論高分三號(hào)衛(wèi)星在極地冰區(qū)導(dǎo)航的運(yùn)用范文

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摘要：針對(duì)面向極地冰區(qū)船舶航行導(dǎo)航的需求，利用我國(guó)第一顆民用合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星高分三號(hào)（GF－3）數(shù)據(jù)，通過(guò)定量化統(tǒng)計(jì)分析，開(kāi)展了GF－3號(hào)標(biāo)準(zhǔn)條帶模式數(shù)據(jù)在極地冰區(qū)應(yīng)用潛力的評(píng)估。結(jié)果表明，GF－3號(hào)標(biāo)準(zhǔn)條帶數(shù)據(jù)能較好地反映冰面的紋理，HH極化在圖像層次和信息量上要優(yōu)于HV極化；在圖像的層次表達(dá)方面，GF－3／HV極化數(shù)據(jù)優(yōu)于Radarsat－2／HV數(shù)據(jù)，GF－3／HH極化數(shù)據(jù)不如Radarsat－2／HH極化數(shù)據(jù)；GF－3數(shù)據(jù)能較好地反映南極冰區(qū)的紋理和類(lèi)型特征，對(duì)于冰山、冰裂隙等冰上障礙具有較好的識(shí)別能力，對(duì)極地冰區(qū)導(dǎo)航和冰上卸貨具備較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：高分三號(hào)；雪龍船；圖像質(zhì)量；海冰；極地

引言

南極是地球系統(tǒng)的重要組成部分，在全球氣候變化中具有重要地位和作用，我國(guó)自20世紀(jì)80年代以來(lái)，先后在南極建立了長(zhǎng)城站、中山站、昆侖站和泰山站［1－2］，每年11月初至次年4月，依托雪龍船往返國(guó)內(nèi)和南極考察站之間開(kāi)展科學(xué)考察和考察站點(diǎn)的物資補(bǔ)充。雪龍船在航途中有兩大危險(xiǎn)區(qū)，一是西風(fēng)帶，二是南極冰區(qū)［3］，而中山站外海的固定冰對(duì)雪龍船進(jìn)出中山站則構(gòu)成了最大的障礙［4］。合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星（SAR）具有全天時(shí)、全天候的成像特征，作為一種高效、經(jīng)濟(jì)的手段可提供大范圍的冰情分布和變化信息。在北半球許多國(guó)家，SAR數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一種常用的數(shù)據(jù)源用于冰區(qū)船舶導(dǎo)航。加拿大海冰服務(wù)中心自1991年開(kāi)始利用ERS－SAR數(shù)據(jù)為加拿大結(jié)冰海區(qū)提供冰情服務(wù)［5］；芬蘭氣象研究所于1992年利用SAR數(shù)據(jù)為波羅的海海區(qū)提供冰區(qū)導(dǎo)航服務(wù)信息［6］；芬蘭VTT技術(shù)研究中心（VTTTechnicalResearchCentreofFinland）以星載SAR數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，為波羅的海破冰船開(kāi)發(fā)了一套冰區(qū)導(dǎo)航輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于GIS系統(tǒng)，同時(shí)可疊加最新的氣象環(huán)境、海洋環(huán)境及AIS資料，開(kāi)展冰區(qū)航線的制定［7］；Danduran等人［8］首次利用近實(shí)時(shí)的Radarsat數(shù)據(jù)為德國(guó)的南極科考船提供冰區(qū)航行線路制定。高分三號(hào)（GF－3）衛(wèi)星是高分辨率、全極化合成孔徑（SAR）衛(wèi)星，于2016年8月10日6時(shí)55分由長(zhǎng)征四號(hào)丙型運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。目前，該衛(wèi)星是“國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)”中唯一的民用微波遙感成像衛(wèi)星，設(shè)計(jì)有12種成像模式，分辨率1～500m，幅寬10～650km，能全天候、全天時(shí)的開(kāi)展海洋、陸地資源監(jiān)測(cè)，為我國(guó)海洋權(quán)益維護(hù)與海洋開(kāi)發(fā)、陸地環(huán)境與水資源監(jiān)測(cè)管理、災(zāi)害天氣與氣候變化等提供有力保障。本文在雪龍船第33次南極考察中山站卸貨期間，首次利用高分三號(hào)SAR數(shù)據(jù)，對(duì)卸貨線路上的固定冰冰情開(kāi)展了分析，探討高分三號(hào)衛(wèi)星在極地冰區(qū)導(dǎo)航方面的可行性。

