基于寬幅SAR的格陵蘭島冰蓋凍融強度提取方法研究

趙夢雪 傅文學 孫燕武,3 李新武

(1 中國科學院空天信息創新研究院,數字地球重點實驗室,北京 100094;2 山東科技大學,測繪科學與工程學院,山東 青島 266590;3 安徽理工大學,測繪學院,安徽 淮南 232000)

提要 極地冰蓋凍融強度信息在理解冰蓋穩定性及其對氣候變化響應中具有重要意義。利用格陵蘭島2016年Sentinel-1A 干涉寬幅雙極化SAR數據(HH+HV),結合同時相自動氣象站點溫度和MODIS溫度產品數據,研究了HH、HV極化幅度值及HH/HV 比值與凍融強度的相關關系。結果表明凍融強度與HH、HV極化幅度值呈負相關關系,而與HH/HV值呈正相關關系,且與HH/HV值的相關性更好,R2值約0.610。基于MODIS溫度產品建立了冰蓋凍融強度劃分的5個HH/HV區間閾值,最后通過MODIS溫度產品的結果驗證表明,利用HH/HV值的凍融強度提取精度為86.8%。

0 引言

極地作為全球變化的敏感區域越來越受到關注,極地冰蓋厚度和凍融范圍的改變能夠反映全球氣候變化的整體情況[1]。極地冰蓋記錄的氣候信息有著數據量大、時間連續性好、保真性好等優勢[2],使得對極地冰蓋凍融的監測成為一項具有重大意義的研究。

傳統的實地觀測結果可靠性很強,但是由于極地地形復雜、環境惡劣、氣候變化突然,實地觀測的安全性和可操作性無法得到有效保障[3]。隨著光學遙感的發展,光學影像應用于極地冰蓋凍融變化的監測得到大量研究,然而由于極地地區太陽高度角低,且氣象條件惡劣,多數時間無法獲取理想的光學影像。合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)由于其全天時、全天候成像能力以及能部分穿透地物的特點,在極地冰蓋凍融研究中具有獨特的優勢,基于多時相、多極化、多波段及多模式SAR數據,在冰蓋凍融研究中已有了大量的工作[4-5]。Nagler和Rott[6]發展了利用多時相SAR影像的冰雪凍融分類方法;Shi和Dozier[7]利用多極化C波段SAR數據并結合地形信息得到了精度為74%的積雪覆蓋圖;Strozzi 等[8]使用干涉SAR數據的后向散射強度信息進行相干性分析,并開展了濕雪區域的制圖,發現基于后向散射值能夠對凍土加以區分;李震等[9]利用天山地區基于美航天飛機成像雷達(SIR-C)的C波段多極化數據進行冰雪凍融面積提取工作,得到的提取結果與TM 數據提取結果相比,一致區域高達87%～94%。但目前已有的研究多集中在對凍融分布的探測上,而對凍融強度的研究甚少。凍融強度能提供更豐富的冰蓋狀態信息,對氣候的響應更敏感。本文利用寬幅SAR影像及實測數據分析了HH和HV單極化幅度值及HH/HV的比值與冰蓋凍融強度變化的相關性關系,提出了基于多極化寬幅SAR影像的極地冰蓋凍融強度信息提取方法。

1 研究區域與數據

1.1 研究區概況

格陵蘭島是世界第一大島,總面積約218萬km2,是地球上僅次于南極洲的第二個“寒極”。年均溫度低于零度,冬季1月份平均溫度南部為–6℃,北部為–35℃;夏季7月份最北部平均氣溫為3.6℃;中部地區的最冷月平均溫度為–47℃。年均降水量從南部約1 900 mm 遞減到北部約50 mm[10-11]。

格陵蘭島也是北半球最大的陸地冰原,冰蓋面積達181萬km2,占全島總面積的83.7%。格陵蘭冰蓋中部最厚達3 411 m,平均厚度約1 500 m[12-13]。格陵蘭島冰蓋的物質平衡和冰量變化在全球平衡中起著重要作用,其表面冰層融化會導致海平面大幅上升,因此格陵蘭島凍融狀態是反映全球氣候系統的重要指針,反映著全球熱量平衡情況。基于氣候監測和實際研究的需要,科學家們已在格陵蘭島布設若干氣象站,收集了自1999年起包括氣溫、空氣濕度、風速、壓強、雪深等信息。

1.2 研究數據

研究中使用的星載SAR數據為Sentinel-1A干涉寬幅(IW)模式雙極化數據(HH+HV),該模式數據采用遞進的地形掃描方式(Terrain Observation with Progressive ScanSAR,TOPSAR)成像,空間分辨率為5 m× 20 m,幅寬為250 km,數據覆蓋位置如圖1所示,位于格陵蘭島南部。

