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高分三号影像监测冰川表面运动
发布时间:2020-09-16     来源:武汉大学学报     作者:王群、张蕴灵等      浏览:287

受全球气候变暖影响,中国大部分冰川呈现出加速退缩趋势,且近年来冰崩、冰川湖溃决洪水等冰川灾害时有发生,规模和频率都有所增加。冰川运动作为冰川的特征之一,是研究冰川物质平衡和全球气候变化的重要参数之一,也是冰川及冰川湖危险性评估的重要依据,监测冰川运动变化对研究气候变化和冰川灾害预警有重要意义。


目前,现场实地监测和遥感监测等多种技术手段都可用于监测冰川运动速度的变化 。但是冰川往往分布在人迹罕至、环境恶劣的地区,对实地观测人员的生命安全有着极大的威胁,并且实地监测费时费力,监测范围和频次受限。随着遥感技术的发展,特别是星载合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)的出现,冰川区的SAR影像可以全天时、全天候获取,有效克服一些冰川区多云雨天气条件的限制,提高影像获取频率;还可以根据SAR影像的强度信息和相位信息,应用偏移量跟踪技术、差分干涉雷达测量技术(differential interferometric synthetic aperture radar,D‐InSAR)、多孔径干涉测量技术(multiple aperture interferometry,MAI)等多种技术手段获取大范围、高精度的冰川表面运动情况,成为冰川运动监测的重要手段之一。

目前,可用于监测冰川表面运动的主要在轨SAR卫星包括Sentinel‐1、TerraSAR‐X、COS‐MO‐SkyMed星座、RadarSAT‐2等,国内外学者也利用以上SAR卫星数据在冰川表面运动监测研究中取得了较多应用成果。高分三号(GF‐3)卫星是中国自主研制的首颗C频段多极化SAR卫星,具有高分辨率、大成像幅宽、多成像模式等特点,与 Sentinel‐1等免费数据相比具有高分辨率的优势,与TerraSAR‐X、COSMO‐SkyMed、RadarSAR‐2等商业数据相比具有性价比高的优势,其在海洋、气象、水利、减灾等多个领域均有成功应用案例。但利用高分三号影像监测冰川表面运动的研究尚属空白,故本文以发掘高分三号在中国冰川遥感监测中的作用为目标,利用覆盖念青唐古拉山依嘎冰川的5景高分三号影像,采用基于SAR影像强度信息的偏移量跟踪技术,提取了依嘎冰川表面运动分布情况,分析了其运动特征,并与Sentinel‐1及前人研究结果对比,评估了高分三号监测冰川表面运动的适用性。

一、研究区与数据

1.研究区

依嘎冰川位于中国西藏自治区那曲地区嘉黎县念青唐古拉山脉西段,地处易贡藏布一级支流尼都藏布上游北侧,具体位置和范围见图1。根据2014年中国科学院寒区旱区环境与工程研究所发布的《中国第二次冰川编目》,依嘎冰川面积约为46.3km2,高差接近3000m。依嘎冰川末端与尼都藏布相接,其运动极可能堵塞河道,形成堰塞湖,威胁下游众多村落的安全。因此,监测其运动情况具有重要的意义。

图1 依噶冰川地理位置


2.数据

高分三号卫星于2016年8月10日在中国太原卫星发射中心发射,是国家高分辨率对地观测系统重大专项中的唯一一颗民用微波遥感卫星,同时也是中国自主研制的首颗C波段多极化卫星,重复周期29d。本文收集了研究区2017‐11—2018‐03之间的5景升轨高分三号影像,成像模式为精细条带2模式,斜距向分辨率为2.25m,方位向分辨率为4.78m,极化方式为HH极化,使用的高分三号数据主要参数见表1;同时收集了与本文高分三号影像时间分布类似的两景升轨Senti‐nel‐1数据,成像模式为方位波束扫描(terrain ob‐servation by progressive scans,TOPS)模式,斜距向分辨率为2.33m,方位向分辨率为 13.96m,极化方式为VV极化,使用的Sentinel‐1数据主要参数见表2;采用30m分辨率的AW3D30数字表面模型(digital surface model,DSM)数据辅助SAR影像配准和地理编码,其高程精度优于5m。

表1 本文使用的高分三号数据主要参数


表2 本文使用的Sentinel‐1数据主要参数

二、研究方法与数据处理

1.研究方法

本文使用偏移量跟踪技术对覆盖依嘎冰川的高分三号和Sentinel‐1影像进行处理。偏移量跟踪技术可以计算两景SAR影像获取的时间段内冰川在距离向和方位向的运动分布情况。一般来说,偏移量跟踪技术的精度可以达到SAR影像像元分辨率的1/10以上,以10m分辨率的高分三号数据为例,其结果精度优于1m。

偏移量跟踪技术的关键算法是归一化互相关算法,归一化互相关算法计算出的SAR影像总偏移量一般是地形、电离层、轨道以及冰川运动引起的偏移量的总和。在研究区地形起伏不大且SAR影像对空间基线较短时,地形起伏引起的偏移量往往可以忽略,而电离层引起的偏移量与研究区的纬度和SAR影像的波长相关。本文研究区处于低纬度区域,SAR数据为C波段,且与电离层变化的空间尺度相比冰川面积很小,电离层影响可以忽略。但研究区地形陡峭,影像对的平均垂直基线在1000m以上,地形引起的偏移量不可忽略。故本文使用基于外部数字高程模型(digital elevation model,DEM)辅助的SAR影像配准方法,该方法利用外部DEM和SAR影像的轨道信息建立起主从影像的配准查找表,将研究区地形引起的偏移量计算到查找表内,并且对根据初始查找表重采样获得的主影像与从影像实施互相关配准,据此进一步精化查找表,降低由轨道定位不准确引起的偏移量误差,在空间基线较大时仍能精确地配准两幅SAR影像,提高地形起伏地区偏移量跟踪结果的精度。

