基于早期衛(wèi)星影像的南極雷納冰川區(qū)域三維地形重建

唐 冠 杰

(同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

基于早期衛(wèi)星影像的南極雷納冰川區(qū)域三維地形重建

唐 冠 杰

(同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

利用1960年的南極解密衛(wèi)星影像，通過影像預(yù)處理與立體模型幾何定位及密集匹配，建立了南極雷納冰川區(qū)域的三維地形，為進(jìn)一步研究該地區(qū)1960年的冰川流速及物質(zhì)平衡奠定了基礎(chǔ)。

解密衛(wèi)星影像，密集匹配，幾何定位，三維地形

0 引言

隨著近年來全球氣候的不斷變化，極端天氣頻發(fā)，各國政府及民眾對極地地區(qū)的關(guān)注度也不斷提高。作為擁有全球90%的冰川，冰蓋體積達(dá)3 000多萬立方千米的南極地區(qū)[1]，對于研究全球氣候變化的影響有著極其重要的意義，極地地區(qū)又被稱為全球氣候的監(jiān)控器，Turner在2009年的報(bào)告指出，在西南極的南部，全球氣候變暖使得半島東面夏季大部分時(shí)間氣溫升高，導(dǎo)致南極半島90%的冰川發(fā)生了退縮和冰架崩塌[2]。預(yù)估到21世紀(jì)末西南極冰川融化將導(dǎo)致海平面上升1.4 m，地球上有1.46億人口將居住在海平面1 m以下，1.4 m海平面上升的預(yù)警對沿海大都市和外海平臺(tái)等建筑都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[3]。

南極冰對全球海平面的影響方式主要有冰架崩塌，冰蓋融化和冰川流出。數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)是地理空間中地理對象表面海拔的數(shù)字化表達(dá)，在南極地區(qū)，DEM是地球科學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)，DEM數(shù)據(jù)與冰厚結(jié)合，能夠計(jì)算冰體變形的速度及應(yīng)變，也可以根據(jù)不同時(shí)間高精度的DEM數(shù)據(jù)估算冰蓋變薄的速率和推斷南極物質(zhì)流失情況，也可以用來確定分冰嶺、冰流盆地的位置、計(jì)算冰流的大小及方向、平衡速度及底部剪應(yīng)力等，還可以用來確定接地線的位置[4]。因此，DEM對研究南極的質(zhì)量流失及預(yù)測海平面上升有重要意義。

由于南極地區(qū)的特殊氣候原因，對大部分南極地區(qū)來說實(shí)地測量幾乎不可能，所以目前只有在海岸線的科考站附近有很少實(shí)測的數(shù)據(jù)。在過去的幾十年里，從事極地研究的科學(xué)家一直致力于獲取南極地區(qū)的數(shù)字三維地形。1960年的南極解密衛(wèi)星影像為我們研究南極提供了非常有價(jià)值的歷史數(shù)據(jù)。本文將密集匹配方法運(yùn)用到該數(shù)據(jù)來建立1960年南極雷納冰川區(qū)域的三維地形。

1 數(shù)據(jù)介紹

1995年2月份，美國總統(tǒng)克林頓簽署文件解密了超過860 000景美國第一代間諜衛(wèi)星收集于1960年—1972年衛(wèi)星影像，隨后在2002年，再次解密約48 000景衛(wèi)星影像。這些影像是由5個(gè)衛(wèi)星計(jì)劃在1960年—1980年收集到的全球的影像，各衛(wèi)星計(jì)劃的代號分別為CORONA,ARGON,LANYARD,GAMBIT和HEXAGON。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1[5]。在2011年，美國進(jìn)一步解密了GAMBIT,GAMBIT和HEXAGON計(jì)劃的部分影像和數(shù)據(jù)及90多份歷史記錄文件[6]。這些被稱為解密衛(wèi)星影像(Declassified Intelligence Satellite Photography，DISP)的衛(wèi)星影像比1972年的Landsat衛(wèi)星影像早了12年，為科學(xué)研究提供了一個(gè)更加寬廣的視野，也給我們提供了一個(gè)觀察地球的獨(dú)特視角。在這些衛(wèi)星計(jì)劃中只有ARGON計(jì)劃收集到了南極地區(qū)的影像。