IW 模式數據覆蓋面積較大,中等分辨率,適合研究大區域大尺度極地冰蓋凍融現象,同時雙極化模式可以進行多極化組合計算,提供更豐富的觀測信息。由于缺乏實地獲取的凍融強度狀態數據,已有的研究表明溫度數據可以較好地體現凍融強度信息[14],因此本文也采用本地溫度的高低來表征凍融狀態:溫度越高,冰蓋融化越強。研究中采用的溫度值包括 SAR 覆蓋區域內的NASA-SE站點(66°28′47″N,42°30′00″W,見圖1)處近地面溫度數據和MODIS溫度產品數據。NASA-SE站點每小時獲取一次溫度數據。該站點數據獲取較為完整,且站點溫度隨時間有較大的梯度變化,適合用來進行冰蓋凍融強度的分析。同時,考慮到冰蓋凍結或融化是一種持續性變化,瞬時狀態會受到前幾小時溫度的影響,因此采用了研究瞬時點前5小時及10小時跨度的站點溫度值進行平均。MODIS溫度選用研究當天的溫度數據產品,空間分辨率為1 km。

圖1 Sentinel-1 寬幅SAR數據在格陵蘭島的區域范圍及NASA-SE站點位置Fig.1.Edge match region of Sentinel-1A IW SAR data and the location of NASA-SE in Greenland

2 多極化SAR與冰蓋凍融強度變化關系分析

SAR 后向散射與冰蓋表面的含水狀態,即凍融強度有著密切的關系,因此分析不同極化SAR與冰蓋凍融強度之間的關系可為凍融強度信息提取提供理論基礎。本研究利用Sentinel-1A SAR 多極化SAR數據,結合站點溫度和MODIS溫度產品,分析了HH、HV極化及HH/HV值與凍融強度變化的相關性,并在此基礎上提出了凍融強度提取的理論方法。

2.1 基于站點溫度的多極化SAR與冰蓋凍融強度變化關系分析

為獲取不同凍融狀態下的多極化SAR數據及相應的梯度溫度值,獲取了2016年4—10月間研究區內的Sentinel-1A SAR數據,并收集了NASA-SE站點的溫度數據。其中,SAR數據獲取時間為中午12點左右,該時段溫度較高,有利于研究冰蓋凍融的變化;考慮到冰蓋凍融狀態對溫度變化有一定的響應時間區間,選取SAR數據獲取前5小時的NASA-SE站點的平均溫度作為站點溫度。

首先,提取了NASA-SE站點處Sentinel-1A SAR影像4—10月的時間序列HH和HV 后向散射系數值,形成了后向散射系數與站點溫度之間的線性關系散點圖,如圖2所示。散點圖的橫坐標為HH 及HV的后向散射系數,縱坐標為站點溫度,紅線為趨勢擬合線,線性相關系數R2的值反映了兩者相關性的強弱,R2越大,后向散射系數與溫度相關性越強,R2范圍為[0,1]。

從線性相關圖中可以發現,HH 與HV的后向散射系數均與溫度呈現負相關關系,溫度越高,即融化越強,后向散射系數越小,表明冰蓋含水量的增加導致更多的信號被吸收或反射。另外,HH和HV單極化后向散射與凍融狀態的相關性都較低,相比較而言,HH 相比HV極化與溫度的相關性更好,R2在0.4以上,而HV極化相關性的R2值只有約0.27。

圖2 HH和HV 后向散射系數與站點溫度關系圖Fig.2.Relationship between the degree Celsius of AWS and backscattering coefficient in different polarization modes

同時,分析了HH/HV值與溫度變化之間的相關關系,散點圖如圖3所示。由圖中可見,HH極化后向散射系數與溫度的擬合線比HV極化的更“陡”,即HH 極化后向散射值對溫度的變化響應更為敏感,升高相同的溫度,HH 比HV極化后向散射值降低的更多。因此,與HH和HV極化后向散射系數與站點溫度的負相關關系不同,HH/HV值與溫度呈正相關關系。

圖3 HH/HV 與站點溫度關系圖Fig.3.Relationship between the degree Celsius of AWS and the value of HH/HV

通過計算相關性R2可以發現,HH/HV值與5小時、10小時均溫的R2均達到0.610,而與15小時均溫的相關性R2為0.5853,相比有所下降,表明更長時間的溫度影響有所減弱。與HH和HV單極化后向散射系數值相比,HH/HV值與凍融強度變化之間相關性有較大的提高,表明利用HH/HV值可以更好地提取冰蓋凍融強度。

2.2 基于MODIS溫度產品的HH/HV值與冰蓋凍融強度變化關系分析

由于研究區內的站點較少,相應獲得的溫度值也較少,為分析更多的樣本點,得到更可靠的趨勢數據,本文同時也利用了區域尺度MODIS溫度數據產品結合HH/HV值進行分析。

