張鼎凱， 劉召芹， 邸凱昌， 岳宗玉， 劉峰， 芶盛

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，青島　266590; 2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100101)

基于OMEGA影像火星北極冰蓋季節(jié)性變化監(jiān)測

張鼎凱1,2， 劉召芹2， 邸凱昌2， 岳宗玉2， 劉峰1， 芶盛2

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，青島266590; 2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101)

摘要：火星兩極冰蓋每年季節(jié)性消融的空間范圍變化是火星全球及區(qū)域氣候變化最直觀的反映，針對火星冰蓋監(jiān)測提出了一種利用歐空局火星快車搭載的OMEGA高光譜成像數(shù)據(jù)提取季節(jié)性冰蓋消融線的方法?；?8至29火星年覆蓋火星北半球6個(gè)時(shí)段的OMEGA紅外波段影像，利用監(jiān)督分類方法辨別冰層與裸地,以提取季節(jié)性冰蓋的邊界，計(jì)算了火星北半球季節(jié)性冰蓋消融速度，并利用高分辨率HiRISE 數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本文研究方法的正確性。研究結(jié)果表明，火星北極季節(jié)性冰蓋的消融速度是每隔太陽經(jīng)度(LS)10°冰層消融106 km2； 通過對比MOLA激光高度計(jì)數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域冰蓋消融異常原因主要為撞擊坑引起的地形變化所致。

關(guān)鍵詞：火星北半球； OMEGA影像； HiRISE影像； 季節(jié)性冰蓋； 消融曲線

0引言

在火星高緯度地區(qū)，存在永久性冰蓋和季節(jié)性冰蓋，其中永久性冰蓋全年都存在，季節(jié)性冰蓋隨火星季節(jié)的變化每年周期性地生成和消失。關(guān)于火星冰蓋的探測，國內(nèi)外學(xué)者利用現(xiàn)有的遙感影像數(shù)據(jù)對季節(jié)性冰蓋的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)季節(jié)性冰蓋主要是由大氣中的CO2和水汽凝結(jié)而成[1-2]?；鹦潜睒O的永久性冰蓋主要是由水冰組成[3]，在水冰上面覆蓋的干冰厚度大約為1m左右，在夏季時(shí)完全消融； 南極永久性冰蓋由干冰和水冰覆蓋而成[1,4]，干冰冰層厚度在8m左右，夏季依然存在。由于季節(jié)性冰蓋的主要組成成分是干冰和水冰，隨著火星北半球季節(jié)性冰蓋的消融，大量CO2氣體進(jìn)入大氣中，北半球氣壓升高，與此同時(shí)火星南半球進(jìn)入冬季，CO2凝結(jié)，南北半球形成氣壓差，形成火星大氣循環(huán)，因此季節(jié)性冰層的揮發(fā)與凝結(jié)作為火星大氣循環(huán)的動(dòng)力之一發(fā)揮著重要作用[5]。火星兩極冰蓋每年季節(jié)性隨時(shí)間和空間的變化是火星全球及區(qū)域氣候變化最直觀的反映[6]，通過對兩極冰蓋消融線的自動(dòng)提取和制圖，計(jì)算冰蓋消融的面積和范圍，結(jié)合利用火星軌道激光高度計(jì)(Marsorbiterlaseraltimeter，MOLA)地形變化測量[7]，可以有效地估算進(jìn)入大氣的CO2數(shù)量，為研究火星氣候變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

對火星季節(jié)性冰蓋的觀測方式主要分為地基觀測、太空觀測和遙感衛(wèi)星觀測3個(gè)階段： 早期Antoniadi[8]和Fischbacher等[9]采用地基觀測手段在地球上進(jìn)行了許多對火星極冠的觀測； 太空觀測階段Cantor等[10]利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對火星北極季節(jié)性冰蓋消融進(jìn)行過數(shù)次觀測，進(jìn)一步了解了火星季節(jié)性冰蓋的變化規(guī)律；Capen等[11]和Iwasaki等[12-14]由地基觀測得到的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在火星北極冰蓋的消融過程中有一個(gè)停滯期； 對火星北極進(jìn)行最早的遙感衛(wèi)星觀測是Benson和James等[15-17]通過利用水手9號和海盜號進(jìn)行的，發(fā)現(xiàn)大約數(shù)周時(shí)間冰蓋的邊界停在65°N；James等[18]還利用火星全球探勘者(Marsglobalsurveyor，MGS)攜帶的火星軌道相機(jī)(Marsorbitercamera，MOC)對火星北極冰蓋進(jìn)行了周期性的觀測，從影像上利用人工識別的方法得到了季節(jié)性冰蓋的消融規(guī)律，并且提出了火星北半球太陽經(jīng)度(solarlongitude，LS)與季節(jié)性冰蓋消融線緯度位置的函數(shù)，概略地闡述了火星塵暴對冰蓋消融的影響。