表1 衛(wèi)星計(jì)劃的詳細(xì)情況

ARGON計(jì)劃搭載的ARGON相機(jī)為框幅式相機(jī)，焦距為76.2 mm。由于衛(wèi)星軌道較高，ARGON影像的覆蓋范圍較大約為540 km×540 km，但地面分辨率只有140 m。ARGON計(jì)劃在1961年—1964年執(zhí)行了12次任務(wù)，但只有6次成功并收集了38 578景影像，其中有3次任務(wù)9034A，9058A，9059A收集到1 782景南極區(qū)域的影像。具體數(shù)據(jù)見表2，分布如圖1所示。9034A任務(wù)是首次從空間觀測南極大陸，由于任務(wù)執(zhí)行時(shí)間為南半球的秋季，所以衛(wèi)星沒有進(jìn)入71°S以南的冰蓋區(qū)域，該任務(wù)收集到的影像覆蓋了整個(gè)南極的海岸線，但不幸的是覆蓋海岸線的大量影像都被云覆蓋，使用價(jià)值非常有限。9058A任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間同樣為南半球的秋季，但云的覆蓋較9034A任務(wù)要少很多，對研究冰蓋提供了幫助。9059A的拍攝時(shí)間為南半球的春季，整個(gè)南極都被光照，衛(wèi)星軌道穿過了整個(gè)南極并提供了大量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)[7]。

表2 每次任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間、軌道數(shù)量及影像數(shù)量

此外，本文還用到了ASTER GDEM v2數(shù)據(jù)及由美國地質(zhì)調(diào)查局、英國南極調(diào)查局和美國國家航空和航天局共同制作的15 m分辨率的利用Landsat影像制作的南極區(qū)域的鑲嵌圖。該鑲嵌圖為迄今發(fā)布的分辨率最高的南極鑲嵌圖。

2 研究區(qū)域

本文的研究區(qū)域雷納冰川(Rayner Glacier)位于東南極(67°40′S，48°25′E)，見圖2。雷納冰川是南極著名的冰川，該冰川從南部的Matvejchuk谷經(jīng)過康登山與克里斯滕森山之間流向凱西灣(Casey Bay)，長約200 km，寬約19 km，前端冰川流速約每年1 000 m。實(shí)驗(yàn)所用影像編號為DS9058A009MC116與DS09058A009MC117，拍攝于1963年8月30日，由于兩張影像的拍攝時(shí)間間隔只有約30 s，冰流對影像像點(diǎn)偏移的影響可以忽略不計(jì)。

圖2a)為研究區(qū)域在南極的位置。影像幾何定位過程中，控制點(diǎn)、連接點(diǎn)及檢核點(diǎn)的分布；圖2b)研究區(qū)域內(nèi)雷納冰川的位置，冰川流速圖來自Rignot發(fā)布于2011年[8]。

3 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)中所用衛(wèi)星影像由早期膠卷掃描得到，由于年代久遠(yuǎn)，攝影材料不可避免的發(fā)生了比較嚴(yán)重的變形。二階糾正模型被證明是糾正攝影材料變形的最優(yōu)變形改正模型[9]，因此，首先利用二階糾正模型對影像進(jìn)行糾正。然后根據(jù)相機(jī)檢校文件提供的相機(jī)鏡頭畸變參數(shù)對影像的鏡頭畸變進(jìn)行糾正。另外為了提高影像匹配的可靠性和精度，利用Wallis濾波對影像進(jìn)行增強(qiáng)處理。在影像匹配之前，首先，利用影像相對定向元素計(jì)算兩張影像的投影矩陣，投影矩陣表示三維物方坐標(biāo)與影像坐標(biāo)的關(guān)系。

