利用ICESat/GLAS数据研究北极海冰干舷高度

北极海冰变化受全球气候变化影响明显,海冰的变化不仅体现在面积上,而且也体现在厚度上。利用海冰干舷高度可以反演海冰厚度,冰、云和陆地高程卫星/地球科学激光测高系统(ice,cloud and land elevation satellite/geoscience laser altimeter system,ICESat/GLAS)提供了高精度的海冰高程信息。利用ICESat/GLAS测高数据,提取了2003~2008年部分时间段北极区域海冰的干舷高度,分析了2003~2008年间北极海冰季节性以及年际变化特征。结果表明,北极海冰干舷高度呈下降趋势,并且在2007年夏季减少趋势最为明显。对北极海冰在2007年迅速减少的原因进行了探讨,并利用仰视声呐实测数据对干舷高提取算法存在的系统性偏差进行了讨论与分析。     

利用CryoSat-2测高数据研究南极威德尔海海冰出水高度时空变化

为了提高南极海冰出水高度的估算精度,以威德尔海为例,基于CryoSat-2卫星测高数据,联合冰桥计划(IceBridge)机载测高数据和科考船走航观测数据,获取应用最低点高程法反演海冰出水高度的最佳估计参数,进而估算并分析了2011—2017年,每年5月—10月威德尔海海冰出水高度的时空变化。结果表明,最佳的出水高度估算方案为采用0.8倍标准差剔除高度计观测值粗差后,选择沿轨10 km数据段并取最小5%的样本点平均值作为局地海面高估算海冰出水高度;近7年来南极威德尔海月均海冰出水高度总体呈现略微变薄的趋势,变化范围在17.9~27.4 cm之间;威德尔海海冰出水高度的分布呈现东薄西厚的特征,较大值主要分布在西威德尔海以及南极半岛东部海域。上述结论可为进一步研究南极海冰厚度变化对气候变化的响应提供参考。     

利用ICESat确定北极海面高及其变化

利用ICESat数据计算了海冰覆盖的北冰洋海域海面高,获得的北极平均海面高模型ICESat MSS与DTU13MSS模型存在-10.0±9.6 cm的差异。分别根据EGM2008和ArcGP大地水准面模型计算的平均海面动力地形在总体趋势上完全一致,准确地展现了北冰洋的主要洋流特征。根据ICESat计算的海面高分析了北极海平面的季节性变化,与验潮站数据的对比表明不同ICESat任务期之间存在系统差异。     

多源DEM融合的高差拟合神经网络方法

本文侧重于介绍智能化摄影测量机器学习的高差拟合神经网络方法。观测手段和处理方式等限制导致全球高质量无缝DEM数据的缺乏,进而制约了它在水文、地质、气象及军事等领域的应用。本文提出了一种基于高差拟合神经网络的多源DEM融合方法,尝试融合全球DEM产品SRTM1、ASTER GDEM v2和激光雷达测高数据ICESat GLAS。首先,根据ICESat GLAS的相关参数及与DEM数据的高程差值,结合坡度自适应的思想设置高差阈值对ICESat GLAS进行滤波,剔除异常数据点。然后,以ICESat GLAS数据为控制点,利用神经网络模型拟合ASTER GDEM v2的误差分布。以地形坡度信息和经纬度坐标作为网络输入,ICESat GLAS和ASTER GDEM v2的高程差值作为目标输出,训练得到预测高差,将其与ASTER GDEM v2高程值相加即可获得校正结果。最后,引入TIN差分曲面的方法,利用校正后的ASTER GDEM v2高程值对SRTM1的数据空洞进行填充,融合生成空间无缝DEM。本文通过随机选取数据进行真实试验,对模型进行了精度验证,并给出了处理结果的定量评价和目视效果。结果表明,不论是空洞还是整体区域,本文方法相比其他DEM数据集和其他方法的处理结果都能够在RMSE上表现出优势,同时,本文提出的方法能够有效克服ASTER GDEM中异常值的影响,得到空间无缝DEM。     

