哨兵1号影像在南极触地线提取中的应用与分析

赵现仁,邢 喆,张 峰,郭灿文,王 晶,孙 毅,马 永,赵彬如,王 剑

(国家海洋信息中心,天津 300171)

触地线位于冰川触地区内,是内陆冰盖或潮水冰川的触地部分与相邻的浮冰架或冰川之间的过渡性边界[1-3],触地区宽度通常为几千米[4],受潮汐运动、大气载荷和其他海洋过程的影响而垂直振荡,当冰架与周围的基岩、岛屿和冰升等相接时,就会发生冰川触地[5]。触地线是计算冰通量的自然边界[6-7],触地线的精确位置对于南极冰川物质平衡的计算至关重要,触地线位置偏差造成冰通量计算错误,从而给物质平衡估算带来较大偏差[8]。触地线是冰川动力学研究中的重要参数,触地区是冰川动力发生改变的过渡地带,从主要以垂直剪切力为主的触地状态的冰流到以纵向拉伸和横向剪切为主的浮力驱动冰架流的运动过程[9],是冰盖动力学现代数值建模的难点之一[10-11]。触地线是冰川变化和海平面变化的一个重要指示器,触地线位置的时空变化是对冰架厚度变化、海平面变化的直接响应,冰架变薄和冰架崩解会引起触地线的回退,触地线的回退可能又会对冰川厚度和冰流失产生反馈作用,导致触地区冰层增厚及冰流速增大[12-14],且随着海平面的升降而产生进退。因此,长期连续监测触地线位置的变化对于冰川学研究很重要。目前,国际上公开的常用触地线产品主要有4种:①基于260幅南极MODIS影像镶嵌图,利用冰架坡度变化特征生成的MOA GL 2004和MOA GL 2009触地线产品[15];②利用收集的1999—2003年15 m分辨率Landsat 7 ETM+影像,以及ICESat数据得到地表精确高程信息提取的触地线产品[16];③由2003—2009年的激光测高数据提取的触地线产品[17];④基于DDInSAR方法和ERS1/2、RADARSAT1/2和ALOS/PALSAR等多源雷达影像数据提取的触地线产品[1]。

触地线的提取方法主要包括实地观测和遥感提取两种手段[18-19],考虑到南极地区自然条件恶劣,无法长期野外观测或难以在短时间内获得大范围的触地线,触地线的提取以遥感手段为主。随着合成孔径雷达技术的迅速发展,以及ERS、RADARSAT、ALOS、COSMO-SkyMed、TerraSAR-X和Sentinel-1A/B等一系列SAR卫星的成功发射,双差干涉测量(double differential SAR interferometry,DDInSAR)被认为是当前提取大范围、高精度南极触地线的最有效技术手段[20]。文献[21]统计了1996—2019年公开发表的文献资料中关于SAR卫星在触地线提取中的使用频率,ERS-1/2tandem为43%、ERS-1icephase为21%、TerraSAR-X/TanDEM-X为13%、ERS-2icephase为7%、COSMO-SkyMed为6%、RADARSAT-1/RADARSAT-2为5%、Sentinel-1A/B为3%、ALOS/PALSAR为2%。因此具有短重复周期和波长较长的SAR传感器(C波段和L波段)是触地线动态变化监测的首选数据,而当前在轨运行、时间基线较短并且可以免费获取的Sentinel-1A/B雷达影像数据使用频率较低。欧空局曾首次利用2014—2017年的Sentinel-1A/B雷达影像数据,提取了覆盖南极区域的触地线产品,但是该产品在2018年5月17日从相关网站删除。在外文文献资料中利用Sentinel1A/B雷达卫星数据提取南极触地线的研究区域主要集中于西南极的波普冰川、史密斯冰川、科勒冰川、派恩岛冰川、龙尼冰架西部及东南极的埃默里冰架等[22-23];在中文文献资料中,仅有2篇文章利用了DDInSAR方法和Sentinel-1A/B影像对东南极毛德皇后地沿岸部分冰架和西南极阿蒙森湾西侧的多森冰架开展了触地线的提取工作[24-25],上述研究并未对Sentinel-1A/B雷达影像数据在南极触地线大规模提取中的应用特点展开讨论。

综上,本文基于2020年Sentinel-1A/B雷达影像数据,采用DDInSAR方法开展南极大范围的触地线提取,分析触地线的提取精度、Sentinel-1A/B雷达影像的适用性、南极典型冰川的触地线变化特征及可能影响南极触地线提取的各种因素,以期系统认识DDInSAR方法和Sentinel-1A/B雷达影像数据在南极触地线提取中的应用特点,并为其他科研人员开展南极触地线的研究提供一定的参考。

