利用高分辨率TSX/TDX交軌干涉測量技術探測渤海浮冰信息

王志勇，張 晰，王士帥

(1. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590； 2. 海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590； 3. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061； 4. 北京航天宏圖信息技術股份有限公司，北京 100195)

海冰信息的獲取對船舶的安全航行和生產具有重要的意義。海冰的凍結、漂移會對航運、海上石油勘測、海洋漁業資源等造成嚴重影響，因此，實時監測海冰的生成、分布、漂移等具有重要意義。航空、航天遙感技術是監測海冰的重要技術手段[1]，可見光遙感、多光譜遙感、高度計、輻射計、激光雷達(LiDAR)、合成孔徑雷達(syntheric aperture radar，SAR)等已經應用于海冰的探測中[2]，與其他遙感手段相比，合成孔徑雷達能夠全天時、全天候地對海冰進行監測[2]，因此，合成孔徑雷達在海冰監測中受到越來越多的應用。但目前大部分研究是利用SAR幅度信息及多極化(包括全極化)信息進行海冰分布、海冰類型的識別[1-7]。

2013年，張晰等[1]采用極化SAR數據基于極化散射特征進行了海冰分類的研究；2014年，楊學志等[4]提出了SRRG-MRF的方法對海冰SAR圖像進行分割；2015年，Liu Huiying等結合紋理特征和飽和度信息利用支持向量機方法從Radarsat-2雙極化ScanSAR數據中進行海冰分類[6]。雖然利用SAR后向散射信息可以探測海冰的分布信息，但已經被證明SAR后向散射信息在薄冰檢測中存在檢測精度差的問題。

除了應用SAR幅度信息和極化信息外，在SAR遙感監測中還可以應用干涉相位信息，并且基于相位信息發展起來的雷達干涉測量(InSAR)技術在DEM測量、微小形變監測等方面得到了廣泛應用[8-9]，但在海冰探測中應用相對較少，目前InSAR技術主要用于監測南北極的冰川厚度、沿岸固定冰的分布及厚度[10-13]。但針對海上浮冰的InSAR探測的成果還非常少，這主要是由于洋流的變化導致重軌InSAR數據的相干性非常差，基本上形成不了干涉圖。

針對目前InSAR技術在海洋浮冰探測方面存在的問題，本文將交軌InSAR技術引入到海上浮冰的探測中，利用德國的高分辨率TerraSAR-X(簡稱TSX)與TanDEM-X(簡稱TDX)構建的交軌干涉對，基于InSAR相位信息反演冰舷高，進而得到海冰厚度信息。

1 TSX/TDX交軌干涉測量探測海冰的基本原理

1.1 交軌干涉對的構成

目前重復軌道干涉SAR主要用于測量大范圍的數字高程模型(DEM)及微小的地表形變[8-9]。在海洋領域主要用于測量一些固定目標，比如長時間不會發生變化的沿岸固定冰，而海上浮冰和海水受潮汐作用的影響變化快，很難通過重復軌道干涉測量技術對其進行探測。

TSX/TDX的星載雙站SAR干涉模式為海冰的探測提供了可能，根據飛行設計的不同，TSX/TDX衛星編隊飛行可以構建順軌干涉測量[14]，也可以構建交軌干涉模式。交軌干涉SAR數據基本上是準同步獲取的，可以認為海上浮冰沒有發生漂移，因此交軌干涉對數據具有很好的相干性，可以利用相位信息測量海冰表面起伏信息。

交軌干涉模式類似于美國的航天飛機雷達地形測繪使命SRTM的雙天線縱向的工作模式，由于兩顆雷達衛星的工作參數是一致的，故TSX/TDX交軌干涉測量的數據處理可借鑒重復軌道的InSAR干涉測量數據處理。文獻[15]詳細介紹了雷達干涉測量技術的原理及方法。InSAR干涉數據處理一般可分為以下幾步：高精確配準、干涉條紋圖生成、去平地效應、相位噪聲濾除、相位解纏、相位轉換、地理編碼等[15-16]。

1.2 交軌干涉測量探測海冰厚度原理

InSAR干涉測量主要是基于兩幅雷達復影像的相位信息，兩幅SAR影像的相位差Δφ與電磁波傳播的路徑差ΔR存在如下關系[15]

(1)

式中，λ為波長；φ1、φ2分別為主、從影像的相位。

基于InSAR原理，鄰近像元的干涉相位差Δφ可表示為

(2)

式中，R為傳感器到目標的斜距；θ為雷達視角；Δr為兩個高程無變化目標的斜距差；B⊥為干涉對的垂直基線分量。

式(2)等號右邊第一項表示目標高程起伏變化Δh引起的相位，等號右邊第二項表示無高程變化的平地引起的相位，稱之為平地相位。為了反演海冰的高程起伏，首先需要去除平地相位，然后建立干涉相位與高程起伏(即海冰冰舷高)之間的關系得到冰舷高fb，基于靜力學平衡方程可以得到海冰厚度[17]。