ICESat激光高程点辅助的天绘一号卫星影像立体区域网平差

无地面控制点（简称无控）区域网平差是实现卫星影像无控测图的一项重要技术,对于境外和外业测控困难区域的测图具有重要意义。然而,无控区域网平差的定位精度一般难以满足对应比例尺测图规范要求。利用公开、可稳定获取的公众地理信息数据辅助区域网平差,是提高卫星影像无控定位精度的有效途径,其中ICESat激光高程点便是一种良好的高程控制数据。为了提高天绘一号卫星影像无控定位精度,本文提出ICESat激光高程点辅助的卫星影像模型法立体区域网平差方法。首先,以30 m分辨率SRTM估算的地形坡度作为限制条件,结合激光高程点自身质量评价信息,自动提取高质量ICESat激光高程点;其次,利用自动匹配的连接点进行模型法自由网平差,实现卫星影像几何定位精度的相对一致性（内部一致性）;最后,将激光高程点自动量测至卫星影像作为控制点,其平面坐标根据自由网平差结果前方交会计算而得,高程坐标取自激光点高程,再次进行区域网平差精化定向参数,提高卫星影像的绝对高程精度。最后本文利用山东全省的天绘一号卫星影像进行试验,验证了本文方法的有效性和可行性。     

珠峰高程测量大气垂直折光系数的研究

大气垂直折光是影响珠峰高程测量成果和精度的重要因素之一。本文根据2005年珠峰高程测量实际数据详细分析研究了大气温度垂直梯度与大气垂直折光系数的计算原则、方法及其变化特征与变化趋势,结合同以往(1975、1992年)珠峰高程测量中大气温度垂直梯度与大气垂直折光系数变化趋势的比较,得出气温垂直梯度与大气垂直折光系数均存在周日变化并给出了它们的变化趋势,提高了珠峰高程的计算精度。     

2003-2018年Byrd冰川流域冰下湖活动及水文联系--多源卫星测高数据监测结果分析

南极冰盖下流动水、活跃冰下湖的活动对冰动力学、接地线稳定性和冰盖物质平衡都有重要影响。本文结合ICESat和CryoSat-2测高卫星数据集,分别运用重复轨道法和差分DEM法,对Byrd冰川流域17个活跃冰下湖进行长达16年的监测,并计算其平均高程和平均水量变化,总结活跃冰下湖的水文特征。根据水势方程获取了此区域的冰下排水路径图,结合冰下湖的位置和活动情况分析其相互间的水文联系。结果表明Byrd冰川流域多个活跃冰下湖间存在明显的水文联系:Byrd1和Byrd2冰下湖具有以2~3年为周期的储排水活动规律,并且Byrd1冰下湖主要受到上游Byrd2冰下湖活动的影响;Byrds9和Byrds14分别受到上游Byrds11和Byrds15冰下湖排水的补充,使湖水水量持续上升。     

Landsat 8全色影像阴影的扁平冰山出水高度提取

冰山出水高度是测量冰山厚度进而估算冰山体积的一个重要几何参数,是定量评估冰山对海洋的淡水输入量的基础。冬季冰山在海冰上成影且阴影较长,本文提出利用阴影测高模型高精度测量冰山出水高度的方法。试验选择2016年8月29日、9月7日和9月16日中心太阳高度角分别为5.43°、7.49°和11.01°的3期Landsat 8全色15 m影像,以独立扁平冰山为例,自动提取冰山在海冰上的阴影长度计算冰山出水高度,并利用不同时相同名成影点进行交叉验证评估测量精度。结果显示：阴影长度测量误差优于1个像元,在太阳高度角低于11.01°时,全色15 m影像提取的冰山出水高度均方根误差（RMSE）低于2.0 m,平均绝对误差（MAE）低于1.5 m。由此表明：在冬季低太阳高度角下,Landsat 8全色15 m影像可用于高精度测量冰山出水高度,具有大范围测量南极冰山出水高度的潜力。     

