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摘要: 接地线是内陆固定冰盖和漂浮冰架的分界线，是冰川动力学研究的重要参数，其位置的准确界定影响到南极冰盖物质平衡计算以及冰川动力学数学建模。介绍了DInSAR提取接地线的基本原理，并利用DDInSAR的方法去除冰流相位对准确探测接地线位置的干扰，通过判读双差干涉图中由潮汐相位引起的密集条纹中靠近内陆一侧的分界线得到接地线提取结果。通过和已有的全南极接地线产品对比验证，充分说明了DDInSAR是大范围、连续以及高精度提取接地线的有效技术手段，为今后极区不同地区、不同季节和年份的接地线提取及动态变化研究奠定了基础。Abstract: A grounding line is the boundary between inland grounded ice sheet and a floating ice shelf and an important parameter in glacier dynamics. Precise extraction of the grounding line has a great impact on the Antarctic ice sheet mass balance and mathematical modeling of glacier dynamics. In this paper, the basic principles of grounding line extraction using DInSAR are introduced. The interference of ice flow on extraction of grounding line is removed by double differential SAR interferometry(DDInSAR) and the grounding line is detected through an interpretation of the inner of dense fringes induced by ocean tide in double differential SAR interferogram images. The mapping result is verified by comparing it to the Antarctic grounding line product, demonstrating that DDInSAR is an effective technique suitable for large-scale, continuous and high-precision grounding line extraction, thus laying a foundation for grounding line extraction and understanding of the dynamic changes in polar region.
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Keywords:
- grounding line /
- grounding zone /
- DDInSAR /
- Jelbart ice shelf
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接地线是内陆固定冰盖和漂浮冰架或冰川的分界线，是冰流从冰床脱离的地方。由于受到海洋潮汐的影响，接地线的位置会在接地区域的范围内不断发生变化。准确提取接地线的位置对于南极冰架的物质平衡计算十分关键，而且接地线也是冰川动力学建模的基本输入参数之一。接地线位置对冰流厚度变化、海平面和海洋温度的变化非常敏感，因此，它还是气候变化的一个重要指示器。
由于南极极端恶劣的气候和环境，加之接地线的位置一般位于冰盖与海洋交汇的底部，因此，实地探测接地线的位置具有很大难度。目前，提取接地线或接地区域的技术手段主要包括流体静力学平衡分析、基于可见光影像的坡度跟踪、基于测高数据的重复轨道分析和差分干涉测量(DInSAR)。文献[1, 2]分别基于MODIS南极影像镶嵌图(mosaic of Antarctica, MOA)和Landsat影像镶嵌图(landsat image mosaic of Antarctica, LIMA)的冰架坡度变化特征提取并发布MOA以及ASAID(Antarctic surface accumulation and ice discharge)接地线产品；文献[3, 4]使用ICESat数据采用重复轨道分析分别提取Ronne和Ross冰架的接地区域；Rignot等通过使用ERS、RADARSAT以及ALOS数据，利用DInSAR和双差干涉测量(double differential SAR interferometry，DDInSAR)
