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利用CryoSat-2测高数据研究东南极PANDA断面考察沿线高程变化

墙强 周春霞 廖明生 赵秋阳 王泽民

墙强, 周春霞, 廖明生, 赵秋阳, 王泽民. 利用CryoSat-2测高数据研究东南极PANDA断面考察沿线高程变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(11): 1445-1449. doi: 10.13203/j.whugis20150271
引用本文: 墙强, 周春霞, 廖明生, 赵秋阳, 王泽民. 利用CryoSat-2测高数据研究东南极PANDA断面考察沿线高程变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(11): 1445-1449. doi: 10.13203/j.whugis20150271
QIANG Qiang, ZHOU Chunxia, LIAO Mingsheng, ZHAO Qiuyang, WANG Zemin. Elevation Change Along the Expedition Route in PANDA Transection of Antarctica from Cryosat-2[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(11): 1445-1449. doi: 10.13203/j.whugis20150271
Citation: QIANG Qiang, ZHOU Chunxia, LIAO Mingsheng, ZHAO Qiuyang, WANG Zemin. Elevation Change Along the Expedition Route in PANDA Transection of Antarctica from Cryosat-2[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(11): 1445-1449. doi: 10.13203/j.whugis20150271

利用CryoSat-2测高数据研究东南极PANDA断面考察沿线高程变化

doi: 10.13203/j.whugis20150271
基金项目: 

中国南北极环境综合考察与评估专项 CHINARE2015-02-04

中国测绘地理信息公益性行业科研专项 201412009

中国极地科学战略研究基金 20120107

民用航天“十二五”预先研究项目 D040103

国家自然科学基金 41376187

详细信息
    作者简介:

    墙强, 博士生。主要从事雷达、雷达测高在极地的应用研究。qiangqiang.716@163.com

    通讯作者: 周春霞, 博士, 教授。zhoucx@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P228.3;P216

Elevation Change Along the Expedition Route in PANDA Transection of Antarctica from Cryosat-2

Funds: 

The Chinese Polar Environment Comprehensive Investigation & Assessment Programme CHINARE2015-02-04

the Public Science and Technology Research Fund Project of Surveying, Mapping and Geoinformation 201412009

the Polar Strategic Foundation 20120107

the Advance Research Program of Civil Aerospace Technology D040103

the National Natural Science Foundation of China 41376187

More Information
    Author Bio:

    QIANG Qiang, PhD candidate, specializes in the radar altimeter, SAR interferometry. E-mail: qiangqiang.716@163.com

图(5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-10-08
  • 刊出日期:  2016-11-05

利用CryoSat-2测高数据研究东南极PANDA断面考察沿线高程变化

doi: 10.13203/j.whugis20150271
    基金项目:

    中国南北极环境综合考察与评估专项 CHINARE2015-02-04

    中国测绘地理信息公益性行业科研专项 201412009

    中国极地科学战略研究基金 20120107

    民用航天“十二五”预先研究项目 D040103

    国家自然科学基金 41376187

    作者简介:

    墙强, 博士生。主要从事雷达、雷达测高在极地的应用研究。qiangqiang.716@163.com

    通讯作者: 周春霞, 博士, 教授。zhoucx@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P228.3;P216

摘要: 卫星测高技术是研究两极冰面高程变化和物质平衡状态的主要手段。相对于传统高度计,CryoSat-2不仅能够提供更加密集的轨道覆盖,同时也提高了南极边缘地区的测量精度。但369 d的重访周期也使得传统的基于交叉轨道算法的时序分析不再适用,通过对CryoSat-2轨迹特征的分析,提出了基于近重复轨道的冰面高程变化模型。针对CryoSat-2数据预处理,采用基于地表模型的粗差剔除方法进行了粗差剔除,并基于EnviSat与CryoSat-2的协同分析,对CryoSat-2中的后向散射能量进行了系统变化趋势改正。利用2012-01~2014-05的CryoSat-2数据,对东南极PANDA断面考察沿线冰面高程变化进行了研究。实验结果表明,整个考察沿线高程变化趋势为0.017±0.009 m/a。该结论与其他学者提取相应流域的平均积累率相一致。但其分布不均匀,局部效应明显。通过与考察线路实测结果对比,两者在相对积累特征上基本一致。

