基于ICESat数据的南极冰盖DEM插值方法比较及精度分析

南极数字高程模型(DEM)是从事南极地学和环境变化研究的基础.内插是建立数字高程模型的重要技术点,插值方法有多种,根据不同的适用情况,不同的插值方法各有优劣.利用克里格、距离反权、三角网剖分、最小曲率以及移动平均5种插值方法分别建立南极冰盖小范围区域的DEM,通过抽取部分观测数据作为验证值对各插值方法进行了比较.结果表明:克里格插值方法的可靠性最好,稳定性最高.然后,利用克里格插值方法,基于ICESat测高卫星的GLA12数据建立了南极冰盖的DEM.由于南极大陆实测数据有限,缺乏对DEM的检核.为了分析所建DEM的可靠性,利用中国南极内陆冰盖考察所采集的GPS实测数据,对所建立的DEM进行了验证分析.结果显示,DEM在坡度较缓的南极内陆冰盖区域精度较高,符合度在3 m以内;距离卫星轨道越近的区域精度越高,可达到1 m以内.在坡度较大,高程变化较为显著的区域如沿海地区,精度较低,差距最大的点超过40 m.

利用ICESat数据解算南极冰盖冰雪质量变化

南极冰盖冰雪质量变化反映了全球气候变化,并且直接影响着全球海平面变化.ICESat测高卫星的主要任务之一就是要确定南北两极冰盖的质量变化情况并评估其对全球海平面变化的影响.本文利用2003年10月至2008年12月的ICESat测高数据,针对南极DEM分辨率有限的特殊性,通过求解坡度改正值,解决重复轨道地面脚点不重合的问题,计算了南极大陆(86°S以北区域,后文所述南极冰盖均不包括86°S以南区域)在这5年里的冰雪质量变化情况,得到东南极冰盖的质量变化为-18±20Gt/a,西南极-26±6Gt/a,南极冰盖的冰雪质量变化为-44±21Gt/a,对全球海平面上升的影响约为0.12mm·a^(-1).解算结果表明,南极冰盖质量亏损主要集中在西南极阿蒙森海岸附近冰川以及东南极波因塞特角区域.

基于独立分量分析的南极半岛GNSS网区域滤波

高精度GNSS速度场是研究地壳垂向运动及板块运动的基础,能够为冰川均衡调整(Glacial Isostatic Adjustment,GIA)的建模提供外部检核和新的约束.共性误差(Common Mode Error,CME)是区域连续GNSS时间序列中存在的一种与时空相关的主要误差源,通过空间滤波可有效的降低共性误差的影响,提高坐标时间序列的精度.目前广泛采用的主分量分析法(Principal Component Analysis,PCA),基于二阶统计量(方差和协方差)进行处理,没有充分利用CME高阶统计信息.而独立分量分析ICA(Independent Component Analysis),引入高阶统计量,能够分离出统计独立的非高斯信号.以南极半岛地区的15个GNSS站点为例,由于某些站点存在强烈的局部效应,因此引入了因子分析法首先对异常站进行剔除,然后对比分析了PCA和ICA方法在南极半岛地区区域滤波结果.结果显示,ICA的滤波效果要优于PCA,ICA滤波前后E、N、U三个方向RMS平均降低44.69%、26.94%、34.87%,不确定度分别降低37.43%,44.58%,55.86%,有效的降低了GNSS残差序列的发散性和速度的不确定度.

四种南极数字高程模型的精度比较与分析

南极数字高程模型(DEM)是南极冰盖研究的基础数据,目前国际通用的全南极DEM数据主要有JLB97 DEM、RAMPv2 DEM、ICESat DEM以及Bamber 1km DEM.利用DEM对DEM验证的方式对四种DEM的精度进行比较分析.结果表明:Bamber 1km DEM和ICESat DEM之间的高程差异最小,平均高程差小于1.8 m,二者均有较高的可靠性.RAMPv2 DEM与Bamber 1km DEM的高程差大于1.9 m,在81.5°S以南和坡度较大的区域,高程差异更为明显,高程可靠性较低.JLB97 DEM与上述三种DEM的偏差超过10 m,高程可靠性最低.

基于CryoSat-2测高数据的全南极冰盖DEM的建立与精度评估

数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础,由于现场实测数据的稀缺,卫星测高数据是南极地区构建DEM的'主要数据来源.CryoSat-2是新一代用于极地冰盖、海冰监测的测高卫星,本文利用2012-12-2015-01两个完整周期的CryoSat-2测高数据建立一个新的南极冰盖DEM.坡度是影响卫星测高精度的重要因素之一,利用改进的重定位方法对CryoSat-2数据进行坡度改正.插值方法是影响DEM精度的重要因素,通过对几种常用插值方法的比较,最后选用克里金插值方法对测高数据进行插值,建立了1km分辨率的南极DEM.在88°S以南的CryoSat-2数据空白区,利用南极数字数据库(ADD)的等高线数据对DEM进行填补,建立了全南极冰盖DEM.利用ICESat卫星测高数据、IceBridge航空测高数据以及GPS地面实测数据对新建立的CryoSat-2 DEM进行精度验证,并与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及JLB97 DEM等四种国际上常用的南极DEM进行比较.结果表明:新建立的CryoSat-2 DEM的整体精度约为0.730±8.398 m;在冰弯顶部区域,DEM精度优于1 m;在冰架上,DEM精度约为4 m;在内陆冰盖大部分地区,DEM精度优于10 m;在地形复杂的山区和沿海边缘地区,DEM误差超过150 m.

