海環(huán)繞,受海洋性氣候影響,多數(shù)為海洋性冰川,面臨消融變薄、冰川前緣后退、冰流速加速等問題。東南極沿岸周邊分布著數(shù)量眾多的巨型冰川,遠離海洋,冰川狀況相對穩(wěn)定。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)介紹

1.2.1 試驗數(shù)據(jù)

研究區(qū)的Sentinel-1雷達影像數(shù)據(jù)來源于NASA的共享SAR數(shù)據(jù)平臺ASF。Sentinel-1雷達衛(wèi)星由Sentinel-1A/B兩顆衛(wèi)星組成,搭載C波段合成孔徑雷達,方位向分辨率為20 m,距離向分辨率為5 m,可全天時、全天候?qū)Φ赜^測[26]。本文選用2020年的Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù),單星重訪周期為12 d,雙星重訪周期為6 d,完整覆蓋了南極半島,也基本覆蓋了西南極、東南極海岸線周邊區(qū)域,總計477景影像。

1.2.2 其他數(shù)據(jù)

POD精密定軌星歷(precise obrit ephemerides)數(shù)據(jù)用于對軌道信息的修正,可有效去除因軌道誤差引起的系統(tǒng)性誤差,定位精度優(yōu)于5 cm。DEM數(shù)據(jù)為文獻[27]制作的空間分辨率為1 km的DEM,其精度可達10 cm,在地形起伏較大區(qū)域也可達米級。觸地線產(chǎn)品數(shù)據(jù)包括MOA_GL2009觸地線,定位精度約為250～500 m(圖1中藍色曲線),和MEaSURE_GL觸地線定位精度約為100 m(圖1中橙色曲線)。全南極冰川流速數(shù)據(jù)(簡稱MEaSUREs冰流速)是文獻[28]利用1992—2016年多源雷達影像數(shù)據(jù)獲取的南極冰川流速場,分辨率高達450 m。基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)自動提取的2018年全南極6d觸地線成果為Alltracks_6d_gl.shp[29]。

2 研究方法

2.1 觸地線提取原理

圖2為冰川觸地區(qū)特征示意圖[1],F點為潮汐運動引起的冰彎曲向陸地極限點,H點為冰架與海洋接近平衡的“流體靜力平衡點”,或者冰彎曲向海洋方向的極限點,G點為觸地線的位置,Ib為冰架坡度陡變點,Im為冰架底部局部地形的海拔最低點。在F與H之間,由于海洋潮汐和逆氣壓計效應(yīng)等原因,冰架腔內(nèi)短期海平面變化引起冰彎曲,南極地區(qū)F到H的寬度約為9～11 km,但在輕度接地或潮汐彎曲因邊界條件而高度扭曲的地區(qū)具有較大值。

圖2 冰川觸地區(qū)特征

根據(jù)雷達差分干涉測量(differential SAR interferometry,DInSAR)原理,在不考慮大氣和系統(tǒng)噪聲的影響下,重復(fù)軌道雷達干涉測量的相位可表示為

φ=φdef+φref+φtopo

(1)

式中,φdef為形變相位;φref為參考相位;φtopo為地形相位。

利用三景單視復(fù)數(shù)影像(single look complex,SLC),按照時間先后順序依次組成兩對相同時間基線的干涉對(single SAR interferogram,SSI),通過引入POD精密定軌星歷數(shù)據(jù)和外部DEM數(shù)據(jù)去除軌道誤差,以及平地和地形相位,獲得只包含冰流相位φflow和潮汐相位φtide的差分干涉圖(Differential SAR Interferogram,DSI),即

Δφ=φflow+φtide

(2)

假定相鄰影像在時間間隔內(nèi)冰流速恒定,即在兩景差分干涉圖DSI中,由冰流速引起的冰流相位相同,對兩景差分干涉圖再次進行相位差分,去除冰流相位的影響,得到一景雙差干涉圖(double differential SAR interferogram,DDSI),DDSI包含的相位Δφ可表示為

Δφdouble=φtide1-φtide2

(3)

