李田 程曉 關(guān)真富 劉巖

摘要隨著全球氣候變暖，冰架崩解事件的發(fā)生愈益頻繁.冰架崩解產(chǎn)生的冰山是南極冰蓋-冰架-海洋系統(tǒng)中活躍的組成部分，冰山的運(yùn)動(dòng)特征和時(shí)空分布對(duì)南大洋洋流循環(huán)、海洋生態(tài)以及水文系統(tǒng)有著非常重要的影響.因此利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)冰山運(yùn)動(dòng)與變化信息，探究冰山崩解和消融過程，研究南極冰山分布，以及冰山和周圍海洋環(huán)境之間的相互作用機(jī)制，是理解南極冰山變化與全球氣候變化之間關(guān)系的關(guān)鍵.本文利用覆蓋全南極海岸線的ENVISAT ASAR影像，基于簡(jiǎn)譯軟件的面向?qū)ο蟮亩喑叨葓D像分割算法實(shí)現(xiàn)了全南極近岸海域冰山對(duì)象的提取.利用2006年8月63期ENVISAT ASAR影像提取了32 267座面積大于0.06 km2的冰山，統(tǒng)計(jì)了冰山空間分布特征，研究發(fā)現(xiàn)南極小型冰山在全南極淡水輸入中扮演著重要的作用.關(guān)鍵詞南極;冰山;ENVISAT ASAR;多尺度分割

中圖分類號(hào)TN957.52;P941.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0引言

南極冰山作為南大洋中重要的移動(dòng)淡水源，其時(shí)空分布對(duì)于南大洋的水文、生態(tài)將會(huì)產(chǎn)生重要的影響.除美國(guó)國(guó)家冰中心（National Ice Center，NIC）和楊百翰大學(xué)（BYU）對(duì)南極冰山進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)外，受到遙感數(shù)據(jù)的限制，關(guān)于南極冰山分布的研究多集中在區(qū)域尺度上，例如Gladstone等[1]利用ERS-1/2 SAR數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)南極威德爾海的冰山分布，Young等[2]利用ERS-1 SAR數(shù)據(jù)提取50°～145°E區(qū)間范圍內(nèi)的冰山分布，冰山提取的最小面積尺度為0.06 km2.全南極尺度下冰山分布研究主要集中在近幾年，Wesche等使用1997年100 m分辨率的Radarsat-1全南極鑲嵌圖數(shù)據(jù)（Radarsat-1 Antarctic Mapping Project，RAMP）提取全南極面積大于0.3 km2的冰山并獲取了南極周邊海域冰山分布特征[3].該研究只是獲取了某一時(shí)間段內(nèi)的南極冰山分布狀況，實(shí)際上冰山處于不間斷運(yùn)動(dòng)過程中，因此需要在雷達(dá)影像的基礎(chǔ)上發(fā)展運(yùn)動(dòng)對(duì)象自動(dòng)跟蹤算法對(duì)冰山進(jìn)行連續(xù)變化監(jiān)測(cè).此外，Tournadre等[4]利用多源衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)提取了南極1992—2014年期間小型冰山分布特征.

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，利用遙感數(shù)據(jù)定量評(píng)估冰山變化成為可能.冰山研究過去幾十年時(shí)間內(nèi)發(fā)展迅速，但是仍有許多問題亟待解決.從全球氣候變化的角度來看，冰山崩解和底部消融之間的關(guān)系、冰山分布對(duì)海洋環(huán)境的影響以及冰山和海洋之間的相互作用機(jī)制都需要進(jìn)行深入的研究，這不僅可以提高并完善海洋模式模擬結(jié)果，還可以為全球變暖背景下的冰架和海洋環(huán)流研究提供重要參考.

南極冰蓋邊緣被多個(gè)冰架銜接，除了冰架底部消融以外，冰架崩解是南極冰蓋物質(zhì)損失的主要形式[5].冰架崩解形成冰山，冰架底部消融會(huì)在南極近岸海洋表層形成淡水層，冰山的運(yùn)動(dòng)和消融可以釋放淡水并將淡水?dāng)U散至遠(yuǎn)離南極大陸的其他海域，會(huì)對(duì)南大洋水文、生態(tài)、洋流循環(huán)等產(chǎn)生影響.為了準(zhǔn)確計(jì)算和模擬海洋動(dòng)力過程，分析南極冰山的淡水釋放量以及冰山對(duì)于海洋動(dòng)力過程的影響，需要獲取南極冰山在南大洋中的數(shù)量和面積的時(shí)空分布特征[6-7].Wesche等利用Radarsat-1全南極鑲嵌圖RAMP AMM數(shù)據(jù)研究全南極冰架前端裂隙紋理特征發(fā)現(xiàn)，冰架崩解產(chǎn)生的冰山形狀和冰架裂隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，說明了海洋、海冰模式以及冰山動(dòng)力過程的研究需要考慮