1數(shù)據(jù)與預(yù)處理

為了獲取第33次南極考察雪龍船中山站卸貨期間沿途冰情特征，本文獲取了2016年11月30日22：15（UTC）成像的冰區(qū)C波段高分三號(hào)標(biāo)準(zhǔn)條帶（SS）模式數(shù)據(jù)，影像分辨率為25m、幅寬130km，HH／HV雙極化，產(chǎn)品級(jí)別為2級(jí)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)幾何校正和地圖投影。為提高影像的定位精度，以2016年11月26日獲取的該區(qū)域Landsat－8衛(wèi)星正射影像為底圖，在沿岸裸巖及冰架區(qū)域選取了典型控制點(diǎn)對(duì)GF－3衛(wèi)星L2級(jí)數(shù)據(jù)采用一次多項(xiàng)式進(jìn)行了精校正，校正誤差優(yōu)于2個(gè)像素，投影坐標(biāo)系采用UTM－43S，圖1為精校正后的GF－3數(shù)據(jù)經(jīng)HH、HV和HH／HV假彩色合成后的效果。同時(shí)，為了開(kāi)展圖像質(zhì)量對(duì)比分析，在第33次南極考察雪龍船?？恐猩秸鹃_(kāi)展卸貨期間還獲取了一景2016年11月28日22：49（UTC）Radarsat－2的8m精細(xì)寬模式數(shù)據(jù)（表1）。

2影像質(zhì)量分析

為了評(píng)價(jià)GF－3衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量，分別采用目視和信息統(tǒng)計(jì)的方法，通過(guò)與Radarsat－2數(shù)據(jù)開(kāi)展了比對(duì)與評(píng)價(jià)。

2．1影像視覺(jué)效果選取了圖像中的固定冰區(qū)域開(kāi)展影像質(zhì)量比對(duì)分析，圖2、圖3分別為GF－3、Radarsat－2衛(wèi)星獲取的HH極化、HV極化下的固定冰冰區(qū)數(shù)據(jù)。通過(guò)目視判讀比較，GF－3衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)條帶模式數(shù)據(jù)和Radarsat－2精細(xì)寬模式數(shù)據(jù)在HH極化方式下均能較好地體現(xiàn)冰區(qū)類(lèi)型和紋理特征，但HV極化方式下GF－3衛(wèi)星較Radarsat－2數(shù)據(jù)對(duì)冰面紋理特征的顯示效果更好。

2．2影像統(tǒng)計(jì)特征圖像的統(tǒng)計(jì)特征包括直方圖、標(biāo)準(zhǔn)差、信息熵等，不同的統(tǒng)計(jì)特征對(duì)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。直方圖反映了圖像的信息量及分布特征，標(biāo)準(zhǔn)差反映了圖像信息層次大小，標(biāo)準(zhǔn)差越大說(shuō)明圖像層次感越強(qiáng)，信息熵則是衡量圖像信息豐富程度的一種重要指標(biāo)，信息熵越大說(shuō)明圖像信息越豐富［9］。通過(guò)將GF－3衛(wèi)星和Radarsat－2衛(wèi)星進(jìn)行后向散射計(jì)算并進(jìn)行歸一化標(biāo)準(zhǔn)化處理，統(tǒng)計(jì)特征區(qū)域影像值，得到統(tǒng)計(jì)特征。從圖4的直方圖統(tǒng)計(jì)可以看出，HH極化較HV極化的DN值分布區(qū)間更大，在影像上地物間的差異HH極化會(huì)更明顯，同一衛(wèi)星的HH極化較HV極化的平均值分布上也更大，圖像視覺(jué)上表現(xiàn)為HV影像偏暗，因此，在地物類(lèi)型的征識(shí)別上HH極化影像較HV極化更有優(yōu)勢(shì)。表2為影像的統(tǒng)計(jì)特征值，通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)Radarsat－2／HH極化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差大于GF－3／HH極化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差，而HV極化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差則是GF－3數(shù)據(jù)大于Radarsat－2，這說(shuō)明在圖像細(xì)節(jié)的層次方面，Radarsat－2／HH極化數(shù)據(jù)要優(yōu)于GF－3／HH極化數(shù)據(jù)，而GF－3／HV極化數(shù)據(jù)則優(yōu)于Radarsat－2／HV數(shù)據(jù)。信息熵統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，Radarsat－2衛(wèi)星HH極化和HV極化數(shù)據(jù)分別略大于GF－3衛(wèi)星HH極化和HV極化數(shù)據(jù)，說(shuō)明Radarsat－2數(shù)據(jù)信息量較好。