1 研究区域和数据

1.1 研究区概况

本文研究区域为南极沿岸地区,即Sentinel-1雷达影像数据覆盖区域(如图1所示)。南极半岛呈狭长弓状,境内多山地,地势崎岖,纬度相对较低,受海洋性气候影响较大,使得该地区冰川变化较大,海岸带和冰架地区流速较快。西南极沿岸被阿蒙森海和罗斯海环绕,受海洋性气候影响,多数为海洋性冰川,面临消融变薄、冰川前缘后退、冰流速加速等问题。东南极沿岸周边分布着数量众多的巨型冰川,远离海洋,冰川状况相对稳定。

图1 研究区概况

1.2 数据介绍

1.2.1 试验数据

研究区的Sentinel-1雷达影像数据来源于NASA的共享SAR数据平台ASF。Sentinel-1雷达卫星由Sentinel-1A/B两颗卫星组成,搭载C波段合成孔径雷达,方位向分辨率为20 m,距离向分辨率为5 m,可全天时、全天候对地观测[26]。本文选用2020年的Sentinel-1A/B雷达影像数据,单星重访周期为12 d,双星重访周期为6 d,完整覆盖了南极半岛,也基本覆盖了西南极、东南极海岸线周边区域,总计477景影像。

1.2.2 其他数据

POD精密定轨星历(precise obrit ephemerides)数据用于对轨道信息的修正,可有效去除因轨道误差引起的系统性误差,定位精度优于5 cm。DEM数据为文献[27]制作的空间分辨率为1 km的DEM,其精度可达10 cm,在地形起伏较大区域也可达米级。触地线产品数据包括MOA_GL2009触地线,定位精度约为250～500 m(图1中蓝色曲线),和MEaSURE_GL触地线定位精度约为100 m(图1中橙色曲线)。全南极冰川流速数据(简称MEaSUREs冰流速)是文献[28]利用1992—2016年多源雷达影像数据获取的南极冰川流速场,分辨率高达450 m。基于深度学习技术自动提取的2018年全南极6d触地线成果为Alltracks_6d_gl.shp[29]。

2 研究方法

2.1 触地线提取原理

图2为冰川触地区特征示意图[1],F点为潮汐运动引起的冰弯曲向陆地极限点,H点为冰架与海洋接近平衡的“流体静力平衡点”,或者冰弯曲向海洋方向的极限点,G点为触地线的位置,Ib为冰架坡度陡变点,Im为冰架底部局部地形的海拔最低点。在F与H之间,由于海洋潮汐和逆气压计效应等原因,冰架腔内短期海平面变化引起冰弯曲,南极地区F到H的宽度约为9～11 km,但在轻度接地或潮汐弯曲因边界条件而高度扭曲的地区具有较大值。

图2 冰川触地区特征

根据雷达差分干涉测量(differential SAR interferometry,DInSAR)原理,在不考虑大气和系统噪声的影响下,重复轨道雷达干涉测量的相位可表示为

φ=φdef+φref+φtopo

(1)

式中,φdef为形变相位;φref为参考相位;φtopo为地形相位。

利用三景单视复数影像(single look complex,SLC),按照时间先后顺序依次组成两对相同时间基线的干涉对(single SAR interferogram,SSI),通过引入POD精密定轨星历数据和外部DEM数据去除轨道误差,以及平地和地形相位,获得只包含冰流相位φflow和潮汐相位φtide的差分干涉图(Differential SAR Interferogram,DSI),即

Δφ=φflow+φtide

(2)

假定相邻影像在时间间隔内冰流速恒定,即在两景差分干涉图DSI中,由冰流速引起的冰流相位相同,对两景差分干涉图再次进行相位差分,去除冰流相位的影响,得到一景双差干涉图(double differential SAR interferogram,DDSI),DDSI包含的相位Δφ可表示为

Δφdouble=φtide1-φtide2

(3)

式中,φtide1为时间间隔在前的DSI潮汐相位;φtide2为时间间隔在后的DSI潮汐相位。在DDSI中,永久和短暂触地区周围表现为密集的条纹带,通过识别DDSI中密集干涉条纹中靠近陆地一侧的分界线,提取冰川触地线。

2.2 触地线提取

导入Sentinel-1A/B雷达影像数据和POD精密定轨星历数据,以影像获取时间在前的为主影像,两两组成时间基线相同的干涉对,对干涉对进行配准生成干涉图。对干涉图进行去平地相位Goldstein滤波处理。引入外部DEM模拟干涉相位与生成的干涉图进行差分以去除地形相位,生成差分干涉图。采用最小费用流解缠方法对差分干涉图进行相位解缠并重去平,得到只包含冰流相位和潮汐相位的差分干涉图。利用参考影像的强度信息对解缠后的差分干涉图进行配准,将配准后的差分干涉图再次进行差分去除冰流相位,得到只包含潮汐相位的双差干涉图。对双差干涉图进行地理编码,手绘追踪图中密集条纹靠近陆地一侧的分界线得到触地线。