全南極冰山尺寸的時(shí)空分布[8].Tournadre等研究發(fā)現(xiàn)冰山底部消融量和冰山二次崩解所產(chǎn)生的小型冰山總質(zhì)量相比只占大約15%，認(rèn)為小型冰山的質(zhì)量分布是南大洋淡水輸入量計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)[9].Tournadre 等在ALTIBERG計(jì)劃的支持下利用1992—2014年期間的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)識(shí)別并提取了南極小型冰山（面積介于0.1～8 km2）的地理位置、尺寸以及體積等物理參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)南極小型冰山的年際分布特征和大型冰山密切相關(guān)，小型冰山主要通過大型冰山二次崩解產(chǎn)生[4].除小型冰山外，大型冰山的運(yùn)動(dòng)和分布對(duì)于南大洋海洋環(huán)境也有重要影響.Wesche等基于雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)度的閾值分析方法，使用1997年9—10月間的Radarsat-1 RAMP全南極鑲嵌圖數(shù)據(jù)提取了南極沿岸海域一共6 912個(gè)冰山對(duì)象，面積分布為0.3～4 717.6 km2，該研究還分析了冰山尺寸在南極的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)冰山面積空間分布存在很大的區(qū)域性差異，冰山主要聚集在大型冰山和易崩解的冰架附近[3].該研究證明了合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)SAR在冰山提取研究中的可靠性，但是受到RAMP數(shù)據(jù)空間覆蓋度的限制，該研究只能提取距離南極海岸線200 km海域內(nèi)的冰山對(duì)象.

ENVISAT 先進(jìn)的合成孔徑雷達(dá)（Advanced Synthetic Aperture Radar，ASAR）寬幅模式數(shù)據(jù)由于自身所具備的高輻照寬度，可以保證在3 d內(nèi)覆蓋南極沿岸一次，并且影像的覆蓋范圍最遠(yuǎn)可達(dá)到60°S，為南極沿岸冰山識(shí)別和跟蹤提供了基礎(chǔ).本文將在Wesche等[3]研究的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展研究區(qū)域，以63景2006年8月覆蓋全南極海岸線的ENVISAT ASAR影像為例，基于簡(jiǎn)譯軟件的多尺度圖像分割算法提取全南極近岸海域冰山對(duì)象，并分析冰山面積空間分布特征.

1研究數(shù)據(jù)和預(yù)處理

歐空局（ESA）于2002年3月1日發(fā)射極軌衛(wèi)星ENVISAT，是歐洲建造的最大的環(huán)境衛(wèi)星[10]，該衛(wèi)星于2012年4月8日停止運(yùn)行.ENVISAT衛(wèi)星搭載有10種探測(cè)設(shè)備，其中最大的設(shè)備是C波段的先進(jìn)的合成孔徑雷達(dá)ASAR，可以對(duì)陸地、海洋、極地冰蓋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，拍攝高質(zhì)量遙感影像[11].ENVISAT ASAR具有全天時(shí)、全天候、穿透性強(qiáng)、多種入射角、寬幅成像等優(yōu)勢(shì)[10]，ASAR傳感器具有7個(gè)入射角度和5種工作模式，包括Image成像模式、Global Monitoring全球監(jiān)測(cè)模式、Alternating Polarisation交替極化模式、Wave波模式和Wide Swath寬幅模式.這5種工作模式中Image、Wide Swath、Global Monitoring和Wave 4種工作模式可以提供HH和VV極化影像，Alternating Polarisation模式可以提供HH、VV、HV和VH 4種極化方式的影像[10].通過組合極化方式和入射角，ASAR傳感器可以提供9 m×6 m、30 m×30 m、150 m×150 m、450 m×450 m、1 800 m×1 800 m等分辨率的產(chǎn)品[12].WSM寬幅模式采用ScanSAR技術(shù)可以達(dá)到405 km的輻照寬度，大約3 d可以覆蓋全南極海岸線一次，ASAR廣闊的地面覆蓋能力可以為南極冰山的研究提供便利[13-14].HH極化模式適合于區(qū)分海冰和海水，可以提高這兩種目標(biāo)的識(shí)別精度[15].因此本文使用ENVISAT ASAR WSM寬幅模式Level 1B HH極化數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的空間分辨率為150 m，地理編碼后兩個(gè)像素之間的間距為75 m[16].

