利用IceBridge测高数据计算海冰干舷的方法研究

冰桥计划(Operation IceBridge,OIB)自2009年启动以来,为监测南北极海冰、冰盖和冰川的变化,提供了大量高精度、高分辨率的观测数据。本文从准确、快速处理计算海冰干舷的需求出发,以南极威德尔海2017年11月14日海冰航线中机载地形扫描测绘仪1B级测高数据(airborne topographic mapper level-1B elevation and return strength, ATM L1B)4个扫描条带为实验区,提出了结合ATM L1B测高数据表面反射率截止值和高程最低点的方法来计算海冰干弦。结果表明利用表面反射率R<0.33提取冰间水道内ATM L1B点,再从中取高程最低10个点计算局部海面高是准确、可行的方法。该方法能够实现程序化快速、准确处理大量ATM L1B数据,计算海冰干舷。     

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。     

利用ICESat数据确定北冰洋海冰出水高度——以2005—2006年为例

提出了在结合高程特征变化的基础上利用ICESat海冰观测数据波形参数确定北冰洋海冰出水高度的方法,并与目前常用的最低点法进行比较。结果表明,最低点法计算的海冰出水高度不仅在空间分布上存在系统性误差,并且容易受到粗差影响,而本文的方法则具有较高的可靠性。本文在最低点法中加入高程标准差限制,并与本文提出的方法结合,计算并分析了2005年至2006年6个ICESat任务期的北冰洋海冰出水高度的季节变化。结果表明,2005年夏天的异常气候对于北冰洋海冰具有深远的影响,不仅使当年秋季的海冰出水高度大大减小,而且海冰的组成比例也发生了巨大变化。     

多准则约束的ICESat/GLAS高程控制点筛选

激光测高卫星在获取全球高程控制点方面具有独特的优势,本文针对ICESat(Ice,Cloud and land Elevation Satellite)卫星上搭载的地球激光测高系统GLAS(Geo-science Laser Altimetry System),提出了一种多准则约束的高程控制点筛选算法。算法综合利用全球公开版的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM数据对GLAS进行粗差剔除,然后利用GLA14产品中的云量、姿态质量标记、饱和度参数、增益参数等多种与测距有关的属性参数进行粗粒度的筛选,保留受云层、大气、地表反射率等影响较小的激光足印点,最后结合GLA01的波形特征参数做进一步精细筛选,提取出高精度的激光点作为高程控制点。本文还采用天津、河北两个实验区的数据,利用高精度的DEM成果数据对筛选的结果进行了验证。实验结果表明,经多准则约束筛选后的激光足印点具有很高的高程精度,能够作为1∶50000甚至1∶10000立体测图时的高程控制点使用,研究结论可为国产高分辨率卫星在境外地区进行无地面控制点的立体测图提供参考。     

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。     

利用ICESAT/GLAS激光测高数据评估SRTM数据精度

提出利用ICESAT卫星搭载的GLAS激光雷达数据进行SRTM数据的高程精度评价,选择青藏高原东北缘作为研究区,综合利用GIS空间分析方法,计算在不同高程分带和坡度分带上SRTM数据高程精度,并分析其变化规律。结果表明,ICESAT/GLAS与SRTM高程数据间存在明显的相关关系。该地区SRTM数据高程总体精度为5.3m,随着海拔升高,坡度的增大,高程精度呈降低的趋势。在祁连山高山区（4600m-4700m）误差达到12.3m,在40°-50°的坡度带上误差为18.9m,略高于SRTM的标称精度。     

基于ICESat/GLAS高度计数据的SRTM数据精度评估——以青藏高原地区为例

为全面了解航天飞机雷达测图计划(shuttle Radar topography mission,SRTM)高程数据的精度及误差特征,利用精度更高的ICESat/GLAS激光高度计数据(简称ICESat高度计数据)为参照数据,以具有多种地貌类型的中国青藏高原地区为实验区,采用双线性插值算法分析了SRTM在中国青藏高原地区的高程精度,以及SRTM高程数据与地形因子(坡度和坡向)间的关系。实验结果表明:在青藏高原地区,ICESat高度计数据与相对应的SRTM高程数据高度相关,相关系数高达0.999 8;SRTM的系统误差为2.36±16.48 m,中误差(RMSE)为16.65 m;当坡度低于25°时,SRTM高程数据精度随坡度增大而显著降低。此外,相对于ICESat高度计数据,SRTM在青藏高原地区N,NW和NE方向的测量值偏高,在S,SE和SW方向的测量值偏低。     

