利用高分辨率TSX/TDX交軌干涉測量技術(shù)探測渤海浮冰信息

王志勇，張 晰，王士帥

(1. 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2. 海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590； 3. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061； 4. 北京航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司，北京 100195)

海冰信息的獲取對船舶的安全航行和生產(chǎn)具有重要的意義。海冰的凍結(jié)、漂移會對航運、海上石油勘測、海洋漁業(yè)資源等造成嚴(yán)重影響，因此，實時監(jiān)測海冰的生成、分布、漂移等具有重要意義。航空、航天遙感技術(shù)是監(jiān)測海冰的重要技術(shù)手段[1]，可見光遙感、多光譜遙感、高度計、輻射計、激光雷達(dá)(LiDAR)、合成孔徑雷達(dá)(syntheric aperture radar，SAR)等已經(jīng)應(yīng)用于海冰的探測中[2]，與其他遙感手段相比，合成孔徑雷達(dá)能夠全天時、全天候地對海冰進(jìn)行監(jiān)測[2]，因此，合成孔徑雷達(dá)在海冰監(jiān)測中受到越來越多的應(yīng)用。但目前大部分研究是利用SAR幅度信息及多極化(包括全極化)信息進(jìn)行海冰分布、海冰類型的識別[1-7]。

2013年，張晰等[1]采用極化SAR數(shù)據(jù)基于極化散射特征進(jìn)行了海冰分類的研究；2014年，楊學(xué)志等[4]提出了SRRG-MRF的方法對海冰SAR圖像進(jìn)行分割；2015年，Liu Huiying等結(jié)合紋理特征和飽和度信息利用支持向量機方法從Radarsat-2雙極化ScanSAR數(shù)據(jù)中進(jìn)行海冰分類[6]。雖然利用SAR后向散射信息可以探測海冰的分布信息，但已經(jīng)被證明SAR后向散射信息在薄冰檢測中存在檢測精度差的問題。

除了應(yīng)用SAR幅度信息和極化信息外，在SAR遙感監(jiān)測中還可以應(yīng)用干涉相位信息，并且基于相位信息發(fā)展起來的雷達(dá)干涉測量(InSAR)技術(shù)在DEM測量、微小形變監(jiān)測等方面得到了廣泛應(yīng)用[8-9]，但在海冰探測中應(yīng)用相對較少，目前InSAR技術(shù)主要用于監(jiān)測南北極的冰川厚度、沿岸固定冰的分布及厚度[10-13]。但針對海上浮冰的InSAR探測的成果還非常少，這主要是由于洋流的變化導(dǎo)致重軌InSAR數(shù)據(jù)的相干性非常差，基本上形成不了干涉圖。

針對目前InSAR技術(shù)在海洋浮冰探測方面存在的問題，本文將交軌InSAR技術(shù)引入到海上浮冰的探測中，利用德國的高分辨率TerraSAR-X(簡稱TSX)與TanDEM-X(簡稱TDX)構(gòu)建的交軌干涉對，基于InSAR相位信息反演冰舷高，進(jìn)而得到海冰厚度信息。

1 TSX/TDX交軌干涉測量探測海冰的基本原理

1.1 交軌干涉對的構(gòu)成

目前重復(fù)軌道干涉SAR主要用于測量大范圍的數(shù)字高程模型(DEM)及微小的地表形變[8-9]。在海洋領(lǐng)域主要用于測量一些固定目標(biāo)，比如長時間不會發(fā)生變化的沿岸固定冰，而海上浮冰和海水受潮汐作用的影響變化快，很難通過重復(fù)軌道干涉測量技術(shù)對其進(jìn)行探測。

TSX/TDX的星載雙站SAR干涉模式為海冰的探測提供了可能，根據(jù)飛行設(shè)計的不同，TSX/TDX衛(wèi)星編隊飛行可以構(gòu)建順軌干涉測量[14]，也可以構(gòu)建交軌干涉模式。交軌干涉SAR數(shù)據(jù)基本上是準(zhǔn)同步獲取的，可以認(rèn)為海上浮冰沒有發(fā)生漂移，因此交軌干涉對數(shù)據(jù)具有很好的相干性，可以利用相位信息測量海冰表面起伏信息。