2.数据处理

本文使用的5景高分三号影像,除2017‐11‐17和 2018‐03‐13两个时间段接收的影像具有相似的覆盖范围外,其余3景SAR影像的覆盖范围均有较大差别。故首先依据依嘎冰川在SAR影像中的具体位置,将5景SAR影像适当裁剪为同一覆盖范围,然后利用外部DEM辅助SAR影像配准。配准完成后,设定搜索窗口对SAR影像执行基于影像强度信息的互相关计算,互相关系数最大处即为像元的偏移量。本文将搜索窗口设为150×150像元,可以较好地保留结果的局部细节。对Sentinel‐1数据的搜索窗口设为256×64像元。

三、结果与分析

1.结果分析

对高分三号以及Sentinel‐1影像应用偏移量跟踪技术获取了依嘎冰川地距向和方位向的位移分布,将地距向和方位向位移合成并转化为冰川日均流速,从而得到了两个数据集的依嘎冰川水平面二维速率场,如图2所示。图2中,GF‐3表示高分三号影像,S1表示Sentinel‐1影像。

图2 依嘎冰川水平面二维速率图

根据高分三号监测结果图(图 2(a)~2(d))可知:(1)整体来看,在可监测到的冰川运动范围内,冰川末端到冰川上端,冰川表面速度呈现出先减速、后增加到基本稳定,再到显著增加、显著减少至稳定的趋势。其中,冰川最大速度主要分布在冰川中部区域,在4个监测时段内,中部冰川区的运动速率均大于1m/d。(2)由于缺少明显的地物特征(如裂隙、冰碛物等),依嘎冰川积累区表面较为平滑,偏移量跟踪技术适用性降低,导致大部分积累区无法监测出形变结果。(3)与近似同时期Sentinel‐1影像结果相比(图 2(e)),两组冰川流速结果的强弱态势在空间上高度吻合,最大流速均分布在冰川中部,但在细节上略有不同 。相比15m空间分辨率的Sentinel‐1流速结果,5m分辨率的高分三号流速监测结果细节更加丰富。(4)在4个监测时段内,依嘎冰川表面运动分布具有高度一致性,与利用COS‐MO‐SkyMed反演出的依嘎冰川运动结果进行对比,在冰川中部坡度陡变处的流速显著增加、显著减小变化情况一致,两种结果显示出的冰川运动分布总体吻合。

图3 高分三号影像依嘎冰川监测结果剖面线速率及高程变化图

为定量化分析依嘎冰川的速率变化情况,沿冰川主冰流线取一条剖面线(图 2(a)中黑色曲线,起点为冰川末端),统计了沿剖面线高分三号结果在4个时段的冰川速率变化及高程变化(见图3);将高分三号监测结果欠采样至Sentinel‐1相同的分辨率,并对比剖面线上高分三号与Sentinel‐1的速率分布(见图4)。

图4高分三号(2017‐12‐16—2018‐01‐14)与Sentinel‐1(2017‐12‐10—2018‐01‐15)影像监测结果

由图3可以看出,剖面线上4个时段依嘎冰川具有相似的速率分布,经统计,各个时段剖面线上冰川的平均运动速率依次为50cm/d、49cm/d、48cm/d和49cm/d,十分接近,表明2017‐11—2018‐03依嘎冰川运动速率稳定;与高程联合分析可知,距剖面线起点的4000~4800m是冰川表面高程变化最剧烈的区域,此处冰川运动速率急剧增加,到5500m处,高程变化稳定, 冰川速率也下降并趋于稳定。以上表明,地面高程变化与冰川速率的变化密切相关。在距剖面线起点约600m处,速率出现陡降,除与局部坡度变缓有关外,也与此处山谷走向变化、冰流受山体阻挡有关。由图4可知,高分三号和Sentinel‐1剖面线上速率整体变化态势较为吻合,在距剖面线起点约4500m的坡度陡变处,两种结果的运动速率都显著增加。但Sentinel‐1结果速率分布相比高分三号波动较大,且最大速率低于高分三号结果,其原因应为Sentinel‐1空间分辨率较低导致的信息采样不足,一方面降低了结果的信噪比,另一方面也难以反映出局部的运动速率高值。

四、结语

本文利用5景高分三号影像,应用偏移量跟踪技术对依嘎冰川2017‐11—2018‐03期间的表面运动速度进行了监测,得出以下结论:

1)4个时段的依嘎冰川表面速度变化不明显,速度空间分布具有一致性。从冰川末端到冰川上端,冰川表面速度呈现出先减速后增加到基本稳定,再到显著增加、显著减少至稳定的趋势,其最大速率分布在冰川中部,速率高于1 m/d,与高程联合分析发现,此处也是冰川表面高程变化最大的区域。

2)与以往研究结果及两景Sentinel‐1的偏移量跟踪结果进行对比,并计算高分三号4个时段基岩区速率残差的均方根误差,本文结果与以往学者的研究成果及Sentinel‐1的结果十分吻合,且基岩区的均方根误差小于3.1cm/d,远小于依嘎冰川的运动速率,验证了本文结果的可靠性。

3)高分三号可以全天时、全天候获取影像,具有高分辨率、大幅宽等优势,能有效应用到冰川表面运动监测中,可作为冰川表面运动定期监测的重要数据来源之一。考虑到其高空间分辨率和高性价比的优势,高分三号必将在中国冰川遥感监测中发挥独特作用。

本文研究表明国产SAR卫星数据可用于定期监测冰川运动变化情况,但本文研究区尚无实测数据验证,下一步工作将结合地基SAR等实地测量仪器、星地联合验证结果的可靠性。




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