2 試驗數據及研究方法

2.1 試驗數據

為了利用InSAR技術探測海上浮冰信息，選取了中國渤海東北部某海域作為試驗區，該試驗區位于遼寧省營口市鲅魚圈區的西南側。采用2013年1月20日獲取的雙站飛行模式的兩幅TSX/TDX雷達數據，這兩顆雷達衛星的工作參數基本一致，其波長為3.1 cm(X波段)，用于干涉的工作模式為條帶式，產品級別為單視復數據SSC(single look slant range complex)，HH極化，升軌，距離向像元大小約1.364 m，方位向像元大小約2.007 m，雷達入射角約為40.542 4°，試驗區的景中心位于39.645°N、121.775 6°E，具體交軌干涉對的試驗數據見表1。通過基線估計，該干涉對的垂直基線約為275.561 m。

表1 TSX/TDX干涉對數據

2.2 研究方法

如圖1所示，對TSX/TDX構建交軌干涉對，基于干涉測量技術，可以分別生成干涉圖和相干圖。對于干涉圖，通過去平地效應、相位濾波、相位轉換、地理編碼等處理[15-16]，以海水面作為基準控制，可以得到海冰冰舷高。

圖1 技術路線

2.3 干涉數據處理及結果

對TSX/TDX構建的交軌干涉對數據進行干涉測量處理，首先對主、從影像進行高精度配準，之后通過復共軛相乘得到干涉圖(如圖2(b)所示)，在干涉圖中可以看到存在明顯的線性條紋，這種現象被稱為平地效應；通過去平地相位，就可以得到干涉條紋圖(如圖2(c)所示)；在干涉條紋圖中可以看到海冰區域存在明顯的干涉相位，而在海水區域，其干涉相位不明顯，去平地相位后還需要進行干涉相位的增強，即相位濾波。相位濾波采用改進的Goldstein濾波方法[15]，其濾波結果如圖2(d)所示，濾波后干涉條紋圖的清晰度明顯改觀。

圖2 海冰區域的干涉圖

2.4 基于干涉相位的冰舷高測量及分析

在提取海冰分布后，將圖2(d)中的干涉相位進行掩膜處理，即海水區域不參與運算，而對海冰區域進行InSAR干涉處理得到干涉相位，就可以得到海上浮冰的冰舷高，如圖3所示，再利用靜力學平衡方程可得到海冰厚度信息。

圖3 基于InSAR相位信息獲取的海冰冰舷高

通過對海冰冰舷高的結果進行分析發現：在試驗區基于干涉相位反演的海冰冰舷高一般在1.01～3.06 cm，平均冰舷高為2.376 cm。根據海冰冰舷高到海冰厚度轉換時存在約9.6的因子[18]，可以得到在該試驗區的海冰厚度大約在9.7～29.3 cm，海冰厚度均值約為22.9 cm。為了驗證InSAR測量結果，在渤海灣同步開展了海冰外業調查，但海上浮冰受海洋潮汐及風力的影響，其時刻在運動中，無法準確測量某一位置處的海冰厚度，無法進行精度評定，但從外業調查的結果看，該試驗區的海冰為新生長的海冰，尚未連成片，外業同步調查時測量的海冰厚度一般在十幾至二十幾厘米之間，基于InSAR相位信息反演的海冰厚度與外業同步觀測的情況基本一致。

3 結 論

本文基于高分辨率TSX/TDX構建的交軌干涉對數據，利用InSAR技術對渤海東北部的海上浮冰進行了探測，以海水面作為基準面，利用InSAR相位信息反演了海冰的冰舷高和厚度信息。通過試驗發現渤海東北部的海上浮冰為新生長的冰，其海冰冰舷高一般在1.01～3.06 cm，平均冰弦高為2.376 cm。通過試驗可以得到一些有價值的結論：

(1) 基于準同步的TSX/TDX交軌干涉測量技術是進行海上浮冰探測的一種重要技術手段，可以準確測量海上浮冰的冰舷高，進而反演海冰的厚度信息，這對于研究海上浮冰的生長與發育非常關鍵。

(2) TSX/TDX數據的分辨率較高，對于監測面積較小的浮冰非常有利，可以檢測到面積僅為幾平方米的浮冰。

由于很難對海上浮冰的厚度進行準確的外業同步測量，缺乏準確的驗證數據，對交軌干涉測量技術反演的浮冰厚度的精度還需要進一步驗證與分析，由海冰冰舷高到海冰厚度轉換的相關參數也需準確測定。另外，受InSAR技術本身的限制，目前InSAR技術尚不能監測陡峭的海冰，會存在著相位模糊的問題，這需要進一步的研究與討論。本文重點驗證了交軌干涉測量技術在海上浮冰厚度探測應用的可行性，相信隨著我國成像高度計和美國SWOT計劃的發射[19]，在未來交軌干涉測量技術會成為海冰厚度探測的主要技術手段之一。