交軌干涉模式類似于美國的航天飛機雷達(dá)地形測繪使命SRTM的雙天線縱向的工作模式，由于兩顆雷達(dá)衛(wèi)星的工作參數(shù)是一致的，故TSX/TDX交軌干涉測量的數(shù)據(jù)處理可借鑒重復(fù)軌道的InSAR干涉測量數(shù)據(jù)處理。文獻(xiàn)[15]詳細(xì)介紹了雷達(dá)干涉測量技術(shù)的原理及方法。InSAR干涉數(shù)據(jù)處理一般可分為以下幾步：高精確配準(zhǔn)、干涉條紋圖生成、去平地效應(yīng)、相位噪聲濾除、相位解纏、相位轉(zhuǎn)換、地理編碼等[15-16]。

1.2 交軌干涉測量探測海冰厚度原理

InSAR干涉測量主要是基于兩幅雷達(dá)復(fù)影像的相位信息，兩幅SAR影像的相位差Δφ與電磁波傳播的路徑差ΔR存在如下關(guān)系[15]

(1)

式中，λ為波長；φ1、φ2分別為主、從影像的相位。

基于InSAR原理，鄰近像元的干涉相位差Δφ可表示為

(2)

式中，R為傳感器到目標(biāo)的斜距；θ為雷達(dá)視角；Δr為兩個高程無變化目標(biāo)的斜距差；B⊥為干涉對的垂直基線分量。

式(2)等號右邊第一項表示目標(biāo)高程起伏變化Δh引起的相位，等號右邊第二項表示無高程變化的平地引起的相位，稱之為平地相位。為了反演海冰的高程起伏，首先需要去除平地相位，然后建立干涉相位與高程起伏(即海冰冰舷高)之間的關(guān)系得到冰舷高fb，基于靜力學(xué)平衡方程可以得到海冰厚度[17]。

2 試驗數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 試驗數(shù)據(jù)

為了利用InSAR技術(shù)探測海上浮冰信息，選取了中國渤海東北部某海域作為試驗區(qū)，該試驗區(qū)位于遼寧省營口市鲅魚圈區(qū)的西南側(cè)。采用2013年1月20日獲取的雙站飛行模式的兩幅TSX/TDX雷達(dá)數(shù)據(jù)，這兩顆雷達(dá)衛(wèi)星的工作參數(shù)基本一致，其波長為3.1 cm(X波段)，用于干涉的工作模式為條帶式，產(chǎn)品級別為單視復(fù)數(shù)據(jù)SSC(single look slant range complex)，HH極化，升軌，距離向像元大小約1.364 m，方位向像元大小約2.007 m，雷達(dá)入射角約為40.542 4°，試驗區(qū)的景中心位于39.645°N、121.775 6°E，具體交軌干涉對的試驗數(shù)據(jù)見表1。通過基線估計，該干涉對的垂直基線約為275.561 m。

表1 TSX/TDX干涉對數(shù)據(jù)

2.2 研究方法

如圖1所示，對TSX/TDX構(gòu)建交軌干涉對，基于干涉測量技術(shù)，可以分別生成干涉圖和相干圖。對于干涉圖，通過去平地效應(yīng)、相位濾波、相位轉(zhuǎn)換、地理編碼等處理[15-16]，以海水面作為基準(zhǔn)控制，可以得到海冰冰舷高。

圖1 技術(shù)路線

2.3 干涉數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

對TSX/TDX構(gòu)建的交軌干涉對數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉測量處理，首先對主、從影像進(jìn)行高精度配準(zhǔn)，之后通過復(fù)共軛相乘得到干涉圖(如圖2(b)所示)，在干涉圖中可以看到存在明顯的線性條紋，這種現(xiàn)象被稱為平地效應(yīng)；通過去平地相位，就可以得到干涉條紋圖(如圖2(c)所示)；在干涉條紋圖中可以看到海冰區(qū)域存在明顯的干涉相位，而在海水區(qū)域，其干涉相位不明顯，去平地相位后還需要進(jìn)行干涉相位的增強，即相位濾波。相位濾波采用改進(jìn)的Goldstein濾波方法[15]，其濾波結(jié)果如圖2(d)所示，濾波后干涉條紋圖的清晰度明顯改觀。

