受全球氣候變暖影響，中國(guó)大部分冰川呈現(xiàn)出加速退縮趨勢(shì)，且近年來(lái)冰崩、冰川湖潰決洪水等冰川災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，規(guī)模和頻率都有所增加。冰川運(yùn)動(dòng)作為冰川的特征之一，是研究冰川物質(zhì)平衡和全球氣候變化的重要參數(shù)之一，也是冰川及冰川湖危險(xiǎn)性評(píng)估的重要依據(jù)，監(jiān)測(cè)冰川運(yùn)動(dòng)變化對(duì)研究氣候變化和冰川災(zāi)害預(yù)警有重要意義。
目前，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地監(jiān)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)等多種技術(shù)手段都可用于監(jiān)測(cè)冰川運(yùn)動(dòng)速度的變化 。但是冰川往往分布在人跡罕至、環(huán)境惡劣的地區(qū)，對(duì)實(shí)地觀(guān)測(cè)人員的生命安全有著極大的威脅，并且實(shí)地監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，監(jiān)測(cè)范圍和頻次受限。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，特別是星載合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）的出現(xiàn)，冰川區(qū)的SAR影像可以全天時(shí)、全天候獲取，有效克服一些冰川區(qū)多云雨天氣條件的限制，提高影像獲取頻率；還可以根據(jù)SAR影像的強(qiáng)度信息和相位信息，應(yīng)用偏移量跟蹤技術(shù)、差分干涉雷達(dá)測(cè)量技術(shù)（differential interferometric synthetic aperture radar，D?\InSAR）、多孔徑干涉測(cè)量技術(shù)（multiple aperture interferometry，MAI）等多種技術(shù)手段獲取大范圍、高精度的冰川表面運(yùn)動(dòng)情況，成為冰川運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的重要手段之一。
目前，可用于監(jiān)測(cè)冰川表面運(yùn)動(dòng)的主要在軌SAR衛(wèi)星包括Sentinel?\1、TerraSAR?\X、COS?\MO?\SkyMed星座、RadarSAT?\2等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也利用以上SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)在冰川表面運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)研究中取得了較多應(yīng)用成果。高分三號(hào)（GF?\3）衛(wèi)星是中國(guó)自主研制的首顆C頻段多極化SAR衛(wèi)星，具有高分辨率、大成像幅寬、多成像模式等特點(diǎn)，與 Sentinel?\1等免費(fèi)數(shù)據(jù)相比具有高分辨率的優(yōu)勢(shì)，與TerraSAR?\X、CO *** O?\SkyMed、RadarSAR?\2等商業(yè)數(shù)據(jù)相比具有性?xún)r(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，其在海洋、氣象、水利、減災(zāi)等多個(gè)領(lǐng)域均有成功應(yīng)用案例。但利用高分三號(hào)影像監(jiān)測(cè)冰川表面運(yùn)動(dòng)的研究尚屬空白，故本文以發(fā)掘高分三號(hào)在中國(guó)冰川遙感監(jiān)測(cè)中的作用為目標(biāo)，利用覆蓋念青唐古拉山依嘎冰川的5景高分三號(hào)影像，采用基于SAR影像強(qiáng)度信息的偏移量跟蹤技術(shù)，提取了依嘎冰川表面運(yùn)動(dòng)分布情況，分析了其運(yùn)動(dòng)特征，并與Sentinel?\1及前人研究結(jié)果對(duì)比，評(píng)估了高分三號(hào)監(jiān)測(cè)冰川表面運(yùn)動(dòng)的適用性。