分析中采用Sentinel-1A SAR數據,獲取時間為2016年8月13日,正值格陵蘭島冰蓋融化較為強烈的夏季,區域內有明顯的凍融梯度,溫度數據為SAR 獲取當天的MODIS溫度產品。SAR數據經過多視、輻射校正、地形校正及濾波預處理,并將預處理后的影像重采樣,保持與MODIS 產品空間分辨率的一致性,最后形成HH/HV值與MODIS溫度值的二維散點圖,如圖4所示。與HH/HV值與站點溫度相關趨勢相同,呈正相關。由于MODIS溫度產品為衛星過境的瞬時溫度值,與站點分析中的時段溫度均值略有差異。

圖4 HH/HV值與MODIS溫度產品的線性相關圖Fig.4.Correlation diagram between the value of HH/HV and the degree Celsius of MODIS

根據圖4的相關擬合線,確定HH/HV值劃分凍融強度的閾值。MODIS溫度劃分閾值對應的HH/HV值即為冰蓋凍融強度的劃分閾值,由凍結程度較大至融化程度較大,MODIS溫度梯度間隔為2℃,按溫度由低至高劃分為5個狀態,即HH/HV值為<0.152、0.152～0.340、0.340～0.522、0.522～0.701和>0.701的5個凍融強度不同的區間,如表1所示。像元的HH/HV值位于對應MODIS溫度所確定的范圍內,則認為該像元能夠表明基于HH/HV區間值的冰蓋凍融強度提取方法是可信的,研究區可信像元占樣本總像元數的63.58%。

表1 凍融強度劃分Table1.Classification of freeze/melt extent

3 基于寬幅SAR的凍融強度信息提取結果與分析

基于表1的凍融狀態閾值,利用雙極化Sentinel-1A SAR數據開展了凍融強度信息提取結果分析,所采用的數據仍然為2016年8月13日的Sentinel-1A SAR影像,經HH/HV 雙極化組合運算后圖像如圖5a所示,從亮至暗表明HH/HV值減小。

從電磁波散射機制的角度進行分析,由冰蓋邊緣到中部,液態水含量減少,主導機制由鏡面反射變為漫反射,接觸到冰蓋后沿原路線返回被雷達接收的后向散射波數量增多,反映在圖像上即為區域的后向散射增強,HH和HV 后向散射系數均增大。結合上文中的分析結果,HH 比HV極化后向散射系數與溫度關系線的斜率絕對值更大,冰蓋邊緣HH/HV值也更大,這與圖5a中情況相符。依據表1的閾值劃分,并考慮凍融強度不同的冰蓋范圍連續性較強,結合實地情況去除圖中不連續的點,獲得基于HH/HV值的凍融強度信息提取結果,如圖5b所示。基于以上提取結果,分別統計了HH/HV區間和MODIS溫度區間內的像元數量,比較結果如圖6所示。由圖6可知,在凍融強度不同的各個區間,HH/HV值與MODIS溫度數據的像元分布比較一致,在區域3的像元數最多,兩側依次減少;在HH/HV值和MODIS數據的劃分中,屬于同一區間的像元占總像元數的86.8%。

圖5 凍融強度信息的提取.a) HH/HV 比值圖像;b)凍融強度劃分結果Fig.5.Retrieval of the freeze/melt information.a) HH/HV value;b) the distribution of the zones in different power

為了驗證結果的可靠性,同時也選取了研究區域范圍內不同日期獲取的SAR數據與MODIS溫度區間像元進行比較,結果如圖7所示。在HH/HV值和MODIS數據的劃分中,4個時間的數據中,屬于同一區間的像元分別占總像元數的98.4%、94.4%、91.4%和90.1%,說明HH/HV值一定程度上能夠反映區域的凍融強度,結果可靠。

圖6 研究區域HH/HV 凍融區間與MODIS溫度區間像元數的比較圖Fig.6.Histogram of the different data of HH/HV value and MODIS

圖7 不同日期HH/HV 凍融區間與MODIS溫度區間像元數的比較圖Fig.7.Histogram of HH/HV value and MODIS in different dates

4 結語

本文采用Sentienl-1A 寬幅SAR數據對格陵蘭島冰蓋凍融強度進行提取研究。研究了 HH和HV單極化后向散射和HH/HV的比值與凍融強度之間的相關性關系,分析表明,與 HH和HV單極化后向散射系數不同,HH/HV值與溫度值呈正相關關系,且HH/HV值能更好地反映冰蓋凍融強度,建立了利用HH/HV值提取冰蓋凍融強度的區間閾值。由于缺乏實地凍融狀態測量數據,研究中采用溫度值來反映凍融狀態難免存在誤差,但基于多極化 SAR的凍融強度提取方法仍然可為極地研究提供實際的技術途徑。