基于ICESat的南极冰下湖活动监测方法

南极冰下湖是冰下水文系统的重要组成部分,研究冰下湖的活动对冰下水文、冰流速、冰盖物质平衡以及海平面变化有着重要的意义。介绍了利用ICESat重复轨道算法监测冰下湖活动的方法,并针对冰下湖不同活动情况进行了仿真实验,以东南极Academy₁₂和Cook_E2冰下湖为例分析了该算法在实际监测中的应用。结果表明,两个冰下湖的活动导致其冰盖表面分别产生最大约6 m的上升和最大约70 m的下降。此外,当冰下湖高程变化在ICESat数据时间段内呈恒定的变化规律时,利用全部数据和重复轨道算法可得到不受地形影响的高程变化;当高程变化规律在该时间段不恒定时,需根据实际高程变化情况选取部分测高数据解算地形,从而保证得到正确的高程变化监测结果。     

基于Bootstrap算法的FY-3/MWRI北极海冰密集度反演

海冰作为全球气候系统的重要组成部分,不仅影响着大气与海洋环流,也是气候变化的重要指示器。海冰密集度是描述极地海冰极为重要的地球物理参数之一。本文基于风云三号卫星微波成像仪(MWRI)亮温数据开展北极海冰密集度反演研究,采用线性回归和阈值法确定了动态亮温系点值,利用天气滤波器和陆地污染修正法消除了天气和陆地对海冰密集度反演的影响,计算了2019年—2020年海冰范围和海冰面积并与同类产品进行了比对。结果表明,本研究获取的北极海冰密集度产品与NSIDC发布的海冰密集度产品有较高的相关性,海冰密集度的差异在冬季小于3%,夏季小于8%。利用SAR数据进行了不同产品的结果评估,结果表明本文算法的反演结果优于NASA Team算法,在冬季精度约有1%的提升,在夏季精度约有4%左右的提升。动态亮温系点值较好地反映了海冰辐射特性的季节变化。本研究为中国自主卫星的海冰密集度产品的业务化发布奠定了基础。     

利用CryoSat-2卫星测高资料确定北极海冰干舷高

卫星测高技术的发展使得大空间尺度探测海冰成为可能，海冰干舷高是反演海冰厚度的关键参量，获取精确的海冰干舷高对海冰探测及了解全球气候变化均具有重要的作用。本文基于近3年获取的CryoSat-2卫星SAR模式测高资料，在60°N—88°N纬度带内的北极海域通过设定阈值筛选可用的观测数据，并在此基础上计算2015—2017年间月平均海冰干舷高，最后通过IceBridge航飞数据的时空匹配验证了本文获取的干舷高计算结果是可靠的。     

Simulation of the Ku-band Radar altimeter sea ice effective scattering surface

A radiative transfer model is used to simulate the sea ice radar altimeter effective scattering surface variability as a function of snow depth and density. Under dry snow conditions without layering these are the primary snow parameters affecting the scattering surface variability. The model is initialized with in situ data collected during the May 2004 GreenIce ice camp in the Lincoln Sea (73/spl deg/W; 85/spl deg/N). Our results show that the snow cover is important for the effective scattering surface depth in sea ice and thus for the range measurement, ice freeboard, and ice thickness estimation.     

SPIRIT. SPOT 5 stereoscopic survey of Polar Ice: Reference Images and Topographies during the fourth International Polar Year (2007–2009)