3 结果与分析

本文提取的触地线结果如图3所示,红色曲线是利用时间基线6 d的Sentinel-1A/B雷达影像数据提取的触地线,用DDInSAR_6 d表示;紫色曲线是利用时间基线12 d的Sentinel-1A或Sentinel-1B雷达影像数据提取的触地线,用DDInSAR_12 d表示。提取的触地线总长度约为23 472 km,其中在南极半岛地区的长度为5 930.5 km,在西南极和东南极的长度分别为7 041.2、10 500.3 km,共计覆盖63%的南极地区触地线。南极半岛和西南极全部为DDInSAR_6 d,触地线提取质量较高,空间连续性较好;东南极则包括了DDInSAR_6 d和DDInSAR_12 d,触地线提取质量较低,呈碎状分布,断点较多,空间连续性差,存在较大范围触地线缺失区域。

图3 触地线提取结果

3.1 精度评估

分别统计DDInSAR触地线与MEaSURE_GL触地线、MOA_GL2009触地线的最短垂直距离,DDInSAR触地线与MEaSURE_GL触地线的平均距离为594 m,标准差为847 m,DDInSAR触地线与MOA_GL2009触地线的平均距离为1124 m,标准差为2027 m。为DDInSAR触地线建立500、1000、1500 m缓冲区[30],计算MEaSURE_GL触地线、MOA_GL2009触地线在缓冲区内与DDInSAR触地线的匹配度(见表1),共有89.6%的MEaSURE_GL触地线在1500 m缓冲区内,66.4%的MEaSURE_GL触地线在500 m缓冲区内,有80.7%的MOA_GL2009触地线在1500 m缓冲区内,51.4%的MOA_GL2009触地线在500 m缓冲区内,通过上述比较发现DDInSAR触地线与MEaSURE_GL触地线的一致性更高,匹配度更好。

表1 DDInSAR触地线精度评估 (%)

3.2 热点研究区域触地线的变化

选择图3中热点研究区a—h,叠加MEa-SUREs触地线产品,对触地线提取结果进行放大展示(如图4所示),对比发现,在近几十年的时间内,南极触地线变化特征多样。南极半岛的拉森A冰架区域岛屿的触地线消失或者长度变短,拉森C冰架南部区域沿触地线存在着多个小冰升(a区)。东南极毛德皇后地沿岸的触地线与MEa-SUREs触地线非常接近,触地线稳定,无明显大区域回退(b区);埃默里冰架无明显的大范围的触地线回退,在最南端存在着触地线前进现象,东西两侧沿拉斯曼丘陵与查尔斯王子山脉边缘的部分区域存在着较小范围的触地线回退(c区);沙克尔顿冰架西北部具有明显的新增触地线及冰升(d区);老穹丘区域同样具有明显的新增触地线,但是在樊尚湾区域存在着明显的大幅度的触地线回退(e区)。西南极地区存在着新增触地线和显著的触地线回退,特别是在西南极阿蒙森海域附近,包括赛普尔岛、卡瓦尼岛等具有新增触地线,盖茨冰架的触地线回退明显(f区);派恩岛冰川的触地线也具有明显的回退(g区);瑟斯顿岛、金半岛等生成有新的触地线(h区)。

图4 a—h区域的触地线提取结果

3.3 Sentinel-1A/B雷达影像数据的适用性

根据雷达影像数据在南极地区的覆盖范围(如图1所示)可知,除南极的罗斯冰架、龙尼冰架东侧及菲尔希纳冰架无法应用Sentinel-1A/B影像提取触地线外,在南极半岛和西南极区域可以完全应用6 d的Sentinel-1A/B影像提取触地线;在东南极的恩德比地流域、威廉姆冰架、特雷西冰架、巴德海岸、宁尼斯冰架、莫茨冰架、戴维冰架和毛德皇后地流域大部分区域只能使用12 d的Sentinel-1A/B影像提取触地线,其他区域可以使用6 d的Sentinel-1A/B影像提取触地线。

3.4 潮汐运动对触地线提取的影响

潮汐运动对触地线的提取具有显著作用,其运动的强弱决定了双差干涉图条纹的清晰度,影响触地线的提取质量。南极周围海域的潮汐强度分布情况如图5所示[31],南极半岛在拉森冰架处潮汐高度标准差超过了150 cm;西南极地区龙尼冰架处的潮汐高度标准差超过了150 cm,罗斯冰架处的潮汐高度标准差约为60 cm;东南极海岸线周边的潮汐高度标准差基本在40～55 cm[32]。结合图2与图5可以发现,DDInSAR触地线在南极半岛的拉森冰架、巴赫冰架及其他提取质量较好区域与南极强潮汐区域大致相符,而DDInSAR触地线提取质量较差或结果空缺的区域主要位于东南极冰盖,与南极周围的弱潮汐分布大致吻合。