精确地获取南极冰盖接地线的位置，并发布MEaSUREs(making earth system data records for use in research environments)南极接地线产品[5]；Han等使用X波段COSMO-SkyMed 4颗卫星组成的干涉对，DDInSAR方法对Campbell冰川的冰流速和接地线进行研究[6, 7]。但是国内对于接地线的研究甚少，王清华等通过1977~1978年俄罗斯南极考察队执行第33次南极考察任务期间得到的机载雷达测厚(radio echo sounding, RES)的冰厚度资料，根据流体静力学平衡理论，得出Amery冰架接地线位置最南到达73.2 °S，距离冰架前端约500 km[8]。
差分干涉测量技术已经被成功应用于全南极接地线的准确提取，是大范围、连续以及高精度提取接地线的有效技术手段。1991年发射的ERS-1卫星曾短暂执行过时间基线仅为3 d的飞行任务，在此期间获取的SAR数据对在南极地区年流速达数百米的冰川都可以保持很好的相干性。因此，本文利用3景ERS-1数据所构成的两组时间基线为3 d的干涉对，采用DDInSAR去除冰流相位对接地线提取的干扰，通过判读双差干涉条纹图(double differential SAR interferogram，DDSI)中密集条纹区域靠近内陆一侧的分界线来提取接地线，并将提取结果和MEaSUREs接地线进行对比来验证提取结果的精度。
1 接地区域和接地线
接地区域是从完全接地的固定冰到和海洋处于流体静力学平衡的漂浮冰的冰盖区域。如图 1所示，F点为受到潮汐影响的冰曲到陆地的极限点，G点为接地线位置，Ib为冰架坡度的陡变点，Im为冰架底部局部地形的最低点，而H点为冰曲到海洋方向的极限点。在南极地区，接地区域F~H通常有数公里或十几公里的宽度。F、G、Ib、Im和H之间的实际距离由实际冰层厚度和属性以及岩床地形和构造决定。
从内陆流来的冰在接地线G点开始漂浮在海面上，在H点之后受海水浮力处于流体静力学平衡状态。对于任意一条冰流而言，其接地线位置的精确确定比较困难，因为它会随冰流底部的增厚或减薄而发生变化。研究发现在西南极PIG(Pine Island Glacier)地区由于冰流底部的消融所导致的接地线回退现象与PIB(Pine Island Bay)海洋温度的逐年上升呈正相关[10, 11]。
基于冰架随潮汐运动的特征，DInSAR可以准确提取接地线点(G)。基于光学影像的坡度跟踪方法实际探测的是接地区域中的坡度陡变点(Ib)，因此相应的接地线产品精度较差。而基于测高数据采用重复轨道分析技术虽然可以探测接地区域多个特征点(F、Ib和H)，但不包括G点，且其提取结果不连续，空间覆盖度较差[3, 4]。
2 DDInSAR提取接地线原理
当不考虑大气、电离层影响和系统噪声时，重复轨道雷达干涉测量得到的一幅干涉图(single SAR interferogram，SSI)的干涉相位可表示为[12]：
(1) 式中, λ为雷达波长; R为天线到目标点的距离; θ为第一副天线的参考视线角; h为地形高程; Δr为重轨观测期间目标点沿视线方向的形变。且有参考相位
(2) Rignot等指出直接使用两轨差分提取接地线在绝大多数存在冰流的区域是不适用的[13]，因为无法区分DSI中的冰流相位和潮汐相位。以ERS-1卫星3 d重访周期的数据为例，3景SAR数据可以组成两组时间基线为3 d的干涉对，在配准两组干涉对时都选取数据获取日期在前的SAR影像作为参考影像，保证冰流在两幅DSI产生的相位保持一致。因为两组干涉对的时间基线相同，可以假定冰流速的大小在两幅DSI中保持不变，则通过对两幅DSI再进行差分消除冰流相位的影响。故双差干涉条纹图DDSI包含的相位可表示为：
(3) DDSI中内陆接地的固定冰盖不受潮汐影响，而浮动冰架或冰川随潮汐运动，因此，浮动冰架或冰川和接地冰盖的交界处会在DDSI中产生密集条纹。接地线即为DDSI中密集条纹区域最靠近内陆一侧的分界线，通过跟踪这个分界线进行接地线提取。
3 实验区域和数据
Jelbart冰架位于毛德皇后地沿岸，宽70 km。Schytt冰川为流入Jelbart冰架的主要冰流之一，也是通过查找ERS-1卫星3 d时间基线的数据后选定的实验数据所覆盖的区域。图 2中黑色方框为ERS-1数据的覆盖范围；红色为Scambos等发布的线格式的MOA接地线[1]；蓝色为Bindschadler等发布的ASAID接地线[14]；黄色为Rignot等发布的点格式的MEaSUREs接地线[5]；底图为全南极Landsat影像镶嵌图(LIMA)。
3景ERS-1数据参数如表 1所示，其中SSI-1和SSI-2组合分别以轨道号13 761和13 804的影像为参考影像。