目前對火星冰蓋季節(jié)性變化的研究主要基于火星快車獲取的遙感數(shù)據(jù)。Giuranna等[19]利用火星快車的行星傅里葉分光計(jì)的短波通道研究了火星北半球春季冰蓋的組成成分和厚度，分析了不同區(qū)域的干冰粒徑大小和水冰豐富度，利用反照率模型推算出不同緯度區(qū)域的干冰層的單位質(zhì)量，進(jìn)而推算出干冰的厚度；Appéré等[20]利用火星快車的光學(xué)與紅外礦物光譜儀(ObservatoirepourlaMinéralogie,l’Eau,lesGlacesetl’Activité，OMEGA)影像對火星北半球自27火星年(Martianyear,MY)的冬季到28火星年的春季進(jìn)行了一系列觀測(火星年由Clancy[21]定義，地球公元1955年春分作為火星第1年的起始)，分別利用1.429μm和1.500μm波段對干冰和水冰反照率的閾值進(jìn)行分析，得到了2種冰層的消融界線隨時(shí)間的變化規(guī)律，做出了季節(jié)性冰層的變化分布曲線圖。但是，由于不同時(shí)相影像的光照條件、大氣密度和傳感器高度不統(tǒng)一等因素，很難得到統(tǒng)一的大范圍、多時(shí)相的冰蓋反照率的閾值邊界，進(jìn)而依據(jù)單波段閾值來確定冰蓋的消融邊界具有一定的不足。針對這些不足，本文提出利用北半球OMEGA影像，選取其中的128個(gè)近紅外波段，采用地物監(jiān)督分類方法，對實(shí)驗(yàn)區(qū)域的每幅影像選取感興趣區(qū)進(jìn)行監(jiān)督分類，這樣就避免了因多幅影像使用同一閾值提取冰蓋邊界造成的不準(zhǔn)確性。通過監(jiān)督分類方法提取冰蓋的消融曲線，分析季節(jié)性冰蓋的消融趨勢，擬合出冰蓋消融線隨時(shí)間變化的曲線，得到火星北極冰蓋變化的時(shí)空規(guī)律； 另外，由于火星表面的季節(jié)性沉積主要是水冰、干冰以及灰塵，春季升華時(shí)會(huì)在不同的空間尺度引起不尋常的、動(dòng)態(tài)的消融現(xiàn)象，如深色斑點(diǎn)、扇形沉積、蛛網(wǎng)狀地形、裂縫、邊坡條紋、沙雪崩裂和明暗條紋等，在可見光范圍內(nèi)可以直觀地觀察到火星季節(jié)性冰蓋變化引起的一些升華活動(dòng)[15,18]。通過火星偵察軌道器攜帶的0.25m高分辨率成像科學(xué)實(shí)驗(yàn)相機(jī)(highresolutionimagingscienceexperiment,HiRISE)能夠直接觀測到北半球季節(jié)性冰蓋的消融過程，驗(yàn)證使用OMEGA影像提取冰蓋消融曲線的正確性。

1數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

1.1數(shù)據(jù)源

火星快車發(fā)射于2003年6月，12月進(jìn)入火星軌道[22]，OMEGA是火星快車的一個(gè)重要載荷，主要用于采集可見光和近紅外數(shù)據(jù)，共352個(gè)波段。在0.35～1.0μm，0.93～2.65μm和2.51～5.1μm的光譜范圍采樣間隔分別是7nm，13nm和20nm，具體參數(shù)見表 1[23]。

依據(jù)干冰和水冰的波譜反射特征選取1～128波段用于冰蓋消融邊界的提取。為了檢驗(yàn)分類結(jié)果的正確性，使用2005年8月HiRISE相機(jī)獲取的高分辨率影像進(jìn)行驗(yàn)證。HiRISE影像的空間分辨率達(dá)0.25m，其3個(gè)波段的波長范圍為： 藍(lán)—綠光波段(400～600nm)、紅光波段(550～850nm)與近紅外波段(800～1 000nm)，從影像上可以直接觀測到不同時(shí)期的火星冰蓋消融變化。