圖2 海冰區(qū)域的干涉圖

2.4 基于干涉相位的冰舷高測量及分析

在提取海冰分布后，將圖2(d)中的干涉相位進(jìn)行掩膜處理，即海水區(qū)域不參與運算，而對海冰區(qū)域進(jìn)行InSAR干涉處理得到干涉相位，就可以得到海上浮冰的冰舷高，如圖3所示，再利用靜力學(xué)平衡方程可得到海冰厚度信息。

圖3 基于InSAR相位信息獲取的海冰冰舷高

通過對海冰冰舷高的結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：在試驗區(qū)基于干涉相位反演的海冰冰舷高一般在1.01～3.06 cm，平均冰舷高為2.376 cm。根據(jù)海冰冰舷高到海冰厚度轉(zhuǎn)換時存在約9.6的因子[18]，可以得到在該試驗區(qū)的海冰厚度大約在9.7～29.3 cm，海冰厚度均值約為22.9 cm。為了驗證InSAR測量結(jié)果，在渤海灣同步開展了海冰外業(yè)調(diào)查，但海上浮冰受海洋潮汐及風(fēng)力的影響，其時刻在運動中，無法準(zhǔn)確測量某一位置處的海冰厚度，無法進(jìn)行精度評定，但從外業(yè)調(diào)查的結(jié)果看，該試驗區(qū)的海冰為新生長的海冰，尚未連成片，外業(yè)同步調(diào)查時測量的海冰厚度一般在十幾至二十幾厘米之間，基于InSAR相位信息反演的海冰厚度與外業(yè)同步觀測的情況基本一致。

3 結(jié) 論

本文基于高分辨率TSX/TDX構(gòu)建的交軌干涉對數(shù)據(jù)，利用InSAR技術(shù)對渤海東北部的海上浮冰進(jìn)行了探測，以海水面作為基準(zhǔn)面，利用InSAR相位信息反演了海冰的冰舷高和厚度信息。通過試驗發(fā)現(xiàn)渤海東北部的海上浮冰為新生長的冰，其海冰冰舷高一般在1.01～3.06 cm，平均冰弦高為2.376 cm。通過試驗可以得到一些有價值的結(jié)論：

(1) 基于準(zhǔn)同步的TSX/TDX交軌干涉測量技術(shù)是進(jìn)行海上浮冰探測的一種重要技術(shù)手段，可以準(zhǔn)確測量海上浮冰的冰舷高，進(jìn)而反演海冰的厚度信息，這對于研究海上浮冰的生長與發(fā)育非常關(guān)鍵。

(2) TSX/TDX數(shù)據(jù)的分辨率較高，對于監(jiān)測面積較小的浮冰非常有利，可以檢測到面積僅為幾平方米的浮冰。

由于很難對海上浮冰的厚度進(jìn)行準(zhǔn)確的外業(yè)同步測量，缺乏準(zhǔn)確的驗證數(shù)據(jù)，對交軌干涉測量技術(shù)反演的浮冰厚度的精度還需要進(jìn)一步驗證與分析，由海冰冰舷高到海冰厚度轉(zhuǎn)換的相關(guān)參數(shù)也需準(zhǔn)確測定。另外，受InSAR技術(shù)本身的限制，目前InSAR技術(shù)尚不能監(jiān)測陡峭的海冰，會存在著相位模糊的問題，這需要進(jìn)一步的研究與討論。本文重點驗證了交軌干涉測量技術(shù)在海上浮冰厚度探測應(yīng)用的可行性，相信隨著我國成像高度計和美國SWOT計劃的發(fā)射[19]，在未來交軌干涉測量技術(shù)會成為海冰厚度探測的主要技術(shù)手段之一。