表 1 实验区域SAR影像对信息Table 1. Parameters of SAR Image Pairs干涉对 获取时间 轨迹号 轨道号 平行基线/m 垂直基线/m SSI-1 1994-03-04 2 13 761 21 55 1994-03-07 2 13 804 SSI-2 1996-03-07 2 13 804 10 29 1996-03-10 2 14 847 4 数据处理和结果分析
ERS-1卫星3d短时间基线的数据保证了干涉对的相干性，短垂直基线则有利于高精度探测形变。通过配准两组SAR数据对得到两幅干涉图，并对两幅干涉图进行去平地相位和滤波处理。两轨差分过程中引入的DEM为Bamber等2009年发布的全南极1 km分辨率DEM[15]，精度可达10 cm，在地形起伏较大的地区精度也可达几米[16]。对两幅DSI选取相同的解缠起点，采用相同的解缠方法枝切法进行解缠，地理编码SSI-1得到包含冰流和潮汐相位的DSI如图 3所示。图 3中黑色曲线为截取的在SAR数据覆盖范围内的MEaSUREs接地线，黑色箭头表示的是冰流速的大小和方向，在冰流速较大的Schytt冰川上出现的密集条纹对准确提取接地线产生了干扰。
为了消除冰流相位的干扰，利用两幅DSI参考影像的强度信息对两幅已解缠的DSI进行配准并差分得到DDSI。在DDSI中浮动冰架的相位差主要是由潮汐引起的，而轨道和大气误差、冰架质量变化、粒雪压缩等引起的相位差通常较小[9]。接地区域在DDSI上通常呈现为紧密相连的条纹密集区域，对应着由于海洋潮汐作用引起的浮动冰架的高程起伏。图 4为地理编码后的DDSI，白色曲线为人工跟踪接地区域密集条纹靠近内陆一侧的分界线得到接地线提取结果(GL_track)，黑色曲线为MEaSUREs接地线。
图 4中a、b、c和d等4处小岛屿周围的密集条纹靠近内侧的分界线和MEaSUREs接地线十分吻合。而基于可见光影像的两种接地线产品(图 2)在a、b、c和d等4处没有勾绘出小岛屿周围的接地线，这反映出利用差分干涉提取接地线与基于可见光影像的方法相比所具有的巨大优势。在平行于海岸线的方向，本文提取的接地线也和MEaSUREs接地线十分吻合，即使在年流速达到400 m/a的Schytt冰川和Jelbart冰架的交汇处，DDSI上冰流相位对准确探测接地线的干扰被正确移除。
因为实验选取的SAR数据和MEaSUREs接地线使用的源数据相同，而且该产品精度达到100 m，也是目前可信度最高的接地线产品[5]。利用ArcToolbox中的Near工具，分别统计分析本文提取结果(图 4中GL_track)、MOA接地线和ASAID接地线到MEaSUREs接地线最短垂直距离，得到的距离直方图如图 5所示。三者到MEaSUREs接地线垂直距离的均值分别为190 m、560 m和631 m，标准差分别为184 m、474 m和514 m。这说明采用差分干涉方法提取的接地线精度优于MOA和ASAID这两种接地线产品。
5 结语
本文利用ERS-1卫星3 d时间基线的两组干涉对，采用DDInSAR方法得到DDSI，通过跟踪DDSI上密集条纹区域靠近内陆一侧的分界线来提取接地线，并统计和MEaSUREs接地线产品的垂直距离标准差达到184 m。实验结果表明，DDInSAR可以去除冰流相位对探测接地线产生的干扰，并且由于DDInSAR对于垂直位移敏感且分辨率高的特点，可以探测出基于可见光影像坡度跟踪无法分辨的面积较小的岛屿，而且提取的接地线精度优于MOA和ASAID接地线产品，充分证明DDInSAR是大范围、连续及高精度提取接地线的有效手段。
DDInSAR虽然是目前最有效的接地线提取方法，但满足DDInSAR要求的数据源十分有限。ERS-1卫星3 d时间基线的数据对很少，而ERS tandem任务虽然可以获得时间基线仅为1 d的干涉对，但是两幅干涉对的时间间隔也达到35 d或更长，这也给配准两幅干涉图带来困难。而使用L波段SAR卫星数据进行差分干涉也需要解决在冰流速较大地区其重访周期较长带来的失相关问题。X波段的COSMO-SkyMed以及C波段的Sentinel-1可以提供满足DDInSAR数据要求的干涉对，因此，今后需要联合多源SAR数据组成时间序列，对Jelbart冰架或其他实验区域接地线的提取以及动态变化展开研究。
致谢: 感谢欧洲空间局(ESA)提供的ERS数据，美国国家冰雪数据中心(NSIDC)提供的BAMBER DEM以及MOA、ASAID和MEaSURES接地线产品。 -
表 1 实验区域SAR影像对信息
Table 1 Parameters of SAR Image Pairs
干涉对 获取时间 轨迹号 轨道号 平行基线/m 垂直基线/m SSI-1 1994-03-04 2 13 761 21 55 1994-03-07 2 13 804 SSI-2 1996-03-07 2 13 804 10 29 1996-03-10 2 14 847 
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