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

從美國國家航空航天局(NASA)PDS網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)中選擇火星北半球LS在340°～110°范圍的原始數(shù)據(jù)。利用IDL對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，提取需要的信息，包括灰度值(idat)、輻射亮度值(jdat)、火星距日心處的太陽光譜值(specmars)和經(jīng)緯度(geocube)。將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入ENVI中，得到需要的數(shù)據(jù)類型，選取需要的波段存儲(chǔ)為影像格式。

由于火星大氣組成比較單一，對太陽輻射產(chǎn)生影響的主要是CO2，因此使用OMEGA團(tuán)隊(duì)提出的“經(jīng)驗(yàn)傳輸函數(shù)法”(ETF算法)進(jìn)行大氣校正，其原理是利用火星上的奧林帕斯火山頂部和底部相近地物的輻射率(I/F)差異，對頂部和底部的光譜做比值，得到火星大氣輻射傳輸因子(S)，又稱為大氣光譜。然后將觀測像元光譜除以S，基本消除大氣對輻射傳輸?shù)挠绊慬24]。

1.3光譜曲線特征分析

火星北極季節(jié)性冰蓋的組成成分是干冰和水冰的混合物，Langevin等[25]在季節(jié)性冰蓋覆蓋的區(qū)域得到了包含水冰、干冰以及干冰水冰混合物的光譜曲線。對實(shí)驗(yàn)區(qū)影像預(yù)處理后進(jìn)行反照率計(jì)算，使用OMEGA數(shù)據(jù)文件中的jdat與specmars做比值運(yùn)算，然后選取影像1～128波段范圍數(shù)據(jù)，得到地表的光譜曲線(圖 1)。圖1中實(shí)線所示光譜為LS=31°時(shí)位于(55.37°N，14.76°E)區(qū)域的裸地光譜曲線； 虛線所表示的是LS=31°時(shí)位于(79.45°N，2.16°E)區(qū)域的冰蓋光譜曲線。在LS=31°時(shí)冰蓋的消融線大約位于65°N左右的位置[15]，因此選擇上述2條曲線作為選取感興趣區(qū)的參考光譜曲線是可靠的，以此選取感興趣區(qū)對實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)督分類，提取季節(jié)性冰蓋的消融曲線。

(OMEGA影像序列號： ORB5285)

利用不同地物的光譜特征，采用監(jiān)督分類的馬氏距離法把地物分為裸地和冰蓋2大類。為了驗(yàn)證分類方法的正確性，選擇南半球LS=195°E時(shí)相的影像進(jìn)行分類并與其他分類結(jié)果對比(圖 2)。將本文分類后結(jié)果與Schmidt分類結(jié)果[6]疊加對比發(fā)現(xiàn)，兩者的冰蓋消融分界線位置基本一致，都位于60°S附近。Schmidt的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是依據(jù)由不同物質(zhì)的波段深度得到的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行閾值計(jì)算后得到的。由此說明了本文提取季節(jié)性冰蓋消融曲線的方法是可行的，且方法更為簡單直觀。

(a)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (b)Schmidt分類結(jié)果

圖2南極區(qū)域消融對比

Fig.2Recessioncomparisonofsouthpolarcap

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取在MY28年春季和MY29年春季火星北半球的部分OMEGA影像為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，共95景影像。依據(jù)影像覆蓋范圍分為6個(gè)時(shí)間段，采用馬氏距離法分別對OMEGA影像進(jìn)行監(jiān)督分類，結(jié)果如圖 3所示。

(a)LS范圍： 10°～14°(b) LS范圍： 20°～24° (c) LS范圍： 30°～34°

(d) LS范圍： 67°～72°(e) LS范圍： 80°～84° (f) LS范圍： 90°～94°

圖3北極地區(qū)冰蓋提取結(jié)果

Fig.3Extractionresultsofnorthpolarcap

圖3中綠色部分表示冰蓋分布區(qū)域，紅色部分表示裸地區(qū)域，以紅綠之間的分界線(白色實(shí)線)提取出不同時(shí)間段的冰蓋消融邊界。

從圖 3中冰蓋消融變化可以看出，在(195°E，71°N)處的撞擊坑附近，出現(xiàn)消融異常的現(xiàn)象。因此，對撞擊坑附近的消融異常區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)分析。圖4(a)綠色方框?yàn)樽矒艨拥奈恢茫?圖4(b)為使用MGS的MOLA數(shù)據(jù)生成的暈渲圖，可以觀察到撞擊坑周圍的地形比較粗糙； 圖4(c)和(d)展示了撞擊坑在2個(gè)時(shí)期的冰蓋消融變化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)撞擊坑附近消融速度明顯慢于同緯度的平坦區(qū)域。通過對其他撞擊坑的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，撞擊坑上的冰蓋消融速度普遍比相同緯度的平坦地區(qū)緩慢，因此推斷可能是在撞擊坑附近，由于坑沿地形粗糙度較大，產(chǎn)生的陰影致使太陽輻射減少，使冰蓋的消融速度降低，形成消融異常區(qū)。