English Abstract

墙强, 周春霞, 廖明生, 赵秋阳, 王泽民. 利用CryoSat-2测高数据研究东南极PANDA断面考察沿线高程变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(11): 1445-1449. doi: 10.13203/j.whugis20150271
引用本文: 墙强, 周春霞, 廖明生, 赵秋阳, 王泽民. 利用CryoSat-2测高数据研究东南极PANDA断面考察沿线高程变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(11): 1445-1449. doi: 10.13203/j.whugis20150271
QIANG Qiang, ZHOU Chunxia, LIAO Mingsheng, ZHAO Qiuyang, WANG Zemin. Elevation Change Along the Expedition Route in PANDA Transection of Antarctica from Cryosat-2[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(11): 1445-1449. doi: 10.13203/j.whugis20150271
Citation: QIANG Qiang, ZHOU Chunxia, LIAO Mingsheng, ZHAO Qiuyang, WANG Zemin. Elevation Change Along the Expedition Route in PANDA Transection of Antarctica from Cryosat-2[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(11): 1445-1449. doi: 10.13203/j.whugis20150271
  • 南极冰盖融化被认为是全球变暖所引起的早期灾变之一,并且作为影响全球气候和海平面的重要因素,逐渐成为全球关注的热点。作为研究两极冰面高程变化和物质平衡状态的主要手段,过去20多年中,卫星测高技术在极地冰盖监测中得到了广泛的应用[1, 2]。2010年发射升空的新型测高卫星CryoSat-2,不仅具有更大的数据覆盖范围,也增加了南极冰盖边缘区域的覆盖密度。同时,SAR/SARIn模式的引入也大幅度提高了南极边缘冰盖及海冰的监测精度。PANDA(prydz bay,amery ice shelf and Dome A)断面是中国南极考察的重点区域,多年的内陆考察积累了丰富的实测数据。其对于研究南极地区与全球变化的关联,预测未来变化具有重要的意义。本文利用CryoSat-2数据,基于近重复轨道算法对东南极PANDA断面考察沿线冰面高程变化进行了研究与分析。

    • 相对于其他卫星高度计(ICESat、ERS和Envisat等),大轨道倾角(92°)、长重访周期(369 d)的独特轨道设计虽然提升了CryoSat-2的覆盖范围和覆盖密度,但369 d的重访周期也使得传统的基于交叉轨道算法的时序分析不再适用[3-6]

      相对于交叉轨道算法,重复轨道算法能够更加充分地利用测高数据[7-9]。但受到重访周期的限制,CryoSat-2不能进行严格意义上的重复轨道解算。本文通过对CryoSat-2轨迹特征的分析,提出了基于近重复轨道的冰面高程变化提取算法。在近重复轨道算法中,局部区域内所有的升、降轨数据皆被视为“重复轨道”。同时为了保证解算精度,解算区域内所有的升、降轨脚点皆被视为观测值并统一纳入解算模型。图 1为重复/近重复轨道算法解算原理示意图。

      图  1  重复/近重复轨道算法原理示意图

      Figure 1.  Sketch Map of the Method of Repeat-Track/Near Repeat-Track Observations

    • 依据经典重复轨道解算模型,局部冰面高程可分为地形项与波动项,即h=htop+hflu。其中地形项仅与位置相关(htop=ψ(x, y));波动项则受到后向散射能量、雪面积累变化等因素的影响(hflu=ψ(bs, …, t)),具体模型表示为[10-11]

      (1)

      式中,h为脚点高程;bs为后向散射能量;xy为脚点平面坐标;t为时间变量;h为高程平均值;a1~a7为与以上各变量对应的模型参数。

      但是由于轨道异面性的影响,雷达高度计的升、降轨数据往往会出现一定的偏移[12-13]。利用近重复轨道进行解算时,升、降轨数据的偏移需要被考虑。由文献[14]可知,卫星脚点高程可简化为H=H0+bcos2(2θ)。其中,H0b为常量,θ为轨道异面角,即轨道极化方向与主风向之间的夹角。升、降轨引起的高程差异进一步表述为:

      (2)

      式中, θa、θd分别为升、降轨对应的异面角。对于局部区域,主风向、轨道方向皆可认为是固定值。因此,升、降轨数据的偏移dh可以认为是不变量。本文在经典重复轨道解算模型中引入卫星轨道方向参量tk,用来消除升、降轨数据的偏移误差,并最终给出近重复轨道解算模型:

      (3)

      式中,h为平均高程;tk为卫星轨道方向;a0~a7为与以上各变量对应的模型参数。

    • 为了保证解算精度,利用近重复轨道解算模型提取冰面高程变化时,首先需要进行数据预处理。本文数据预处理主要包含粗差剔除和后向散射能量变化趋势剔除两个部分。

    • 受环境以及回波误跟踪现象的影响,CryoSat-2数据存在一定的误差甚至出现较大的粗差,需要进行滤波处理。本文基于局部地形的描述特征,提出的基于地表模型的粗差剔除方法如下。

      1) 确定解算区域并同时获取解算区域内的测高卫星脚点数据。

      2) 依据近重复轨道解算模型,以脚点数据作为观测值构建误差方程。基于最小二乘算法,解算模型参数。误差方程形式如下:

      (4)