式中,φtide1為時間間隔在前的DSI潮汐相位;φtide2為時間間隔在后的DSI潮汐相位。在DDSI中,永久和短暫觸地區(qū)周圍表現(xiàn)為密集的條紋帶,通過識別DDSI中密集干涉條紋中靠近陸地一側(cè)的分界線,提取冰川觸地線。

2.2 觸地線提取

導(dǎo)入Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù)和POD精密定軌星歷數(shù)據(jù),以影像獲取時間在前的為主影像,兩兩組成時間基線相同的干涉對,對干涉對進行配準(zhǔn)生成干涉圖。對干涉圖進行去平地相位Goldstein濾波處理。引入外部DEM模擬干涉相位與生成的干涉圖進行差分以去除地形相位,生成差分干涉圖。采用最小費用流解纏方法對差分干涉圖進行相位解纏并重去平,得到只包含冰流相位和潮汐相位的差分干涉圖。利用參考影像的強度信息對解纏后的差分干涉圖進行配準(zhǔn),將配準(zhǔn)后的差分干涉圖再次進行差分去除冰流相位,得到只包含潮汐相位的雙差干涉圖。對雙差干涉圖進行地理編碼,手繪追蹤圖中密集條紋靠近陸地一側(cè)的分界線得到觸地線。

3 結(jié)果與分析

本文提取的觸地線結(jié)果如圖3所示,紅色曲線是利用時間基線6 d的Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù)提取的觸地線,用DDInSAR_6 d表示;紫色曲線是利用時間基線12 d的Sentinel-1A或Sentinel-1B雷達影像數(shù)據(jù)提取的觸地線,用DDInSAR_12 d表示。提取的觸地線總長度約為23 472 km,其中在南極半島地區(qū)的長度為5 930.5 km,在西南極和東南極的長度分別為7 041.2、10 500.3 km,共計覆蓋63%的南極地區(qū)觸地線。南極半島和西南極全部為DDInSAR_6 d,觸地線提取質(zhì)量較高,空間連續(xù)性較好;東南極則包括了DDInSAR_6 d和DDInSAR_12 d,觸地線提取質(zhì)量較低,呈碎狀分布,斷點較多,空間連續(xù)性差,存在較大范圍觸地線缺失區(qū)域。

圖3 觸地線提取結(jié)果

3.1 精度評估

分別統(tǒng)計DDInSAR觸地線與MEaSURE_GL觸地線、MOA_GL2009觸地線的最短垂直距離,DDInSAR觸地線與MEaSURE_GL觸地線的平均距離為594 m,標(biāo)準(zhǔn)差為847 m,DDInSAR觸地線與MOA_GL2009觸地線的平均距離為1124 m,標(biāo)準(zhǔn)差為2027 m。為DDInSAR觸地線建立500、1000、1500 m緩沖區(qū)[30],計算MEaSURE_GL觸地線、MOA_GL2009觸地線在緩沖區(qū)內(nèi)與DDInSAR觸地線的匹配度(見表1),共有89.6%的MEaSURE_GL觸地線在1500 m緩沖區(qū)內(nèi),66.4%的MEaSURE_GL觸地線在500 m緩沖區(qū)內(nèi),有80.7%的MOA_GL2009觸地線在1500 m緩沖區(qū)內(nèi),51.4%的MOA_GL2009觸地線在500 m緩沖區(qū)內(nèi),通過上述比較發(fā)現(xiàn)DDInSAR觸地線與MEaSURE_GL觸地線的一致性更高,匹配度更好。

表1 DDInSAR觸地線精度評估 (%)