一、研究區(qū)與數(shù)據(jù)
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1.研究區(qū)
依嘎冰川位于中國(guó) *** 自治區(qū)那曲地區(qū)嘉黎縣念青唐古拉山脈西段，地處易貢藏布一級(jí)支流尼都藏布上游北側(cè)，具 *** 置和范圍見(jiàn)圖1。根據(jù)2014年中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所發(fā)布的《中國(guó)第二次冰川編目》，依嘎冰川面積約為46.3km2，高差接近3000m。依嘎冰川末端與尼都藏布相接，其運(yùn)動(dòng)極可能堵塞河道，形成堰塞湖，威脅下游眾多村落的安全。因此，監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)情況具有重要的意義。
圖1 依噶冰川地理位置
2.數(shù)據(jù)
高分三號(hào)衛(wèi)星于2016年8月10日在中國(guó)太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，是國(guó)家高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)中的唯一一顆民用微波遙感衛(wèi)星，同時(shí)也是中國(guó)自主研制的首顆C波段多極化衛(wèi)星，重復(fù)周期29d。本文收集了研究區(qū)2017?\11―2018?\03之間的5景升軌高分三號(hào)影像，成像模式為精細(xì)條帶2模式，斜距向分辨率為2.25m，方位向分辨率為4.78m，極化方式為HH極化，使用的高分三號(hào)數(shù)據(jù)主要參數(shù)見(jiàn)表1；同時(shí)收集了與本文高分三號(hào)影像時(shí)間分布類(lèi)似的兩景升軌Senti?\nel?\1數(shù)據(jù)，成像模式為方位波束掃描（terrain ob?\servation by progressive scans，TOPS）模式，斜距向分辨率為2.33m，方位向分辨率為 13.96m，極化方式為VV極化，使用的Sentinel?\1數(shù)據(jù)主要參數(shù)見(jiàn)表2；采用30m分辨率的AW3D30數(shù)字表面模型（digital surface model，D *** ）數(shù)據(jù)輔助SAR影像配準(zhǔn)和地理編碼，其高程精度優(yōu)于5m。
表1 本文使用的高分三號(hào)數(shù)據(jù)主要參數(shù)
表2 本文使用的Sentinel?\1數(shù)據(jù)主要參數(shù)
二、研究 *** 與數(shù)據(jù)處理
1.研究 ***
本文使用偏移量跟蹤技術(shù)對(duì)覆蓋依嘎冰川的高分三號(hào)和Sentinel?\1影像進(jìn)行處理。偏移量跟蹤技術(shù)可以計(jì)算兩景SAR影像獲取的時(shí)間段內(nèi)冰川在距離向和方位向的運(yùn)動(dòng)分布情況。一般來(lái)說(shuō)，偏移量跟蹤技術(shù)的精度可以達(dá)到SAR影像像元分辨率的1/10以上，以10m分辨率的高分三號(hào)數(shù)據(jù)為例，其結(jié)果精度優(yōu)于1m。
偏移量跟蹤技術(shù)的關(guān)鍵算法是歸一化互相關(guān)算法，歸一化互相關(guān)算法計(jì)算出的SAR影像總偏移量一般是地形、電離層、軌道以及冰川運(yùn)動(dòng)引起的偏移量的總和。在研究區(qū)地形起伏不大且SAR影像對(duì)空間基線(xiàn)較短時(shí)，地形起伏引起的偏移量往往可以忽略，而電離層引起的偏移量與研究區(qū)的緯度和SAR影像的波長(zhǎng)相關(guān)。本文研究區(qū)處于低緯度區(qū)域，SAR數(shù)據(jù)為C波段，且與電離層變化的空間尺度相比冰川面積很小，電離層影響可以忽略。但研究區(qū)地形陡峭，影像對(duì)的平均垂直基線(xiàn)在1000m以上，地形引起的偏移量不可忽略。故本文使用基于外部數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）輔助的SAR影像配準(zhǔn) *** ，該 *** 利用外部DEM和SAR影像的軌道信息建立起主從影像的配準(zhǔn)查找表，將研究區(qū)地形引起的偏移量計(jì)算到查找表內(nèi)，并且對(duì)根據(jù)初始查找表重采樣獲得的主影像與從影像實(shí)施互相關(guān)配準(zhǔn)，據(jù)此進(jìn)一步精化查找表，降低由軌道定位不準(zhǔn)確引起的偏移量誤差，在空間基線(xiàn)較大時(shí)仍能精確地配準(zhǔn)兩幅SAR影像，提高地形起伏地區(qū)偏移量跟蹤結(jié)果的精度。
