利用歷史衛(wèi)星影像重建南極Byrd冰川流速圖

黃勇

【摘 要】隨著全球氣候變暖，南極冰川流速研究成為海平面上升模型的一個關(guān)鍵參數(shù)。本文利用20世紀(jì)80年代的衛(wèi)星影像，通過影像預(yù)處理及密集匹配，重建了南極Byrd冰川區(qū)域的歷史流速圖，為監(jiān)測該區(qū)域的冰流速以及物質(zhì)平衡提供了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】南極;冰川流速;Landsat

中圖分類號： P228.3;P223.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0001-002

【Abstract】With the global warming，velocity of glaciers in Antarctic has become a vital parameter of the sea level rise model.Satellite images have been used in this paper to rebuild the historical ice flow map of Byrd Glacier in Antarctic by image preprocessing and dense matching，which provides a foundation for monitoring the ice velocity and mass balance in this area.

【Key words】Antarctic;Glacier velocity;Landsat

0 引言

南極作為地球的冷源之一，是全球氣候變化研究中最為關(guān)鍵和敏感的區(qū)域，其物質(zhì)平衡變化對全球海平面和氣候變化具有重要的影響[1]。政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告指出， 全球平均海平面在1901—2010年間上升的平均速率為1.7mm/y。南極冰層融化與全球海平面變化的定量關(guān)系及其影響機(jī)理，以及未來海平面變化的趨勢仍然存在相當(dāng)大的不確定性[2]。而冰川流速作為南極冰蓋穩(wěn)定性的一個指示器，是影響南極冰川物質(zhì)平衡的一個重要因素，因此測定南極冰川流速在全球氣候變化精密定量化中扮演了非常重要的角色。

目前，南極冰流速監(jiān)測主要分為兩類：野外實地測量和遙感監(jiān)測法。野外實地測量利用花桿、GPS以及全站儀、經(jīng)緯儀和激光測距儀等測繪儀器[3-6]，通過在實地直接測量地面點的位移得到該區(qū)域的冰流速。野外實地測量的突出優(yōu)點是精度很高，但由于南極惡劣的氣候條件以及特殊的地質(zhì)構(gòu)造大大限制了實地測量的應(yīng)用，無法進(jìn)行大范圍、快速、持續(xù)的測量。自從20世紀(jì)70年代第一顆Landsat衛(wèi)星發(fā)射成功以來，學(xué)者們便開始系統(tǒng)地對南極冰流速進(jìn)行研究[7]。Rignot等綜合使用了1996年至2009年的SAR數(shù)據(jù)，首次繪制了全南極的表面流速圖[8]。由于南極歷史冰流速數(shù)據(jù)的缺失，導(dǎo)致監(jiān)測南極冰流速變化困難重重。本文利用80年代的Landsat-4及Landsat-5影像對Byrd冰川進(jìn)行遙感監(jiān)測，并獲取了Byrd區(qū)域80年代的冰流速數(shù)據(jù)，使得對南極進(jìn)行長時間的冰流速監(jiān)測成為可能。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

Byrd冰川是南極洲的一個重要的冰川，長約136km，寬約24km，平均流速為650m/y[9]。同時Byrd冰川位于南極洲最大的集水區(qū)，每年流入Ross冰架的物質(zhì)體積為23.62km3[10]。

1.2 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

本文使用Landsat-4以及Landsat-5的光學(xué)影像數(shù)據(jù)的獲取時間、分辨率、波段以及波長如表1所示。

2 研究方法

2.1 高斯高通濾波

由于冰流區(qū)底部基巖會引起冰流表面起伏，進(jìn)而影響匹配結(jié)果，所以本文采用高斯高通濾波將這種由底部基巖引起的起伏剔除，同時增強(qiáng)影像表面的紋理。

高斯高通濾波首先對輸入的影像進(jìn)行中心變化并計算圖像的傅里葉變換DFT，即F（u，v），然后用濾波器傳遞函數(shù)H（u，v）乘以F（u，v）并計算傅里葉反變換，最后把圖像由頻率域返回到空間域中。其中截止頻率處在距頻率中心距離為D0的高斯高通濾波器（GHPF）的傳遞函數(shù)由下式給出：

D0為截止頻率，D（u，v）是點（u，v）到傅里葉頻率域原點的距離，D（u，v）=[（u-M/2）2+（v-N/2）2）]1/2，n為濾波器的階數(shù)。

2.2 歸一化互相關(guān)匹配

通過光學(xué)影像進(jìn)行冰川流速的監(jiān)測主要采用特征跟蹤法，而提取完影像上的特征點之后，則需要利用互相關(guān)的方法來衡量兩組特征點之間的相似度。歸一化互相關(guān)是一種基礎(chǔ)且有效的檢測影像同名點的方法，歸一化互相關(guān)算法在視覺對比度較差的區(qū)域、薄云區(qū)域以及高視覺對比度區(qū)域中表現(xiàn)良好[11]。對于一對連續(xù)影像，將時間較早的圖像作為參考影像α，另一張影像則作為待搜索影像β。對于影像α上面的特征點P，首先以P為中心在影像α中確定一個矩形作為參考窗口，然后在影像β中以P的同名點P為中心也開辟一個窗口作為搜索窗口，以公式（2）計算兩者之間的相關(guān)系數(shù)[12]。兩次匹配保留相關(guān)系數(shù)r最高的一對點并認(rèn)為是候選同名點， 只有當(dāng)兩次匹配結(jié)果一致時保留這對同名點。