Monitoring the evolution of polar glaciers, ice caps and ice streams is of utmost importance because they constitute a good indicator of global climate change and contribute significantly to ongoing sea level rise. Accurate topographic surveys are particularly relevant as they reflect the geometric evolution of ice masses. Unfortunately, the precision and/or spatial coverage of current satellite missions (radar altimetry, ICESat) or field surveys are generally insufficient. Improving our knowledge of the topography of Polar Regions is the goal of the SPIRIT (SPOT 5 stereoscopic survey of Polar Ice: Reference Images and Topographies) international polar year (IPY) project. SPIRIT will allow (1) the acquisition of a large archive of SPOT 5 stereoscopic images covering most polar ice masses and, (2) the delivery of digital terrain models (DTM) to the scientific community.Here, we present the architecture of this project and the coverage achieved over northern and southern polar areas during the first year of IPY (July 2007 to April 2008). We also provide the first accuracy assessments of the SPIRIT DTMs. Over Jakobshavn Isbrae (West Greenland), SPIRIT elevations are within ±6 m of ICESat elevations for 90% of the data. Some comparisons with ICESat profiles over Devon ice cap (Canada), St Elias Mountains (Alaska) and west Svalbard confirm the good overall quality of the SPIRIT DTMs although large errors are observed in the flat accumulation area of Devon ice cap. We then demonstrate the potential of SPIRIT DTMs for mapping glacier elevation changes. The comparison of summer-2007 SPIRIT DTMs with October-2003 ICESat profiles shows that the thinning of Jakobshavn Isbrae (by 30–40 m in 4 years) is restricted to the fast glacier trunk. The thinning of the coastal part of the ice stream (by over 100 m) and the retreat of its calving front (by up to 10 km) are clearly depicted by comparing the SPIRIT DTM to an ASTER April-2003 DTM.     

结合投影变换和相位相关的海冰运动监测

为提高对渤海海冰旋转和平移运动的监测精度,提出一种基于投影变换的相位相关跟踪方法。选取连续8景静止水色成像仪(GOCI)图像序列,根据特征图像窗口的投影变换构造辅助函数,通过寻求函数最优解得到旋转角度集合,选择修正相关系数确定最佳旋转角度,同时根据相位信息实现海冰样本间亚像素级别的平移跟踪,消除传统相位相关法中因忽略图像相频特性所造成的匹配误差。实验结果表明,以手动测量的旋转角度为基准,该方法和传统相位相关法的旋转监测均方根误差的最大值/平均值分别为0.59/0.50与1.41/0.94,跟踪速度提高了50.6%;海冰平移运动的速度矢量与辽东湾的现场实测数据及历史资料记录数据基本一致。该方法对渤海海冰旋转和平移运动具有较好的跟踪效果。     

Improving MODIS sea ice detectability using gray level co-occurrence matrix texture analysis method: A case study in the Bohai Sea

An effective methodology for Bohai Sea ice detection based on gray level co-occurrence matrix (GLCM) texture analysis is proposed using MODIS 250 m imagery. The method determines texture measures for sea ice extraction by analyzing the discrepancy of textural features between sea ice and sea water. Sea ice extent and outer edge are recognized accurately by texture segmentation owing to significant differences in texture statistical features between ice and water. The texture analysis method can properly eliminate perturbations on sea ice extraction due to suspended sediment. It effectively solves the problem of spectral confusion and sea ice misassignment in the conventional gray-threshold segmentation and ratio-threshold segmentation methods. The method eliminates the need for threshold range setting for sea ice segmentation. Taking the Bohai Sea as an example, the results of the proposed method are validated using co-temporal HJ1B-CCD 30 m imagery by visual interpretation, and the accuracy of the method are evaluated using confusion matrix. The results show that the proposed method is superior and more reliable for sea ice detection compared to conventional methods, providing an ideal tool for precise sea ice extraction.     