(a)撞擊坑位置(b) 暈渲圖(c) LS=64.9°(d) LS=66.2°

圖4消融異常區(qū)域

Fig.4Abnormalrecessionalarea

通過對火星北半球得到的分類結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在春季開始時(shí)冰蓋消融曲線基本沿著同一緯線圈，不同區(qū)域的地形對冰蓋消融的影響不大。隨著時(shí)間推移，消融曲線呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，隨著緯度的升高，太陽高度角變小，地形起伏產(chǎn)生的陰影成為影響冰蓋消融的主要因素，因此推斷隨時(shí)間的推移地形對冰蓋消融起到了主要作用。對每個(gè)時(shí)間段的冰蓋面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到的結(jié)果疊加到火星北極極區(qū)底圖上，如圖 5 所示。不同時(shí)間段的冰蓋面積統(tǒng)計(jì)見表 2。對冰蓋面積和太陽經(jīng)度進(jìn)行曲線擬合，得到圖 6所示擬合曲線，冰蓋面積與太陽經(jīng)度近似呈線性關(guān)系。

圖5　冰蓋面積統(tǒng)計(jì)

LS/(°)面積/km212848506522743864932644994770273015482100901892851446

圖6　冰蓋面積與太陽經(jīng)度的關(guān)系

從圖 6中可以得出北半球季節(jié)性冰蓋的消融速度大約是106km2/10°。當(dāng)太陽經(jīng)度到達(dá)90°時(shí)，冰蓋面積保持穩(wěn)定，由圖 5也可以觀察到冰蓋消融到80°N時(shí)基本不再消融，剩余的冰蓋到達(dá)夏季仍未消融，作為永久性冰蓋存在。

2.2基于HiRISE影像的冰蓋變化驗(yàn)證

從HiRISE高分辨率相機(jī)影像上直觀得到的冰蓋隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以驗(yàn)證利用高光譜影像進(jìn)行地物分類的正確性。(70°N，103°E)區(qū)域不同時(shí)間序列的HiRISE紅光波段影像如圖 7所示。

圖7　位于(70°N，103°E)處不同時(shí)間序列的HiRISE紅光波段影像

從圖7中可以看到LS在37°～48°時(shí)開始有裸露土地(紋狀線間的黑色斑塊)出現(xiàn)，白色物質(zhì)與周圍地物對比明顯，隨著時(shí)間推移，白色物質(zhì)越來越少，因此推斷白色物質(zhì)即為冰蓋。在LS=55°時(shí)，冰蓋基本消失，只是在地表縫隙處存在較明顯的冰蓋，可能是在地表縫隙中由于太陽直射較少影響冰蓋揮發(fā)，在圖 3(c)中LS=30°時(shí)可以發(fā)現(xiàn)北緯70°附近為冰蓋，在圖 3(d)中LS=70°時(shí)北緯70°附近已經(jīng)沒有冰蓋，與圖 7中冰蓋的變化一致。在圖 7所示區(qū)域LS=55°時(shí)只是在表面的大縫隙中存在少量冰蓋，但在圖 8和圖9不同地區(qū)的假彩色影像中LS=78°時(shí)在大的縫隙中仍存有冰蓋，而相同時(shí)間圖 7所示區(qū)域已經(jīng)看不到冰蓋的存在。由此可以得出： 緯度越高，冰蓋消融的越慢； 同時(shí)發(fā)現(xiàn)沙丘坡度較緩的一側(cè)冰蓋消融速度要快于坡度較陡的一側(cè)； 冰蓋的消融與太陽光照有關(guān)。

圖8　位于(75°N，94°E)處不同時(shí)間序列的HiRISE假彩色影像

圖9　位于(76°N , 89°E)處不同時(shí)間序列的HiRISE假彩色影像

2.3對比分析

Cantor等[10]和James[26]利用MOC影像在可見光范圍描繪出的季節(jié)性冰蓋的變化規(guī)律圖像，與本文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，在LS=20°和LS=70°時(shí)對應(yīng)的消融邊界基本吻合，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在經(jīng)度范圍E210°～270°之間的消融速度明顯快于E315°～30°范圍的冰蓋消融速度。這是由于在E210°～270°區(qū)域的海拔高于E315°～30°[27]，海拔越高氣壓越低，冰蓋的升華點(diǎn)隨壓強(qiáng)的減小而逐漸降低，即相同光照條件下，氣壓越低冰蓋越容易揮發(fā)[28]。