在核線影像的基礎(chǔ)上，利用密集匹配方法進(jìn)行影像匹配[10]，共得到4 565 510對匹配點(diǎn)，匹配點(diǎn)在原始影像上的分布如圖3所示。

利用鏡頭畸變校正后的影像在ERDAS IMAGINE軟件的徠卡攝影測量套件(LPS)中利用6個(gè)地面控制點(diǎn)和18個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行立體模型的幾何定位，點(diǎn)位分布見圖2a)。另外在研究區(qū)域選取5個(gè)檢核點(diǎn)檢驗(yàn)幾何定位的精度，定位精度如表3所示，從表3中可以看出dx的均值最大有116.61 m，但仍然小于影像原始分辨率(140 m)，其他評價(jià)參數(shù)均小于半個(gè)像素，達(dá)到了較高的精度。

表3 幾何定位精度 m

最后，剔除誤匹配點(diǎn)，最終經(jīng)過插值得到該區(qū)域的三維地形，見圖4。

4 結(jié)語

本文利用1960年的解密衛(wèi)星影像，利用密集匹配方法，通過影像預(yù)處理與立體絕對嚴(yán)密幾何定位，建立了南極雷納冰川區(qū)域的三維地形。利用該地形數(shù)據(jù)可以通過計(jì)算匯水及坡度方向圖來預(yù)測冰川流動(dòng)的方向，為進(jìn)一步研究該地區(qū)1960年的冰川流速及物質(zhì)流失提供了基礎(chǔ)，為南極及全球氣候變化的研究提供了有力的數(shù)據(jù)。

[1] 陳立奇.南極和北極地區(qū)在全球變化中的作用研究[J].地學(xué)前緣,2002,9(2):245-253.

[2] Turner J,Bindschadler R,Convey P,et al.Antarctic climate change and the environment[Z].2009.

[3] 陳立奇.南極和北極地區(qū)變化對全球氣候變化的指示和調(diào)控作用——第四次IPCC評估報(bào)告以來一些新認(rèn)知[J].極地研究,2013,25(1):1-6.

[4] 肖 峰,張勝凱,鄂棟臣,等.四種南極數(shù)字高程模型的精度比較與分析[J].冰川凍土,2014,36(3):640-648.

[5] Fowler M J F.Declassified intelligence satellite photographs[M].Archaeology from Historical Aerial and Satellite Archives.Springer New York,2013:47-66.

[6] Mi H,Qiao G,Li T,et al.Declassified Historical Satellite Imagery from 1960s and Geometric Positioning Evaluation in Shanghai,China[M].Geo-Informatics in Resource Management and Sustainable Ecosystem.Springer Berlin Heidelberg,2015:283-292.

[7] Bindschadler R,Seider W.Declassified intelligence satellite photography (DISP) coverage of Antarctica[Z].1998.

[8] Rignot E,Mouginot J,Scheuchl B.Ice flow of the Antarctic ice sheet[J].Science,2011,333(6048):1427-1430.

[9] Ye W,Qiao G,Kong F,et al.RIGOROUS GEOMETRIC MODELLING OF 1960s ARGON SATELLITE IMAGES FOR ANTARCTIC ICE SHEET STEREO MAPPING[J].ISPRS Annals of Photogrammetry,Remote Sensing & Spatial Information Sciences,2016,3(3)：96.

[10] Rothermel M,Wenzel K,Fritsch D,et al.SURE:Photogrammetric surface reconstruction from imagery[A].Proceedings LC3D Workshop[C].Berlin，2012.

The 3D terrain reconstruction of south pole Rayner Glacier region based on early satellite image

Tang Guanjie

(SurveyingandGeoInformationSchool,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Using the south pole decryption satellite image in 1960s, through the image preprocessing and three-dimensional model geometric positioning and dense matching, established the 3D terrain of south pole Rayner Glacier region, laid foundation for further research on glacier velocity and mass balance in 1960s of this area.

decryption satellite image, dense matching, geometric localization, 3D terrain

1009-6825(2017)01-0220-03

2016-10-29

唐冠杰(1992- )，男，在讀碩士

TU198

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