2.數(shù)據(jù)處理
本文使用的5景高分三號(hào)影像，除2017?\11?\17和 2018?\03?\13兩個(gè)時(shí)間段接收的影像具有相似的覆蓋范圍外，其余3景SAR影像的覆蓋范圍均有較大差別。故首先依據(jù)依嘎冰川在SAR影像中的具 *** 置，將5景SAR影像適當(dāng)裁剪為同一覆蓋范圍，然后利用外部DEM輔助SAR影像配準(zhǔn)。配準(zhǔn)完成后，設(shè)定搜索窗口對(duì)SAR影像執(zhí)行基于影像強(qiáng)度信息的互相關(guān)計(jì)算，互相關(guān)系數(shù)更大處即為像元的偏移量。本文將搜索窗口設(shè)為150×150像元，可以較好地保留結(jié)果的局部細(xì)節(jié)。對(duì)Sentinel?\1數(shù)據(jù)的搜索窗口設(shè)為256×64像元。
三、結(jié)果與分析
1.結(jié)果分析
對(duì)高分三號(hào)以及Sentinel?\1影像應(yīng)用偏移量跟蹤技術(shù)獲取了依嘎冰川地距向和方位向的位移分布，將地距向和方位向位移合成并轉(zhuǎn)化為冰川日均流速，從而得到了兩個(gè)數(shù)據(jù)集的依嘎冰川水平面二維速率場(chǎng)，如圖2所示。圖2中，GF?\3表示高分三號(hào)影像，S1表示Sentinel?\1影像。
圖2 依嘎冰川水平面二維速率圖
根據(jù)高分三號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖（圖 2（a）~2（d））可知：（1）整體來(lái)看，在可監(jiān)測(cè)到的冰川運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，冰川末端到冰川上端，冰川表面速度呈現(xiàn)出先減速、后增加到基本穩(wěn)定，再到顯著增加、顯著減少至穩(wěn)定的趨勢(shì)。其中，冰川更大速度主要分布在冰川中部區(qū)域，在4個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，中部冰川區(qū)的運(yùn)動(dòng)速率均大于1m/d。（2）由于缺少明顯的地物特征（如裂隙、冰磧物等），依嘎冰川積累區(qū)表面較為平滑，偏移量跟蹤技術(shù)適用性降低，導(dǎo)致大部分積累區(qū)無(wú)法監(jiān)測(cè)出形變結(jié)果。（3）與近似同時(shí)期Sentinel?\1影像結(jié)果相比（圖 2（e）），兩組冰川流速結(jié)果的強(qiáng)弱態(tài)勢(shì)在空間上高度吻合，更大流速均分布在冰川中部，但在細(xì)節(jié)上略有不同 。相比15m空間分辨率的Sentinel?\1流速結(jié)果，5m分辨率的高分三號(hào)流速監(jiān)測(cè)結(jié)果細(xì)節(jié)更加豐富。（4）在4個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，依嘎冰川表面運(yùn)動(dòng)分布具有高度一致性，與利用COS?\MO?\SkyMed反演出的依嘎冰川運(yùn)動(dòng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在冰川中部坡度陡變處的流速顯著增加、顯著減小變化情況一致，兩種結(jié)果顯示出的冰川運(yùn)動(dòng)分布總體吻合。
圖3 高分三號(hào)影像依嘎冰川監(jiān)測(cè)結(jié)果剖面線(xiàn)速率及高程變化圖
為定量化分析依嘎冰川的速率變化情況，沿冰川主冰流線(xiàn)取一條剖面線(xiàn)（圖 2（a）中黑色曲線(xiàn)，起點(diǎn)為冰川末端），統(tǒng)計(jì)了沿剖面線(xiàn)高分三號(hào)結(jié)果在4個(gè)時(shí)段的冰川速率變化及高程變化（見(jiàn)圖3）；將高分三號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果欠采樣至Sentinel?\1相同的分辨率，并對(duì)比剖面線(xiàn)上高分三號(hào)與Sentinel?\1的速率分布（見(jiàn)圖4）。