Appéré等[20]通過OMEGA影像的1.429μm和1.500μm波段得到的深度信息研究冰蓋的消融邊界。圖 10展示了利用MOC，OMEGA和MARCI影像得到的冰蓋消融邊界變化。通過圖 10中多元數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析，本文得到的北半球季節(jié)性冰蓋的邊界與使用其它數(shù)據(jù)和方法得到的結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文方法的可靠性。

(黑色擬合曲線為本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果)

3結(jié)論

依據(jù)火星季節(jié)性冰蓋與裸地的不同光譜特征，選取火星快車的OMEGA高光譜影像，利用監(jiān)督分類的方法提取季節(jié)性冰蓋的消融曲線，探討了冰蓋邊界線隨時(shí)間的變化關(guān)系，以此推斷出冰蓋消融速度為每隔太陽經(jīng)度10°冰蓋面積變化106km2。由HiRISE高分辨率影像直觀地展示了火星北半球季節(jié)性冰蓋在春季消融的現(xiàn)象，對不同時(shí)刻的影像所展示的冰蓋消融現(xiàn)象與擬合的冰蓋消融曲線做對比分析，驗(yàn)證了冰蓋消融曲線的正確性。通過研究季節(jié)性冰蓋消融規(guī)律，能夠更好地了解火星冰蓋變化的規(guī)律，為進(jìn)一步探究火星大氣變化以及全球氣候變化對比研究奠定了基礎(chǔ)。如果結(jié)合激光高度計(jì)數(shù)據(jù)測量的冰蓋變化量，可以進(jìn)一步更精確地計(jì)算消融的體積及質(zhì)量，為火星氣候環(huán)境模擬提供數(shù)據(jù)支撐。

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MonitoringofseasonalchangesofMartiannorthpolar

(責(zé)任編輯： 陳理)

icecapwithOMEGAimages

ZhangDingkai1,2,LIUZhaoqin2,DIKaichang2,YUEZongyu2,LIUFeng1,GOUSheng2

(1. Survey and Mapping Institute of Science and Technology， Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590,China; 2. State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Abstract:The spatial variation extent of the annual seasonal melt of Martian polar ice caps is the most direct reflection of Mars global and regional climate changes. A method that utilizes hyperspectral images from OMEGA spectrometer on board ESA Mars Express for monitoring Mars ice cap by extracting seasonal ice cap ablation line is proposed in this study. Based on OMEGA infrared images from 6 periods of Martian year 28 and 29 that cover Martian northern hemisphere, the boundary of seasonal ice cap was extracted by supervised classification method which can distinguish between ice and bare land, and the melting rate of seasonal ice cap was also calculated and analyzed, with validation from high resolution HiRISE images. The results show that the melting rate of Martian northern polar ice cap is about 106 km2 every 10° solar longitude (LS). In addition, the comparison between the results and the terrain data from MOLA reveals that the regional abnormality of ice cap melting is mainly caused by the crater-induced topographic variation.

Keywords:Northern hemisphere of Mars; OMEGA images; HiRISE images; seasonal ice cap; melting curve

doi:10.6046/gtzyyg.2016.02.16

收稿日期：2014-11-26；

修訂日期：2015-03-16

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“火星壁壘撞擊坑成因機(jī)制分析及數(shù)值模擬”(編號： 41472303)資助。

中圖法分類號：TP 79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)02-0099-07

第一作者簡介：張鼎凱(1987-),男,碩士生,主要從事行星遙感制圖方面的研究。Email： zhangdk123@sina.com。

通信作者：劉召芹(1973-),男,博士,副研究員,主要從事遙感制圖與探測車導(dǎo)航定位方面的研究。Email： liuzq@radi.ac.cn。

引用格式： 張鼎凱,劉召芹,邸凱昌,等.基于OMEGA影像火星北極冰蓋季節(jié)性變化監(jiān)測[J].國土資源遙感,2016,28(2):99-105.(ZhangDK,LiuZQ,DiKC,etal.MonitoringofseasonalchangesofMartiannorthpolaricecapwithOMEGAimages[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(2):99-105.)