3.2 熱點研究區(qū)域觸地線的變化

選擇圖3中熱點研究區(qū)a—h,疊加MEa-SUREs觸地線產(chǎn)品,對觸地線提取結(jié)果進行放大展示(如圖4所示),對比發(fā)現(xiàn),在近幾十年的時間內(nèi),南極觸地線變化特征多樣。南極半島的拉森A冰架區(qū)域島嶼的觸地線消失或者長度變短,拉森C冰架南部區(qū)域沿觸地線存在著多個小冰升(a區(qū))。東南極毛德皇后地沿岸的觸地線與MEa-SUREs觸地線非常接近,觸地線穩(wěn)定,無明顯大區(qū)域回退(b區(qū));埃默里冰架無明顯的大范圍的觸地線回退,在最南端存在著觸地線前進現(xiàn)象,東西兩側(cè)沿拉斯曼丘陵與查爾斯王子山脈邊緣的部分區(qū)域存在著較小范圍的觸地線回退(c區(qū));沙克爾頓冰架西北部具有明顯的新增觸地線及冰升(d區(qū));老穹丘區(qū)域同樣具有明顯的新增觸地線,但是在樊尚灣區(qū)域存在著明顯的大幅度的觸地線回退(e區(qū))。西南極地區(qū)存在著新增觸地線和顯著的觸地線回退,特別是在西南極阿蒙森海域附近,包括賽普爾島、卡瓦尼島等具有新增觸地線,蓋茨冰架的觸地線回退明顯(f區(qū));派恩島冰川的觸地線也具有明顯的回退(g區(qū));瑟斯頓島、金半島等生成有新的觸地線(h區(qū))。

圖4 a—h區(qū)域的觸地線提取結(jié)果

3.3 Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù)的適用性

根據(jù)雷達影像數(shù)據(jù)在南極地區(qū)的覆蓋范圍(如圖1所示)可知,除南極的羅斯冰架、龍尼冰架東側(cè)及菲爾希納冰架無法應(yīng)用Sentinel-1A/B影像提取觸地線外,在南極半島和西南極區(qū)域可以完全應(yīng)用6 d的Sentinel-1A/B影像提取觸地線;在東南極的恩德比地流域、威廉姆冰架、特雷西冰架、巴德海岸、寧尼斯冰架、莫茨冰架、戴維冰架和毛德皇后地流域大部分區(qū)域只能使用12 d的Sentinel-1A/B影像提取觸地線,其他區(qū)域可以使用6 d的Sentinel-1A/B影像提取觸地線。

3.4 潮汐運動對觸地線提取的影響

潮汐運動對觸地線的提取具有顯著作用,其運動的強弱決定了雙差干涉圖條紋的清晰度,影響觸地線的提取質(zhì)量。南極周圍海域的潮汐強度分布情況如圖5所示[31],南極半島在拉森冰架處潮汐高度標(biāo)準(zhǔn)差超過了150 cm;西南極地區(qū)龍尼冰架處的潮汐高度標(biāo)準(zhǔn)差超過了150 cm,羅斯冰架處的潮汐高度標(biāo)準(zhǔn)差約為60 cm;東南極海岸線周邊的潮汐高度標(biāo)準(zhǔn)差基本在40～55 cm[32]。結(jié)合圖2與圖5可以發(fā)現(xiàn),DDInSAR觸地線在南極半島的拉森冰架、巴赫冰架及其他提取質(zhì)量較好區(qū)域與南極強潮汐區(qū)域大致相符,而DDInSAR觸地線提取質(zhì)量較差或結(jié)果空缺的區(qū)域主要位于東南極冰蓋,與南極周圍的弱潮汐分布大致吻合。

