遙感技術監測南極冰流速方法綜述

王 翊 宇

(同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

1 概述

南極冰蓋變化和海平面之間存在著復雜的相互作用關系，隨著全球氣候變暖加劇，南極冰蓋表面流速成為了南極冰蓋物質平衡研究、海平面上升模型的熱點。冰蓋表面運動速度的提取和監測是極地研究的重要組成部分，一方面冰流速可以直接反映氣候變化情況；另一方面冰流速是進行極地物質平衡計算和數值模擬的重要參數，對定量評估全球氣候變化對全球海平面的貢獻有重要的應用。南極地區典型冰川、冰架分布見圖1。

2 南極冰川流速監測方法

目前南極冰川流速監測的方法可以分為兩大類：實地觀測和遙感觀測。早在20世紀50年代左右，南極科考人員便通過實地測量，在冰川上埋設花桿，測量花桿的移動速度來獲取冰的移動速度。隨著遙感和GPS技術的發展，一方面：在實地測量中引入GPS技術，目前已經在實地觀測中得到了廣泛應用，能代替傳統的地面設備如電子測距儀、經緯儀測量的耗時和難以在南極惡劣的環境進行等劣勢；另一方面，基于光學衛星影像和微波遙感對南極進行大規模的觀測，使得長時序、大面積對南極進行觀測成為可能。早期南極部分地區的冰流速圖是在80年代末根據陸地衛星光學影像制作的，90年代后隨著ERS-1/-2和RADARSAT-1 SAR衛星的發射，極大地增加了南極大陸的數據覆蓋范圍，使得星載合成孔徑雷達探測逐漸成為研究冰川運動的主要技術手段，并使第一個環南極的冰流速產品得以在21世紀初發布。近年來隨著陸地衛星landsat8，sentinel-1/-2衛星的應用研究，將在未來冰川流速監測中發揮關鍵作用。衛星遙感技術在監測南極冰川、冰架中的典型應用如圖2所示。

2.1 實地測量

國內外對南極地區冰流速的實地測量始于二十世紀五六十年代，當時通過在冰川表面安裝標桿或者安裝參考標記，經過一段時間后利用測距儀測量出它們的流動距離。例如，Dorrer等在1962年—1963年間以及1965年—1966年兩 個時間段采用埋設花桿的方法，通過量算花桿位移距離獲取了羅斯冰架表面冰流速數據[3]。我國學者徐紹銓于1986年在納爾遜北部冰川地區進行了觀測，在與冰川入海方向的垂直線上布設了6個花桿監測點，兩次測量后發現該冰川以每年14.6 m的速度流向海洋[4]。后來隨著測繪技術的進步，全球定位系統(GPS)應用于南極冰川流速的監測。比如Manson等使用GPS技術測量了1988年—1995年間Lambert冰川的流速[5]。張小紅等(2005)對Amery冰架進行了連續5 d的GPS觀測，獲得了Amery冰架前端觀測點處的冰流速和流動方向。利用傳統測繪儀器和測量手段監測冰川運動，能夠獲取一定時間內局部區域冰川、冰架精度較高的流速變化信息，但是觀測效率較低，觀測結果也只局限于局部觀測條件比較適宜的冰川區域，難以覆蓋整個南極區域，因此也難以開展冰川運動速度的時空分析。盡管隨著GPS的出現，數據獲取效率和精度都得到了極大地提高，但是依然難以實現全南極的冰川運動速度監測。傳統實地測量的方法在面對南極惡劣的自然條件，廣闊的區域面積時，更顯示出其能力的不足，而遙感技術的發展使得高精度全南極冰川運動速度制圖成為可能。

2.2 遙感監測

隨著航空航天技術及遙感技術的快速發展，衛星觀測數據的空間分辨率、時間分辨率都有了顯著提高，為高分辨率高精度冰川運動速度場的提取提供了海量的觀測數據，可以實現大范圍、高空間分辨率、連續動態觀測。遙感監測冰蓋流速變化的主流技術主要分為兩類：一類是光學遙感監測；另一類基于SAR影像的微波遙感監測。目前來看，兩類中最為主要的方法是特征跟蹤技術[6]和干涉合成孔徑雷達(INSAR)技術[7]。

2.3 光學遙感監測

光學影像冰流速提取的基本原理：通過獲取冰川表面同一區域兩幅不同采集時間的影像像元間的偏移量除以影像采集的間隔時間得到冰流速。由于影像的采集時間間隔是已知量，因此流速提取的關鍵是計算前后期采集影像間同名像點間的位移量。

基于光學影像的冰川運動速度提取算法主要基于影像匹配理論，通過對不同時相獲取的遙感影像上的典型地物特征進行提取和偏移量跟蹤，從而獲取冰川運動速度。常用的影像匹配算法主要有：歸一化的互相關(NCC)、最小二乘匹配、基于頻率域的相位相關算法。基于光學遙感影像特征追蹤的方法，主要采用的是Landsat系列數據。最開始是手動或機械在影像上量測同名特征點的位移，比如Fujii等基于航空影像對1962年、1969年和1977年間Shirase冰架地區使用了人工特征解譯和跟蹤的方法測量了冰流速[8]，但這種方法，測量精度低，容易受到主觀的影響，特征點數較少不足以制作冰流速圖。后來許多學者研發了很多針對光學影像上冰流速的提取方法和軟件，同時期圖像特征匹配的方法被引入光學影像冰流速監測之中，1991年Scambos和Bindschadler將圖像匹配技術應用在冰川特征跟蹤之中，采用歸一化互相關的方法計算了冰流速，它們開發的IMCORR軟件工具被廣泛應用在冰川領域中，用于提取冰川流速[9]。后來更多的計算機視覺領域的圖像匹配算法和攝影測量領域算法被引入到冰川學領域之中，如頻率域互相關、相位相關、最小二乘匹配[10]以及基于區域的特征匹配[11]等。例如Liu等基于冰川的移動特性提出了一種分層匹配的方法，建立影像金字塔并加以三角網控制，提高了匹配點的精度和密度，并提出了剔除誤匹配的幾種方法[12]。