基于星载激光雷达和雷达高度计数据的南极冰盖表面高程制图

南极数字高程模型DEMs(Digital Elevation Models)是研究极区大气环流模式,南极冰盖动态变化和南极科学考察非常重要的基础数据。目前,科学家已经发布了五种不同的南极数字表面高程模型。这些数据都是由卫星雷达高度计,激光雷达和部分地面实测数据等制作而成。尽管如此,由于海洋与冰盖交接的南极冰盖边缘区随时间的快速变化,有必要根据新的卫星数据及时更新南极冰盖表面高程数据。因此,我们利用雷达高度计数据(Envisat RA-2)和激光雷达数据(ICESat/GLAS)制作了最新的南极冰盖高程数据。为提高ICESat/GLAS数据的精度,本文采用了五种不同的质量控制指标对GLAS数据进行处理,滤除了8.36%的不合格数据。这五种质量控制指标分别针对卫星定位误差、大气前向散射、饱和度及云的影响。同时,对Envisat RA-2数据进行干湿对流层纠正、电离层纠正、固体潮汐纠正和极潮纠正。针对两种不同的测高数据,提出了一种基于Envisat RA-2和GLAS数据光斑脚印几何相交的高程相对纠正方法,即通过分析GLAS脚印点与Envisat RA-2数据中心点重叠的点对,建立这些相交点对的高度差(GLAS-RA-2)与表征地形起伏的粗糙度之间的相关关系,对具有稳定相关关系的点对进行Envisat RA-2数据的相对纠正。通过分析南极冰盖不同区域的测高点密度,确定最终DEM的分辨率为1000 m。考虑到南极普里兹湾和内陆地区的差异性,将南极冰盖分为16个区,利用半方差分析确定最佳插值模型和参数,采用克吕金插值方法生成了1000 m分辨率的南极冰盖高程数据。利用两种机载激光雷达数据和我国多次南极科考实测的GPS数据对新的南极DEM进行了验证。结果显示,新的DEM与实测数据的差值范围为3.21—27.84 m,其误差分布与坡度密切关系。与国际上发布的南极DEM数据相比,新的DEM在坡度较大地区和快速变化的冰盖边缘地区精度有较大改进。     

三种国际主流的北极卫星遥感冰速产品评估和分析

冰速是海冰的重要参数，但是受资料长度限制，对卫星遥感冰速产品进行系统比较和评估的研究还较少。利用2009年—2017年国际北极浮标计划（IABP）浮标冰速数据，较系统地评估了不同时间间隔的遥感反演冰速产品在北冰洋内区和弗拉姆海峡附近海区的表现。结果显示，对北冰洋内区而言，1 d间隔的美国国家雪冰数据中心（NSIDC）遥感冰速冬季误差整体大于夏季，冬季高估了波弗特海南部海冰向西的运动，低估了从喀拉海流向格陵兰岛北部的穿极流。对于5种2 d间隔冰速产品而言，产品精度不完全取决于源数据空间分辨率的高低，反演算法的改进和数据融合均能提高冰速的精度，均方根误差大小的顺序是OSISAF-Merged <OSISAF-AMSR <Ifremer-AMSR <OSISAF-SSM < OSISAF-ASCAT。对于4种使用相同反演算法的3 d间隔的冰速产品，产品的均方根误差取决于源数据分辨率，空间分辨率最高的Ifremer-AMSR冰速均方根误差最小。比较不同种类、不同时间间隔冰速的月平均均方根误差后可知，采用3 d间隔反演的冰速由于能够忽略更多短时间尺度海冰运动，其冰速均方根误差低于2 d间隔的冰速。在弗拉姆海峡，除Ifremer-AMSR外，其余冰速产品均具有较大的经向偏差和均方根误差。在冰速较快弗拉姆海峡，冰速产品均方根误差取决于源数据的分辨率。     

带有区域分裂自适应细化过程的SAR海冰图像分割

受海冰自身特性、成像系统特性和环境因素的影响,合成孔径雷达SAR海冰图像具有非平稳、尺度依赖的空间结构,现有的单马尔可夫随机场MRF模型分割方法只能较好地适应非平稳性,对海冰场景的多尺度结构考虑仍然是全局的。为此,本文提出了一种区域分裂过程与二叉树分层结构自适应更新相结合的单MRF图像分割方法。首先利用单MRF模型的全局迭代权值完成初始区域合并,同时以二叉树形式保护合并过程的记录。所设计的分层合并算法可保证二叉树结构的节点数与场景中的对象尺度具有正相关性。随后的细化分裂并不产生新的区域,只是返回到初始配置。依据场景中不同区域对象的尺度,自适应地调整空间语境模型中的尺度权值,实现区域更新。实验表明,该方法有效提高了带有多尺度结构SAR海冰场景的分割精度。