圖5 南極潮汐強度分布

3.5 冰流速對觸地線提取的影響

南極冰川流動會導(dǎo)致冰川位置、形狀的改變,部分地區(qū)會因冰流速較大而失相干,從而造成觸地線的缺失。本文選擇受冰流速影響顯著的派恩島冰川、思韋茨冰川、沙克爾頓冰川及白瀨冰川為研究對象,在DDInSAR觸地線空白區(qū)沿著MEaSURE_GL的觸地線軌跡,做MEaSUREs冰流速的剖面線(如圖6所示),在派恩島冰川沿著AB剖面線的最小冰流速為498.89 m/a,最大冰流速為3 985.19 m/a(如圖6(a)所示);在思韋茨冰川沿著CD剖面線的最小冰流速為639.22 m/a,最大冰流速為3 574.59 m/a(如圖6(b)所示);在沙克爾頓冰川沿著EF剖面線的最小冰流速為424.09 m/a,最大冰流速為1 803.65 m/a(如圖6(c)所示);在白瀨冰川沿著GH剖面線的最小冰流速為2.99 m/a,最大冰流速為2 246.25 m/a(如圖6(d)所示)。研究發(fā)現(xiàn),南極觸地線的提取受冰流速影響較大,特別是當(dāng)冰流速超過400 m/a時,由于冰流速的存在使得DDInSAR_6d提取質(zhì)量較差甚至無法提取觸地線。因此,在南極冰流速較大的區(qū)域無法利用Sentinel-1A/B影像提取完整的觸地線,需要組合其他多源SAR影像數(shù)據(jù)去除冰流的影響,才能完成觸地線大范圍的提取。而在圖6(d)中存在較小冰流速區(qū)域也無法完成觸地線的提取這一特殊現(xiàn)象,本文推測與該區(qū)域的潮汐活動有關(guān),當(dāng)潮汐運動較微弱時,利用Sentinel-1A/B影像難以檢測到該區(qū)域的觸地線。

圖6 觸地線與冰流速關(guān)系

3.6 季節(jié)對觸地線提取的影響

本文引用基于2018年Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù)提取的全南極最完整的6 d觸地線成果[29],開展季節(jié)對觸地線提取的影響分析,分別統(tǒng)計南極半島、西南極和東南極的觸地線在春夏秋冬不同時期提取的總長度,具體見表2。研究發(fā)現(xiàn),南極半島的觸地線在秋季提取長度最大,西南極的觸地線在夏季提取的長度最大,東南極的觸地線同樣在秋季提取長度最大。因此,在利用Sentinel-1A/B影像提取南極觸地線時,南極半島優(yōu)先選擇秋季(3、4、5月)期間的影像,西南極優(yōu)先選擇夏季(12、1、2月)期間的影像,東南極同樣優(yōu)先選擇秋季(3、4、5月)期間的影像。

表2 不同季節(jié)的觸地線長度km

4 結(jié) 論

本文利用Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù),基于DDInSAR方法完成了南極觸地線的提取,結(jié)論主要如下:

(1)基于Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù)資源,利用DDInSAR方法可以實現(xiàn)對南極觸地線的長期、高效且較全面的提取。

(2)通過與MEa-SUREs觸地線產(chǎn)品對比發(fā)現(xiàn),在近幾十年的時間內(nèi),南極不同地區(qū)的觸地線具有不同的變化特征,存在著穩(wěn)定、回退、前進、消失和冰升等多種變化現(xiàn)象。

(3)南極半島和西南極可以完全應(yīng)用6 d的Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù)提取觸地線,然而東南極并不能完全應(yīng)用6 d的Sentinel-1A/B影像,大部分區(qū)域只能使用12 d的Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù)提取觸地線。

(4)潮汐運動對觸地線的提取具有顯著作用,潮汐運動的強弱影響觸地線的提取質(zhì)量,觸地線提取質(zhì)量較高的區(qū)域主要分布在西南極,與南極強潮汐區(qū)域大致相符;而觸地線提取質(zhì)量較差或結(jié)果空缺的區(qū)域主要位于東南極冰蓋,與南極周圍的弱潮汐區(qū)域大致吻合。

(5)觸地線的提取受冰流速影響較大,特別是當(dāng)冰流速超過400 m/a時,由于冰流的存在使得時間基線6 d的Sentinel-1A/B影像的觸地線提取質(zhì)量較差甚至無法提取觸地線。因此,需要組合其他多源SAR影像數(shù)據(jù)去除冰流的影響,才能完成觸地線大范圍的提取。

(6)在利用Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù)提取南極觸地線時,南極半島和東南極優(yōu)先選擇秋季(3、4、5月)期間的影像數(shù)據(jù),西南極優(yōu)先選擇夏季(12、1、2月)期間的影像數(shù)據(jù)。

致謝：感謝歐空局(ESA)提供的Sentinel-1A/B雷達影像數(shù)據(jù),感謝美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)提供的DEM數(shù)據(jù)、MEaSUREs冰流速數(shù)據(jù)、MOA觸地線產(chǎn)品和MEaSURE_GL觸地線產(chǎn)品。