基于CryoSat-2测高数据的北极格陵兰海海冰干舷高提取研究

北极是全球气候和环境变化的驱动器之一,获取北极海冰的时空特征和变化规律对研究北极以及全球气候变化意义重大。格陵兰海是北极海冰剧烈变化的区域之一,采用CryoSat-2的雷达测高数据,获取了格陵兰海的海冰干舷高分布,并利用波弗特环流计划(BGEP)仰视声呐(ULS)数据进行了验证。研究结果表明,格陵兰海海冰干舷高和分布范围存在明显的季节性变化特征,具体体现在格陵兰海海冰从10月份进入冻结期开始,海冰分布范围不断扩张,海冰干舷高也逐渐增大,2月份平均干舷高达到最大(0.2 m),之后格陵兰海海冰开始消融,覆盖范围不断内缩,9月海冰干舷高降至最小(0.13 m)。

利用ICESat测量南极冰盖表面高程变化

采用2004~2008年的ICESat测高冰盖表面高程数据GLA12,利用重复轨道算法,计算了南极冰盖在这期间的高程变化率。结果显示,在西南极沿岸部分地区,冰盖高程变化较为活跃,部分区域每年高程减少量超过3m;东南极内陆地区,冰盖高程变化则相对稳定,部分沿海地区高程有所降低。

南极恩德比地冰盖高程变化研究

利用2002-10—2007-09月Envisat数据的交叉点和不同期间交叉点的高差组成高程变化时间序列,通过交叉点动态分析算法,研究南极恩德比地近年来冰盖的高程变化,结果表明该区域存在明显的正增长,增速达6 cm/a。

南极冰盖DEM机载测高验证与分析——以西南极Thwaites冰川为例

利用冰桥计划(IceBridge)在西南极Thwaites冰川的机载激光测高数据,对ICESat卫星测高数据和目前国际常用的4种南极DEM,包括Bamber 1km DEM、ICESat DEM、RAMPv2DEM和JLB97DEM的精度进行了验证和分析。结果表明,ICESat卫星测高数据和ICESat DEM有着较高的高程可靠性,其与冰桥计划机载测高数据的平均高程差小于5m,标准差小于15m。Bamber 1km DEM高程可靠性相比ICESat卫星测高数据和ICESat DEM低一些。JLB97DEM、RAMPv2DEM与冰桥计划机载测高数据之间的标准差超过30m,尤其在坡度较大的区域,高程可靠性低。

利用ICESat/GLAS数据研究北极海冰干舷高度

北极海冰变化受全球气候变化影响明显,海冰的变化不仅体现在面积上,而且也体现在厚度上。利用海冰干舷高度可以反演海冰厚度,冰、云和陆地高程卫星/地球科学激光测高系统（ice,cloud and land elevation satellite/geoscience laser altimeter system,ICESat/GLAS）提供了高精度的海冰高程信息。利用ICESat/GLAS测高数据,提取了2003～2008年部分时间段北极区域海冰的干舷高度,分析了2003～2008年间北极海冰季节性以及年际变化特征。结果表明,北极海冰干舷高度呈下降趋势,并且在2007年夏季减少趋势最为明显。对北极海冰在2007年迅速减少的原因进行了探讨,并利用仰视声呐实测数据对干舷高提取算法存在的系统性偏差进行了讨论与分析。

联合CryoSat-2测高数据和地面高程数据建立东南极拉斯曼丘陵地区DEM

拉斯曼丘陵地区位于东南极伊丽莎白公主地,中国南极中山站位于拉斯曼丘陵的东部,是中国南极科学考察的重要地区。数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础,卫星测高数据是南极地区构建DEM的主要数据来源。CryoSat-2是新一代用于极地冰盖和海冰监测的测高卫星,联合2013年和2014年南极冬季的CryoSat-2测高数据以及中国、澳大利亚、印度三个国家现场测量的60余个地面高程数据,利用克里金插值方法建立了拉斯曼丘陵地区200 m分辨率的DEM(简称LA-DEM)。利用未参与插值的地面高程数据对新建立的LA-DEM进行了验证,并与Bamber 1km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及BEDMAP 2等四种国际上常用的南极DEM进行比较,结果表明LA-DEM的高程精度约为19.7 m,优于其他4种南极DEM。

利用Envisat数据探测中山站至Dome A条带区域冰盖高程变化

在中山站至Dome A条带区域,利用2002-10～2007-09的Envisat RA2数据,对交叉点分析中的单一法、静态法与动态法进行了比较,结果表明:①动态参考算法优于其他两种算法;②反射能量是影响卫星测高确定冰盖高程变化的重要因素;③研究区域冰盖高程长期变化整体处于平衡,但其分布不均匀,恩德比地地区存在明显正增长,与ICESat一致。

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。

基于CFAR的RADARSAT-1南极裸岩目标信息提取

裸岩分布信息是获取南极冰厚0等值线的重要方法和手段,同时也是极地遥感地面验证的重要数据,因而自动提取南极裸岩信息具有重要的研究意义。采用对岩石和冰川具有较好对比度的RADARSAT-1南极区域合成孔径雷达数据,基于恒虚警率(CFAR)的方法,实现了南极裸岩目标信息的自动化提取。该方法的研究以四种杂波分布模型为前提,从而分析不同分布模型的抗噪性能,并通过卡方检验准则验证了四种方法的有效性;在典型的实验样区上比较不同CFAR方法的裸岩检测性能,最终选定最优参数用于南极洲裸岩信息的自动检测。两组实验结果表明,采用CFAR结合Weibull分布的方法,南极山脉的裸岩提取精度可达80%以上并将错检率控制在8%以下,能够较为精确地提取裸岩信息。