張 辛

1．長江勘測規(guī)劃設計研究院,湖北武漢 430010;2．武漢大學中國南極測繪研究中心,湖北武漢 430079

多源遙感數據在南極冰雪變化監(jiān)測中的應用研究

張 辛1,2

1．長江勘測規(guī)劃設計研究院,湖北武漢 430010;2．武漢大學中國南極測繪研究中心,湖北武漢 430079

南極獨特的地理環(huán)境和惡劣的自然條件給南極冰雪變化的系統(tǒng)研究帶來了種種限制,直到衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展為相關研究提供了新的技術與方法。然而,在南極冰雪環(huán)境快速變化的前提下,單一的遙感傳感器難以滿足人類對南極的持續(xù)監(jiān)測;因此,多源遙感數據在南極冰雪變化監(jiān)測中的應用研究成為了南極科學研究與遙感技術研究雙雙發(fā)展的必然。

本文使用光學遙感影像、主動微波遙感影像及被動微波遙感影像等多源遙感數據,分別在南極局部區(qū)域與全南極的整體范圍內進行了冰雪變化監(jiān)測的應用研究。取得的主要研究成果包括以下幾個方面:

(1)使用250 m分辨率的MODIS影像鑲嵌圖數據(MOA),250 m分辨率的MODIS的L1B數據及150 m分辨率的Envisat－ASAR的Wide Swath數據進行冰架監(jiān)測試驗。提出了基于MOA的冰架基準圖生成,基于相似性測度的影像匹配,以及基于閾值與分水嶺變換的圖像分割的系統(tǒng)的南極冰架變化的監(jiān)測方法。

(2)利用多時相的MODIS與Envisat-ASAR數據,使用上述的冰架變化監(jiān)測方法,對全南極18個主要的冰架進行了從2002年至2011年初的冰架變化分析;包括冰架的前端擴展面積與擴展速度統(tǒng)計,冰架崩解量的計算,冰架裂隙的監(jiān)測等。然后,根據冰架變化特征將南極冰架系統(tǒng)分為擴張為主的冰架、崩解為主的冰架,以及擴張與崩解都明顯的冰架這三大類別。進一步總結了冰架變化規(guī)律與變化趨勢:崩解變化為主的冰架均處于西南極地區(qū),并主要集中在南極半島區(qū)域;擴展變化為主的冰架主要集中在東南極區(qū)域;南極三大冰架的擴展變化較為明顯,其中Amery冰架預計在近十年間發(fā)生較大崩解。

(3)綜合近年間變化顯著的南極冰架、冰川與冰舌等,分析了2002年至2011年初各年段的南極海岸線變化情況,并綜合使用全南極海岸線對比圖與南極海岸線變化量統(tǒng)計表,對近10年間的南極海岸線變化情況進行了系統(tǒng)的研究。結果表明近10年間的南極海岸線總體上呈擴展變化,海岸線擴展增加總量為5878 km2;南極海岸線范圍變化的90%以上來源于南極冰架的擴展與崩解變化量。此外,將動態(tài)海岸線數據應用于南極海冰監(jiān)測,也進一步提高了海冰監(jiān)測精度。

(4)使用MODIS在近紅外光譜范圍內的第2波段與第5波段的組合,改進NDSI歸一化雪被指數海冰提取方法中云干擾的問題,提出了晴空下海冰提取的新方法;進一步地,結合波段比值法與水汽含量法,提出了MOIDS薄云與厚云的分類方法,并仍使用MODIS第2波段與第5波段的組合實現薄云下海冰的提取;此外,在極夜期間也總結了MODIS紅外波段進行云檢測及海冰提取的方法?？傮w上,形成了MODIS提取南極海冰的完整的方法體系。使用該方法在東南極普里茲灣的進行區(qū)域性試驗,試驗結果得到了NASA海冰產品的驗證。

(5)使用新的MODIS海冰提取方法,輔助性地結合AMSR－E亮溫極化差海冰提取方法,進行了2002年至2010年全南極每月海冰范圍的提取,影像分辨率達1 km,高于現存的全南極海冰范圍影像數據。對近年間的海冰范圍與海冰面積數據進行了季節(jié)變化與年際變化的系統(tǒng)研究,對南極海冰變化規(guī)律與變化趨勢給出了新的分析。結果表明,南極海冰的季節(jié)變化表現為從每年的2月至9月經歷約7個月的凍結階段,再從9月至第二年2月經歷約5個月的消融時段;即南極海冰消融速度比凍結速度快,與前人的研究結果一致。而近年間全南極海冰的年際變化可分為3個階段:從2002年至2004年海冰沒有明顯的增減變化,2005年至2007年海冰明顯減少,2008年至2010年海冰處于增長趨勢中;這印證了南極海冰20年長周期的推斷。但近9年的全南極海冰總量并沒有明顯的趨勢性變化規(guī)律。

(6)利用MODIS的250 m分辨率的第1波段與第2波段數據,使用新的藍冰映射方法取代常規(guī)的NDSI提取方法,在東南極格羅夫藍冰區(qū)成功提取了2000—2001年、2002—2003年、2009—2010年3個年段的藍冰分布,并總結了該區(qū)域藍冰面積季節(jié)性的變化規(guī)律。然后利用Landsat系列傳感器MSS、TM及ETM＋分別在1974年、1990年及2001年的格羅夫影像數據,使用監(jiān)督分類的方法也提取了相應的藍冰分布,并在之后的年際變化分析中得到了藍冰邊緣線有東移現象的結論。

(7)使用全南極MODIS影像鑲嵌圖,結合MODIS第1波段的灰度閾值與第1、2兩波段生成的地表顆粒尺寸影像的閾值,進行了全南極藍冰的提取與分類研究。試驗先在格羅夫藍冰區(qū)利用已獲取的藍冰分布數據校準MOA藍冰提取方法,再在毛德皇后地區(qū)使用已有的研究結論校準MOA藍冰分類方法,最終得到了可信度較高的全南極藍冰分類分布圖與相應的統(tǒng)計數據:全南極風蝕型藍冰面積為(91 865±18 373)km2,消融型藍冰面積為(96 992± 19 398)km2,藍冰總面積為(188 857±37 771)km2。

The Monitoring of Antarctic Snow and Ice Changes from the Multiple-sources Remote Sensing Data

ZHANG Xin1,2
1．Changjiang Institute of Survey,Planning,Design and Research,Wuhan 430010,China;2．Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping,Wuhan University,Wuhan 430079,China

ANG Xin(1983—),male,

his doctoral degree from Wuhan Universtiy on December 2011,majors in geodetic surveying and remote sensing application．

P237

D

1001-1595(2014)04-0437-01

2014-02-23

張辛(1983—),男,2011年12月獲武漢大學工學博士學位(指導教師:鄂棟臣教授),主要從事大地測量與遙感應用研究。

ZHANG Xin．The Monitoring of Antarctic Snow and Ice Changes from the Multiple-sources Remote Sensing Data[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(4):437．(張辛．多源遙感數據在南極冰雪變化監(jiān)測中的應用研究[J]．測繪學報,2014,43(4): 437．)

10．13485/j．cnki．11-2089．2014．0083

國家863計劃專題課題(2009AA12Z133);國家自然科學基金(41076126;41376187)．

E-mail:zsimba＠163．com