圖4高分三號(hào)（2017?\12?\16―2018?\01?\14）與Sentinel?\1（2017?\12?\10―2018?\01?\15）影像監(jiān)測(cè)結(jié)果
由圖3可以看出，剖面線(xiàn)上4個(gè)時(shí)段依嘎冰川具有相似的速率分布，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各個(gè)時(shí)段剖面線(xiàn)上冰川的平均運(yùn)動(dòng)速率依次為50cm/d、49cm/d、48cm/d和49cm/d，十分接近，表明2017?\11―2018?\03依嘎冰川運(yùn)動(dòng)速率穩(wěn)定；與高程聯(lián)合分析可知，距剖面線(xiàn)起點(diǎn)的4000~4800m是冰川表面高程變化最劇烈的區(qū)域，此處冰川運(yùn)動(dòng)速率急劇增加，到5500m處，高程變化穩(wěn)定， 冰川速率也下降并趨于穩(wěn)定。以上表明，地面高程變化與冰川速率的變化密切相關(guān)。在距剖面線(xiàn)起點(diǎn)約600m處，速率出現(xiàn)陡降，除與局部坡度變緩有關(guān)外，也與此處山谷走向變化、冰流受山體阻擋有關(guān)。由圖4可知，高分三號(hào)和Sentinel?\1剖面線(xiàn)上速率整體變化態(tài)勢(shì)較為吻合，在距剖面線(xiàn)起點(diǎn)約4500m的坡度陡變處，兩種結(jié)果的運(yùn)動(dòng)速率都顯著增加。但Sentinel?\1結(jié)果速率分布相比高分三號(hào)波動(dòng)較大，且更大速率低于高分三號(hào)結(jié)果，其原因應(yīng)為Sentinel?\1空間分辨率較低導(dǎo)致的信息采樣不足，一方面降低了結(jié)果的信噪比，另一方面也難以反映出局部的運(yùn)動(dòng)速率高值。
四、結(jié)語(yǔ)
本文利用5景高分三號(hào)影像，應(yīng)用偏移量跟蹤技術(shù)對(duì)依嘎冰川2017?\11―2018?\03期間的表面運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得出以下結(jié)論：
1）4個(gè)時(shí)段的依嘎冰川表面速度變化不明顯，速度空間分布具有一致性。從冰川末端到冰川上端，冰川表面速度呈現(xiàn)出先減速后增加到基本穩(wěn)定，再到顯著增加、顯著減少至穩(wěn)定的趨勢(shì)，其更大速率分布在冰川中部，速率高于1 m/d，與高程聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，此處也是冰川表面高程變化更大的區(qū)域。
2）與以往研究結(jié)果及兩景Sentinel?\1的偏移量跟蹤結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算高分三號(hào)4個(gè)時(shí)段基巖區(qū)速率殘差的均方根誤差，本文結(jié)果與以往學(xué)者的研究成果及Sentinel?\1的結(jié)果十分吻合，且基巖區(qū)的均方根誤差小于3.1cm/d，遠(yuǎn)小于依嘎冰川的運(yùn)動(dòng)速率，驗(yàn)證了本文結(jié)果的可靠性。
3）高分三號(hào)可以全天時(shí)、全天候獲取影像，具有高分辨率、大幅寬等優(yōu)勢(shì)，能有效應(yīng)用到冰川表面運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中，可作為冰川表面運(yùn)動(dòng)定期監(jiān)測(cè)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源之一。考慮到其高空間分辨率和高性?xún)r(jià)比的優(yōu)勢(shì)，高分三號(hào)必將在中國(guó)冰川遙感監(jiān)測(cè)中發(fā)揮獨(dú)特作用。
本文研究表明國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)可用于定期監(jiān)測(cè)冰川運(yùn)動(dòng)變化情況，但本文研究區(qū)尚無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，下一步工作將結(jié)合地基SAR等實(shí)地測(cè)量?jī)x器、星地聯(lián)合驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。