其中（a，b）是匹配窗口中心相對于參考窗口中心的坐標(biāo)偏移量，f（xi，yj）和g（xi，yj）是參考窗口和匹配窗口（xi，yj）處的灰度值，f和g是參考窗口和匹配窗口的平均灰度值，m和n表示參考窗口和匹配窗口的長寬。

3 實驗過程

本實驗中所采用的衛(wèi)星影像來自于Landsat-4和Landsat-5，而這兩個衛(wèi)星所拍攝的影像定位精度較低，需要進(jìn)行正射校正。本文通過選取7個人工控制點利用Geomatica軟件中的正射模塊來對原始影像進(jìn)行正射校正，經(jīng)過處理所得到的正射影像的定位精度有了明顯的提高，均小于一個像素（表2）。

在正射影像的基礎(chǔ)上，利用NCC匹配法進(jìn)行影像匹配。在得到原始匹配點之后，根據(jù)相關(guān)系數(shù)以及冰流運動理論進(jìn)行誤匹配點的剔除，最終將剩余特征點插值得到Byrd冰川區(qū)域的冰流圖。

如圖1所示，以Byrd冰川地區(qū)的LIMA影像為底圖，展示了冰川的流速，主冰流區(qū)域的流速在200-870m/y。

4 結(jié)語

本文利用南極區(qū)域的Landsat歷史影像，通過歸一化互相關(guān)匹配法以及高斯高通濾波得到同名像對的匹配點，并根據(jù)相關(guān)方法剔除誤匹配點，成功重建了東南極Byrd冰川80年代的流速圖。該流速圖為 計算Byrd冰川區(qū)域的物質(zhì)平衡提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并為極地氣候精密定量化研究提供了有力的方法以及數(shù)據(jù)支持。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張棟，孫波，柯長青，等.南極冰蓋物質(zhì)平衡與海平面變化研究新進(jìn)展[J].極地研究，2010，22（3）：296-305.

[2]IPCC.Working Group I Contribution to the IPCC Fifth As sessment Report，Climate Change 2013：The Physical Science Basis=Summary for Polieymakers[R/OL].[2013-10-28].http：//www.climatechange2013.org/images/uploads/WFIARS-SPM_Approv

ed27Sep2013.pdf.

[3]Budd W F，Corry M J，Jacka T H.Results From The Amery Ice Shelf Project[J].Annals of Glaciology，1982，3：36-41.

[4]King M A，Coleman R，Morgan P J，et al.Velocity change of the Amery Ice Shelf，East Antarctica，during the period 1968-1999[J].Journal of Geophysical Research，2007，112（F1）：F01013.

[5]Urbini S， Frezzotti M， Gandolfi S，et al.Historical behaviour of Dome C and Talos Dome （East Antarctica） as investigated by snow accumulation and ice velocity measurements[J].Global & Planetary Change， 2009， 60（3）：576-588.

[6]An M， Wiens D， An C， et al. Antarctic ice velocities from GPS locations logged by seismic stations[J].Antarctic Science， 2015，27（2）：210-222.

[7]Lucchitta B K，F(xiàn)erguson H M.Antarctica：measuring glacier velocity from satellite images[J].Science，1986，234（4780）：1105-8.

[8]Rignot E， Scheuchl B. Ice flow of the Antarctic ice sheet.[J]. Science，2011，333（6048）：1427-30.

[9]Brecher H H.Photographic determination of surface velocities and elevations on Byrd Glacier[J].Antarct.J.US，1982，17（5）：79-81.

[10]Rignot E，Thomas R H. Mass balance of polar ice sheets[J].Science，2002，297（5586）：1502-1506.

[11]Heid T，Kb A.Evaluation of existing image matching methods for deriving glacier surface displacements globally from optical satellite imagery[J].Remote Sensing of Environment，2012，118（118）：339-355.

[12]Scambos T A，Dutkiewicz M J，Wilson J C，et al.Application of image cross-correlation to the measurement of glacier velocity using satellite image data [J].Remote Sensing of Environment，1992，42（3）：177-186.

※基金項目：國家重大科學(xué)研究計劃項目（2017YFA0603100）資助。

作者簡介：黃勇（1994—），男，江蘇張家港人，同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院測繪科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2016級碩士研究生，主要研究方向是攝影測量與遙感。