基于ICESat/GLAS激光测高仪数据的ZY-3数字表面模型的垂直精度评估

作为中国第一台民用高分辨率测绘卫星,资源3号(ZY-3)卫星具有非常重要的作用。在国家1∶50 000立体测绘项目中,可以从ZY-3的三线阵列图像中生成高精度数字表面模型(Digital Surface Model,DSM),并且可以通过选择穿梭雷达地形任务(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)而不使用任何地面控制点(Ground Control Point,GCP)来生产中国的ZY-3 DSM和冰、云及陆地高程卫星。地球科学激光测高系统(ICESat/Geoscience Laser Altimeter System,GLAS)作为卫星测绘应用中心的基准参考,为了对我国ZY-3的DSM进行垂直精度评估,选择了3个代表性区域,并将结果与ICESat/GLAS数据进行了比较。实验结果表明,ZY-3 DSM的均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)的仰角精度优于5.0 m,在我国东部的第二个区域甚至达到了小于2.5 m。虽然这项工作仅仅提出了初步结果,但它却是将ZY-3卫星图像扩大到广泛地区应用的重要参考,并且卫星激光测高数据也可用作广域DSM评估的参考数据。     

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...     

北极遥感海冰密集度数据的比较和评估

本文利用2012年夏季中国第五次北极科学考察期间雪龙船在北极东北航道走航观测的海冰密集度数据(OBS-SIC),初步评估了7种基于被动微波遥感的海冰密集度产品(PM-SIC)。7种PM-SIC因传感器和反演方法不同,分辨率差异较大(4—25 km)。在海盆尺度的海冰范围反演上7种PM-SIC基本相同,但对小范围浮冰区的反演差异较大。与MODIS可见光图像对比发现,MASAM数据(4 km)对局部小区域海冰刻画较好,是研究近岸区域或海峡岛屿海冰覆盖范围或面积时的首选产品;7种PM-SIC纬向平均后对比分析显示,不同PM-SIC对网格内是否存在海冰的判断基本一致,但对网格内海冰所占的比例(密集度)判断差异较大。结合OBS-SIC按航线、区域、密集度大小3种不同情况对7种PM-SIC进行分类定量评估,结果表明基于AMSR2传感器的AMSR2/ASI和AMSR2/Bootstrap数据与OBS-SIC偏差较小,平均偏差约±1%,均方根偏差仅11%和12%;而SSMIS/NT数据的偏差最大,平均偏差约–15%,均方根偏差为21%,其严重低估了网格内的海冰密集度值;因此具有更高分辨率的AMSR2/ASI数据(6.25 km)是关注海冰密集度大小时的首选产品。     

利用风云3D微波成像仪数据估算北极海冰密集度的精度评价

卷积神经网络（convolutional neural network, CNN）已用于星载全球导航卫星系统反射测量（global navigation satellite system-reflectometry,GNSS-R）海冰检测,其具有数据预处理简单、最大限度保留反射面信息等优势,但已有GNSS-R CNN海冰检测方法研究的数据集时间跨度较小,代表性有限,且未考虑训练集内海水、海冰时延多普勒图（delay-Doppler map, DDM）的比例对方法泛化能力的影响。针对该问题,首先提出一种筛除畸形DDM方法,有效筛除错误数据;然后,设计合适的CNN结构及参数,通过小样本对比实验发现CNN模型在训练集内海水、海冰DDM的比例为1∶1时具有高准确率和最佳泛化能力,并优化数据集选取策略;最后使用2018年全年大样本数据集评估改进的方法在大数据量和大时间跨度时的有效性和可靠性。研究表明,改进的方法通过加强数据质量控制、优化数据集选取策略,提升了CNN海冰检测方法的泛化能力及可靠性,使其更适用于实际应用场景,为海冰消融等研究提供参考。

     

基于TerraSAR-X全极化数据的北极地区海冰信息提取

北极地区海冰既受全球气候变化的影响,同时也影响着全球气候的变化,因此,北极地区已成为研究全球气候变化的热点区域之一。然而,由于北极地区环境恶劣,传统的实地勘测方法成本高,且难度较大。遥感技术,特别是合成孔径雷达(SAR)和全极化SAR技术的迅速发展,为北极地区海冰信息的提取提供了更加有效的数据获取方法。以TerraSAR-X全极化数据为基础,采用SEATH(separability and thresholds)面向对象影像分析方法,评估各种极化特征用于提取北极地区海冰信息的能力,并通过分类实验对其结果进行验证。研究表明:|VV|,T11和SPAN等极化特征对海冰具有较好的区分度,这将为大范围的北极地区海冰信息提取以及海冰监测卫星的参数设计提供理论基础。     