图5 南极潮汐强度分布

3.5 冰流速对触地线提取的影响

南极冰川流动会导致冰川位置、形状的改变,部分地区会因冰流速较大而失相干,从而造成触地线的缺失。本文选择受冰流速影响显著的派恩岛冰川、思韦茨冰川、沙克尔顿冰川及白濑冰川为研究对象,在DDInSAR触地线空白区沿着MEaSURE_GL的触地线轨迹,做MEaSUREs冰流速的剖面线(如图6所示),在派恩岛冰川沿着AB剖面线的最小冰流速为498.89 m/a,最大冰流速为3 985.19 m/a(如图6(a)所示);在思韦茨冰川沿着CD剖面线的最小冰流速为639.22 m/a,最大冰流速为3 574.59 m/a(如图6(b)所示);在沙克尔顿冰川沿着EF剖面线的最小冰流速为424.09 m/a,最大冰流速为1 803.65 m/a(如图6(c)所示);在白濑冰川沿着GH剖面线的最小冰流速为2.99 m/a,最大冰流速为2 246.25 m/a(如图6(d)所示)。研究发现,南极触地线的提取受冰流速影响较大,特别是当冰流速超过400 m/a时,由于冰流速的存在使得DDInSAR_6d提取质量较差甚至无法提取触地线。因此,在南极冰流速较大的区域无法利用Sentinel-1A/B影像提取完整的触地线,需要组合其他多源SAR影像数据去除冰流的影响,才能完成触地线大范围的提取。而在图6(d)中存在较小冰流速区域也无法完成触地线的提取这一特殊现象,本文推测与该区域的潮汐活动有关,当潮汐运动较微弱时,利用Sentinel-1A/B影像难以检测到该区域的触地线。

图6 触地线与冰流速关系

3.6 季节对触地线提取的影响

本文引用基于2018年Sentinel-1A/B雷达影像数据提取的全南极最完整的6 d触地线成果[29],开展季节对触地线提取的影响分析,分别统计南极半岛、西南极和东南极的触地线在春夏秋冬不同时期提取的总长度,具体见表2。研究发现,南极半岛的触地线在秋季提取长度最大,西南极的触地线在夏季提取的长度最大,东南极的触地线同样在秋季提取长度最大。因此,在利用Sentinel-1A/B影像提取南极触地线时,南极半岛优先选择秋季(3、4、5月)期间的影像,西南极优先选择夏季(12、1、2月)期间的影像,东南极同样优先选择秋季(3、4、5月)期间的影像。

表2 不同季节的触地线长度km

4 结 论

本文利用Sentinel-1A/B雷达影像数据,基于DDInSAR方法完成了南极触地线的提取,结论主要如下:

(1)基于Sentinel-1A/B雷达影像数据资源,利用DDInSAR方法可以实现对南极触地线的长期、高效且较全面的提取。

(2)通过与MEa-SUREs触地线产品对比发现,在近几十年的时间内,南极不同地区的触地线具有不同的变化特征,存在着稳定、回退、前进、消失和冰升等多种变化现象。

(3)南极半岛和西南极可以完全应用6 d的Sentinel-1A/B雷达影像数据提取触地线,然而东南极并不能完全应用6 d的Sentinel-1A/B影像,大部分区域只能使用12 d的Sentinel-1A/B雷达影像数据提取触地线。

(4)潮汐运动对触地线的提取具有显著作用,潮汐运动的强弱影响触地线的提取质量,触地线提取质量较高的区域主要分布在西南极,与南极强潮汐区域大致相符;而触地线提取质量较差或结果空缺的区域主要位于东南极冰盖,与南极周围的弱潮汐区域大致吻合。

(5)触地线的提取受冰流速影响较大,特别是当冰流速超过400 m/a时,由于冰流的存在使得时间基线6 d的Sentinel-1A/B影像的触地线提取质量较差甚至无法提取触地线。因此,需要组合其他多源SAR影像数据去除冰流的影响,才能完成触地线大范围的提取。

(6)在利用Sentinel-1A/B雷达影像数据提取南极触地线时,南极半岛和东南极优先选择秋季(3、4、5月)期间的影像数据,西南极优先选择夏季(12、1、2月)期间的影像数据。

致谢：感谢欧空局(ESA)提供的Sentinel-1A/B雷达影像数据,感谢美国国家冰雪数据中心(NSIDC)提供的DEM数据、MEaSUREs冰流速数据、MOA触地线产品和MEaSURE_GL触地线产品。