      3) 利用模型参数反算各脚点的高程,并将其与原始测量高程进行较差处理。统计区域内高程差异特征,并以3倍中误差为阈值进行误差剔除。

      4) 迭代步骤2)、步骤3),直至不再有数据被剔除,最终导出粗差剔除后的脚点数据。

    • 利用雷达高度计提取冰面高程变化时,后向散射能量是不可忽略的因素。通过交叉轨道算法,可以知道局部区域内后向散射能量变化(dδ)与高程变化(dh)呈线性相关,即dh=kdδ。进一步可以推导出后向散射能量与高程之间的关系h=kδ+b。因此,在重复轨道算法中采用线性表达来吸收后向散射能量的影响。

      CryoSat-2数据除了存在与时间相关的后向散射能量变化,在部分区域还存在着系统性的变化趋势。对于近重复轨道解算模型而言,即存在bs′=kt+bs。其中bs′bs分别为后向散射能量的观测值及真值,k为系统趋势梯度。带入模型公式(3),则有:

      (5)

      这一特征将导致高程变化速率的误估计。因此,在利用近重复轨道算法提取冰面高程变化时,需要对后向散射能量的系统变化趋势进行剔除。本文利用EnviSat与CryoSat-2的同期数据,基于交叉轨道算法提取了PANDA断面考察沿线的CryoSat-2系统变化趋势(图 2),并以此对CryoSat-2进行了后向散射能量系统趋势修正。图 2中的黄色线条为内陆考察线路,红色五角星分别标示中山站、泰山站以及昆仑站的位置。

      图  2  PANDA断面考察沿线CryoSat-2后向散射能量系统变化趋势

      Figure 2.  System Change Trend of CryoSat-2 Backscatter Along the Expedition Route in PANDA Transection

    • 依据以上方法,本文给出了基于近重复轨道算法的冰面高程变化提取流程图(图 3)。同时,考虑到CryoSat-2轨道测试时间,本文选取2012-01~2014-05的CryoSat-2 GDR产品对PANDA断面考察沿线冰面高程变化进行了分析。

      图  3  冰面高程变化提取流程示意图

      Figure 3.  Flowchart of Extracting of Elevation Change

      依据上述流程,提取PANDA断面考察沿线冰面高程变化结果(图 4)。对结果进行统计分析,发现整个考察沿线冰面高程变化符合高斯分布,整体呈现0.017±0.009 m/a的积累趋势。

      图  4  PANDA断面考察沿线冰面高程变化结果

      Figure 4.  Elevation Change Along the Expedition Route in PANDA Transection

      受限于恶劣的气候环境,南极地区的地面实测数据极为稀少。即使ICEBridge数据在东南极PANDA断面的覆盖也极为有限,难以支撑大面积区域的定量检验与分析。通过与其他结果的对比分析,本文0.017±0.009 m/a的积累结果与其他学者解算相应流域得出的平均积累率相一致[15, 16]。同时,本文的结果与McMillan[17]发布的结果相吻合,局部的差异主要源于后向散射能量处理方法的差异以及最终结果的滤波处理。

      为了对实验区域的积累特性进行分析,本文提取了考察沿线冰面高程变化结果(图 5),并与文献[18]中的现场测量结果进行了比较与分析。对比结果表明,虽然两期结果在数值上存在一定的差异,但沿线相对积累分布特征具有相似性。相对于现场测量结果,本文结果在一些区域出现了负积累的特征。这一差异主要源于以下两个方面的影响:①测量方法的差异性。传统的测量方法虽然能够获取量测区域精确的积累数据,但受到测区面积、测区分布以及量测时间的限制,难以反映大区域的平均积累特性。同时,雷达高度计的穿透性也为测量结果的差异带来了不确定性。②时间跨度引起的差异性。本文提取结果的时间跨度为2012~2014年,而文献中为1997~2008年的多期实测结果。不同的时间跨度,可能会带来整体积累或消融的改变。

      图  5  考察沿线冰面高程变化结果

      Figure 5.  Elevation Change Along the Expedition Route in PANDA Transection

    • CryoSat-2独特的设计使其具有传统高度计不可比拟的优势,但也增加了CryoSat-2数据应用的难度。本文通过对CryoSat-2轨迹特征以及轨道异面性的分析,提出了基于近重复轨道的冰面高程变化提取算法,并利用该方法对PANDA断面考察沿线冰面高程变化进行了监测。通过本文研究得到如下结论。

      1) 2012-01~2014-05,PANDA断面考察沿线区域的冰面高程平均变化率为0.017±0.009 m/a。实验结果表明,该区域的冰面高程变化空间分布不均匀,但是整体处于平衡状态。

      2) 通过与EnviSat同期数据的协同分析,发现局部区域CryoSat-2数据的后向散射能量具有系统趋势变化特征。鉴于这一特征会引起高程变化速率的误估计,因此, CryoSat-2数据需要进行后向散射能量系统趋势校正。

参考文献 (18)

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