ENVISAT ASAR WSM數(shù)據(jù)預(yù)處理過程首先需要從原始的N1格式數(shù)據(jù)中提取地理信息，建立數(shù)據(jù)的空間索引[16]，在數(shù)據(jù)索引的基礎(chǔ)上根據(jù)研究目標(biāo)選取ASAR影像，利用從ESA網(wǎng)站下載的精密軌道文件通過ENVI軟件進(jìn)行輻射校正和幾何糾正.通過對(duì)比RADARSAT影像和進(jìn)行幾何糾正后的ASA_WSM_1P影像的空間位置，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行預(yù)處理后的ASAR影像空間位置精度優(yōu)于75 m（1個(gè)像元）[14].

全南極冰山分布特征研究和分析，選取了2006年8月覆蓋全南極海岸線的63景ENVISAT ASAR影像，數(shù)據(jù)分布如圖1所示.

2冰山對(duì)象目標(biāo)識(shí)別提取方法

基于ENVISAT ASAR的影像的冰山提取使用北京治元景行科技有限公司的簡(jiǎn)譯軟件（Easy Interpretation），所使用的圖像分割方法為面向?qū)ο蟮亩喑叨确指罘椒?圖像分割的本質(zhì)是將M×N陣列的一幅數(shù)字影像劃分為若干個(gè)互不交疊區(qū)域的過程.面向?qū)ο蟮亩喑叨葓D像分割原理是首先利用對(duì)象信息例如圖像色調(diào)、形狀、紋理和層次，結(jié)合類間信息進(jìn)行圖像分割.在此基礎(chǔ)上，利用多尺度信息獲取多尺度的分割結(jié)果，形成不同分辨率等級(jí)的圖斑，其中大尺度分割形成的對(duì)象是由小尺度分割形成的對(duì)象組合而成.多尺度分割可以保證高度同質(zhì)性的影像區(qū)域，可以在合適的尺度下對(duì)對(duì)象進(jìn)行圖像分割，選擇的分割要素是影像亮度值.首先使用MOA2009海岸線數(shù)據(jù)對(duì)ENVISAT ASAR影像進(jìn)行批量裁剪，獲取海洋圖層，然后選取幾景不同的ENVISAT ASAR影像，手動(dòng)隨機(jī)選取250個(gè)冰山以獲取冰山的平均亮度值作為圖像分割的閾值，在簡(jiǎn)譯軟件中設(shè)置最大尺度數(shù)3、尺度間隔0.6、最大尺度45進(jìn)行多尺度分割，對(duì)于部分過度分割的冰山對(duì)象，手動(dòng)進(jìn)行冰山對(duì)象合并.最終我們獲取了2006年8月面積大于0.06 km2（10個(gè)像素）的冰山總數(shù)量為32 267.不同日期的ASAR影像之間可能會(huì)存在影像重疊，對(duì)于重疊影像，通過人工目視解譯判讀不同日期影像重疊部分冰山之間的位移量和冰山形狀，刪除冗余冰山.如圖2所示，圖2a和圖2c分別為Stanjukovicha冰川和Thwaites冰川雷達(dá)影像，圖2b和圖2d中黑色區(qū)域?yàn)槭褂煤?jiǎn)譯軟件提取的兩條冰川前端海域冰山矢量.

3全南極冰山數(shù)量分布特征分析

本文一共提取了32 267個(gè)冰山對(duì)象，冰山最小面積為0.06 km2，面積最大為3 695.96 km2.按照冰山面積，本文將全南極冰山面積劃分為5個(gè)尺度，分別為A1級(jí)別：冰山面積為[0.061）km2;A2級(jí)別：冰山面積為[110）km2;A3級(jí)別：冰山面積為[10100）km2;A4級(jí)別：冰山面積為[1001 000）km2;A5級(jí)別：[1 0003 695.96]km2.A1～A5不同面積尺度下的冰山數(shù)量分別為28 202、3 886、137、33和9，分別占冰山總數(shù)的87.4%、12.04%、0.42%、0.1%、0.03%（表1，圖3），面積低于10 km2的小型冰山數(shù)量在全南極冰山中占比達(dá)到99.44%.如表1所示，A1等級(jí)冰山總面積為8 631 km2，占全南極冰山總面積的19%，說明除大型冰山外，小型冰山對(duì)南大洋淡水輸入有著重要的貢獻(xiàn).