利用ICESat激光测高数据确定极地冰盖高程变化

对比研究了Shepard方法和连续曲率张力样条法及Kriging法在高程观测值稀疏和空缺区域中的插值效果,然后基于精化的ICESat数据集,利用连续曲率张力样条法建立了两极冰盖的格网时间序列模型,给出了极地冰盖高程的变化速率分布,并与卫星交叉点差值方法得到的相应值进行了对比分析。     

FY-3B/MWRI北极海冰密集度ASI算法反演研究

近年来,由于“北极放大”的气候效应,使得北极海冰变化受到了越来越多的关注。而作为海冰被动微波遥感的主要参数,海冰密集度SIC (Sea Ice Concentration)能够表征海冰的主要状态,可用于指导极区走航以及进行不同尺度的海冰变化研究。通过该参数还可以计算出海冰面积、海冰范围等信息,对极区冰情预测以及气候变化研究具有重要意义。本研究探讨了如何利用FY-3B/MWRI (FY-3B/MicroWave Radiometer Imager)较高分辨率通道数据来反演北极地区海冰密集度。基于ASI (ARTIST (Arctic Radiation and Turbulence Interaction STudy) Sea Ice)算法,本研究通过改进算法系点值的方法反演了北极地区海冰密集度,并将反演结果与MWRI海冰密集度产品进行了对比。首先利用Aqua/MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)反射率数据获得的海冰密集度对二者进行了验证。结果表明,本研究选用的新系点值ASI算法在全部数据集范围内的平均偏差与MWRI海...     

利用GLAS激光测高数据评估DSM产品质量及精度优化

提出了一种利用卫星激光测高数据直接优化提升数字表面模型（DSM）产品精度的方法。选取境外中亚地区的资源三号DSM开展试验,通过采用多准则约束方法提取激光高程控制点,分别利用偏度、中值、线性、二次多项式等进行DSM误差修正,发现4种模型均能有效消除DSM系统误差,其中基于二次多项式的方法更适用于平地和丘陵地貌,线性模型更适用于高山地貌。试验验证了采用卫星激光测高数据优化境外DSM技术流程的可行性,最终可提高DSM的绝对高程精度。     

ICESat GLAS完整波形信号处理技术在南极查尔斯王子山脉地区地表覆盖分类中的应用研究

波形激光雷达传感器所获取的遥感数据几乎可以提供后向散射信号的全部特征,除了距离观测值,需要通过进一步分析接收的脉冲获取更多关于地表实体的物理特性,因此,这些相关的物理特性成为研究地表覆盖的新领域。通过总结利用波形信号处理技术进行地表覆盖解译工作的研究进展,开展了南极查尔斯王子山脉地区地表覆盖分类工作。首先,描述了GLAS的数据结构;其次,总结了相关的信号处理技术;然后,从实际应用角度讨论了方法的可用性;最后,以南极查尔斯王子山脉地区为例,实践了基于ICESat GLAS完整波形信号处理技术的地表覆盖分类方法。     

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。     

利用多源遥感数据识别波弗特海冰间水道

采用MODIS可见光反射率、热红外亮温和RadarSat-2双极化后向散射等多源数据,通过建立决策树综合判断来识别波弗特海域冬季的冰间水道及其内部冰型,并进行精度评价。研究发现,MODIS热红外只能粗略提取冰间水道轮廓;而高分辨率的RadarSat-2影像可以提供更多海冰类型信息,但是不同冰型的后向散射信号有重叠,影响水道提取的精度。研究结合多源数据建立决策树,综合极化后向散射和表面温度等参数来判断海冰类型,从而识别不同发育阶段的冰间水道。该方法的识别精度优于单变量方法。高分辨率Sentinel-2光学影像验证了不同阶段冰间水道的顺序分布。多源数据的应用有助于更准确地计算水道区域的海-气热通量和产冰量,同时为船只导航提供更详细的冰情信息。     

从航空数字影像提取北极海冰形态参数的方法研究

在 1999年 7月至 9月的中国首次北极科学考察中 ,对北极密集冰区进行了航空数字相机遥感观测 ,获得一批高分辨率的不同类型海冰数字影像。探讨了利用数字影像分析海冰形态参数的方法。利用这些方法不仅可以分析海冰边缘、密集度、冰水比例等常规参数 ,而且可以获得卫星遥感尚无法探测的一些海冰形态的新参数 ,这些参数将增加对不同类别海冰的认识 ,对于研究北极融冰过程和冰区的海气相互作用提供有价值的手段和分析方法。给出的方法可以应用到中国渤海海冰和其它海域海冰的研究。