Heid等在當前已有的基礎上，總結了當前用于測量冰流速常見的幾種方法，包括NCC,CCF,PC,CCF-O以及COSI-Corr等六種，介紹了它們的特性和適用情況，提出了局部適應窗口的方法[11]。但是由于受到極地特殊環境條件的制約，光學遙感影像的獲取及數據質量受到極大的影響，因此僅僅依靠光學遙感影像難以實現對極地冰川的連續、動態監測。

2.4 微波遙感監測

作為主動微波遙感傳感器的代表，SAR可以進行全天候的觀測、無視極晝極夜的限制，保證全年都進行數據的采集。由于SAR具有微波的性質，所以再多的云量都不會對SAR影像的質量造成影響[13]。INSAR(干涉合成孔徑雷達)影像是通過不同時間的重復軌道合成孔徑雷達傳感器觀測獲得的復數雷達影像所包含的相位信息來提取位移變化量的[14]。Goldstein等在1993年首次將衛星雷達干涉測量運用于冰川流速監測，他們通過比較相隔幾天的SAR影像對，得到Rutford冰川的流速，且垂直精度達到了1.5 mm，水平精度達到4 mm，為廣大極地學者提供了一個量測冰川流速的新方法。之后，許多的研究學者相繼提出了許多新的冰川運動速度提取算法，例如，Joughin等在1998年提出一種方法，根據兩個軌道方向(升軌和降軌)以及表面坡度信息來估算三個速度分量，并將此方法運用到格陵蘭Ryder冰川的流速監測[15]。

按照所采用SAR數據的信息不同，基于SAR影像的冰川運動速度提取算法可以分為：基于相位信息的差分干涉技術算法和基于SAR強度影像的偏移量跟蹤算法，前者主要基于SAR影像的相位信息，通過采用差分干涉處理技術，獲取距離向和方位向的高精度的地表形變位移場，從而實現對冰川運動速度的估計和提取。主要適用于冰川運動速度較小，積累率較小的區域，而后者主要采用與光學影像相同的遙感影像匹配方法，通過對SAR強度影像上的典型特征或者“Speckle”進行跟蹤，從而實現冰川運動速度的提取，可以獲取快速冰川運動區域的二維冰川運動速度場。光學和SAR冰流速測量技術主要特點可見表1。

2.5 各種監測方法的特點

表1 光學和SAR冰流速測量技術的主要特點

3 三種冰流速產品介紹及現狀分析

3.1 MEASURES南極冰流速數字產品

該數據為高分辨率全南極表面冰流速產品，空間分辨率為450 m，由NASA的MEASURES(Making Earth System Data Records for Use in Research Environments)項目提供。數據源主要為衛星干涉合成孔徑雷達以及部分光學遙感影像，包括RADARAST-1和ERS-1/2，ALOS PALSAR，ENVISAT，RADARST-2，LANDSAT-8，Sentinel-1等，時間跨度主要為2007年—2009年以及2013年—2016年，部分區域使用了1996年—2016年期間獲得的數據進行填補。該產品有效實現了多傳感器的協同作用，構建了迄今為止在南極地區覆蓋范圍最大、最完整的冰流速圖[16]。

3.2 LISA冰流速數字產品

Landsat8南極冰流速(Landsat8 Ice Speed of Antarctica，LISA)數據集是由Landsat8 OLI(Operational Landsat Imager，陸地成像儀)全色影像獲得的南極冰流速數字產品，屬于Landsat(GoLIVE)項目全球陸地冰流速提取的一部分。該數據集部分時段冰流速數據可覆蓋整個南極，分辨率也依子數據集而不同。LISA數據集包括了2013—2014，2014—2015，2015—2016，2016—2017以及2013—2017年南極冰流速等子數據集，每個子數據集都是由超過100 000景影像獲取的。由于Landsat8 OLI影像的高空間分辨率15 m和高影像采集率(全球每天725景)，該數字產品的覆蓋范圍可以與INSAR產品媲美，空間分辨率為750 m[18]。

3.3 基于Landsat8影像的2014年與2015年南極冰流速數據產品

該冰流速產品由加州理工學院開發的COSI-Corr(Co-registration of Optically Sensed Images and Correlation)軟件實現，利用光學偏移測量在不同時間獲取的光學遙感影像之間的逐像素位移，從而在影像對之間生成高質量的冰位移場[18]。

3.4 目前南極冰流速監測現狀分析

部分區域覆蓋數據不足，對于光學和微波遙感均產生了影響，需要不斷擴充數據來源。

冰流速產品的時間尺度受限。現有的南極冰流速的研究成果在傳感器數據來源、數據空間覆蓋范圍、時間跨度上存在很大的局限性，大范圍的南極冰流速研究成果大多集中在19世紀80年代之后的冰流速測算與分析，80年代前的大范圍南極冰流速數據產品極其缺乏，限制了對南極冰流速在長時間序列下變化規律的研究，未來如何獲取更長時間序列的冰流速變化數據將是冰川流速研究的重點方向之一。

4 結語

針對南極地區冰蓋流速的提取和應用，由于遙感數據的來源、覆蓋范圍和時間尺度的不同，需要采用合適的監測技術。研究者加深對遙感監測冰流速技術的發展歷程、技術特點和應用現狀的了解，有利于開展進一步的南極冰流速的監測和應用研究。