圖4為不同面積尺度的冰山在南極海岸海域的空間分布特征，可以看出不同面積尺度的冰山分布具有很強(qiáng)的區(qū)域性特征.面積小于10 km2的A1和A2等級(jí)的小型冰山在南極近岸海域均有分布，位于A3～A5等級(jí)的大中型冰山則零散分布于南極近岸海域，冰山位置可能和冰架位置有關(guān).此外，通過研究發(fā)現(xiàn)不同面積尺度內(nèi)的冰山都主要聚集在離南極海岸250 km內(nèi)的海域中（圖5），在離南極海岸線100 km的海域內(nèi)的冰山數(shù)量最高，在該區(qū)域大中型冰山的數(shù)量也最多，這樣進(jìn)一步證明了Tournadre等[3]和Wesche 等 [4]關(guān)于小型冰山主要由大型冰山二次崩解產(chǎn)生的結(jié)論.

4結(jié)論與討論

全南極冰山分布對(duì)于海洋動(dòng)力學(xué)機(jī)制和海洋模式研究有著重要的意義，本文在Wesche 等[3]利用1997 RAMP南極Radarsat-1雷達(dá)影像鑲嵌圖的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展研究區(qū)域，使用2006年8月覆蓋南極近岸海域的ENVISAT ASAR影像，利用多尺度遙感圖像分割算法提取全南極冰山分布.本文一共提取了32 267座面積大于0.06 km2的冰山，研究發(fā)現(xiàn)南極冰山分布具有一定的區(qū)域性特征，面積小于1 km2的冰山數(shù)量占全南極總冰山數(shù)量的87.4%，總面積占全南極冰山總面積的19%，這意味著小型冰山在全南極淡水輸入量中扮演著重要的角色.本文提取的冰山最小尺度為0.06 km2，遠(yuǎn)小于Wesche等[3]提取的最小尺度0.3 km2，本文進(jìn)一步佐證了前人關(guān)于南極小型冰山分布的研究結(jié)果.目前關(guān)于南極冰山年際和季節(jié)性變化的研究較為缺乏，在2005—2012年ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)的支撐下，冰山分布的時(shí)空變化有待進(jìn)一步研究.

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Investigation of Antarctic iceberg distribution based on SAR images

LI Tian1，2CHENG Xiao1，2，3，4GUAN Zhenfu1，3LIU Yan1，3，4

1State Key Laboratory of Remote Sensing Science，College of Global Change and

Earth System Science，Beijing Normal University，Beijing100875

2School of Geospatial Engineering and Science，Sun Yat-sen University，Zhuhai519000

3University Corporation for Polar Research，Beijing100875

4Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory （Zhuhai），Zhuhai519000

AbstractIn the context of global warming，the calving events of Antarctic ice shelves are becoming more and more frequent.The icebergs calved from ice shelves are an active component of Antarctic ice sheet-ice shelf-ocean system，while the drifting characteristics and temporal-spatial distribution of icebergs are very important in Antarctic ocean currents，ecology and hydrology.To better understand the underlying relationship between Antarctic icebergs and global climate change，it is essential to investigate the icebergs'?drifting characteristics，mass loss due to calving and melting，icebergs distribution，and the interaction between icebergs and the ocean.Based on the object-oriented multiscale image segmentation algorithm of Easy Interpretation software，a total of 32 267 Antarctic icebergs in coastal waters with area larger than 0.06 km2 were extracted from 63 ENVISAT ASAR images acquired in August 2006.The spatial distribution characteristics of icebergs were also analyzed，and it is found that small-sized icebergs play an important role in freshwater flux into the Southern Ocean.

Key wordsAntarctica;iceberg;ENVISAT ASAR;multiscale segmentation

收稿日期2019-10-22

資助項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金（41830536，41676176，41676182，41406211）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0600103）

作者簡(jiǎn)介李田，女，博士生，研究方向?yàn)闃O地遙感.litiansky@foxmail.com

劉巖（通信作者），女，博士，副教授，研究方向?yàn)闃O地遙感.liuyan2013@bnu.edu.cn

1北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院/遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100875

2中山大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，珠海，519000

3中國(guó)高校極地聯(lián)合研究中心，北京，100875

4南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），珠海，519000