3冰區(qū)影像應(yīng)用能力分析

利用SAR數(shù)據(jù)不同的極化通道，采用影像合成技術(shù)能增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可視化效果，更好地用于專(zhuān)家判讀或機(jī)器解譯［10］。圖1為冰區(qū)RGB假彩色合成影像，采用GF－3數(shù)據(jù)HH、HV和HH／HV極化數(shù)據(jù)合成，影像上雪龍船位置、浮冰、固定冰、冰裂隙、冰山、中山站周邊的裸巖區(qū)等特征清晰可見(jiàn)，圖中區(qū)域1為浮冰區(qū)、區(qū)域2和區(qū)域3均為固定冰區(qū)，但區(qū)域2的冰面粗糙、冰況復(fù)雜，區(qū)域3的冰面較平整。雷達(dá)影像反映了地物對(duì)雷達(dá)波的散射強(qiáng)弱，地物散射信號(hào)強(qiáng)則影像上較亮，反之則暗，不同的極化方式對(duì)散射信號(hào)的反映也各不相同，HH極化數(shù)據(jù)因其對(duì)表面散射特性較為敏感，對(duì)于區(qū)分新冰、灰冰等海冰類(lèi)型具有較好的優(yōu)勢(shì)，盡管HV極化對(duì)于區(qū)分一年冰和多年冰較好，但對(duì)于區(qū)分新冰、平整冰等一年冰的類(lèi)型存在困難［11］。為更好地分析雷達(dá)影像對(duì)于冰區(qū)的特征反映，以下采用HH極化數(shù)據(jù)對(duì)選取的典型特征區(qū)域（圖1中A～G處）來(lái)開(kāi)展冰區(qū)應(yīng)用評(píng)價(jià)，同時(shí)也選取了對(duì)應(yīng)特征區(qū)域的Landsat－8和Radarsat－2衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為對(duì)比。1）雪龍船影像特征。雪龍船因其金屬構(gòu)造，介電特性較強(qiáng)，以及角散射效應(yīng)，雷達(dá)散射信號(hào)較強(qiáng)，在圖像（圖1中B處、圖5）上顯示為亮點(diǎn)目標(biāo)。雪龍船在固定冰區(qū)進(jìn)行破冰航行，冰面破碎而形成粗糙表面，增大了雷達(dá)波的散射輕度，在雷達(dá)影像上顯示出一條較為明亮的線條。2）浮冰影像特征。漂浮在海面上的冰稱為浮冰，會(huì)受風(fēng)浪的影響而運(yùn)動(dòng)。聚集在近岸的浮冰（圖1中A處）受到潮汐、波浪等因素的影響相互碰撞擠壓而破碎，相對(duì)于海面，這些破碎的浮冰具有較強(qiáng)的雷達(dá)散射信號(hào)，在影像上偏亮且呈大小不一的幾何形狀，因3個(gè)衛(wèi)星成像時(shí)間存在2至4天的差異，而浮冰隨時(shí)間變化較大，圖6只能反映浮冰在不同傳感器上的成像特征。3）亂冰區(qū)影像特征。亂冰區(qū)位于區(qū)域2（圖1中C處）的固定冰區(qū)，該區(qū)域冰面特征情況復(fù)雜，由沿岸平整固定冰隨潮汐運(yùn)動(dòng)脫落后，相互擠壓破碎后與沿岸平整固定冰再凍結(jié)而形成，因此該區(qū)域的冰面特征在雷達(dá)影像上形成了亮、暗交錯(cuò)的特征，暗色區(qū)域代表冰面特征較為平整，亮的區(qū)域表示冰面相互擠壓形成的冰脊或是海冰間相互凍結(jié)后形成的粗糙表面（圖7）。圖6浮冰雷達(dá)影像圖7亂冰區(qū)雷達(dá)影像4）平整冰區(qū)影像特征。沿岸平整固定冰一般都依附海岸，海水從海岸向外海逐漸凍結(jié)而成，與海岸牢牢的凍結(jié)在一起，隨著氣溫降低，厚度會(huì)增加，在雷達(dá)影像（圖1中E處）上表現(xiàn)出較均勻的散射強(qiáng)度（圖8）。5）冰縫影像特征。冰縫是沿岸固定冰受潮汐影響在垂直方向受力不均斷裂形成（圖1中D處），這些縫隙寬度大小不一，有些會(huì)碰撞擠壓后凍結(jié)形成冰脊，有些會(huì)分開(kāi)形成縫隙，根據(jù)不同的形成特征在雷達(dá)影像上表現(xiàn)出明或暗的條帶，長(zhǎng)度能達(dá)數(shù)幾公里至數(shù)十公里，對(duì)于冰上行駛有一定的危險(xiǎn)性（圖9）6）冰山影像特征。冰山是陸源冰架崩解后漂浮在海面而形成（圖1中F處），一些大的冰山會(huì)持續(xù)一年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)衛(wèi)星影像顯示，中山站外海固定冰區(qū)有大量大小不一的冰山，這些冰山大多持續(xù)了一個(gè)夏季，當(dāng)冬季來(lái)臨后與沿岸固定冰凍結(jié)在一起，因其大多高于冰面，而在冰層表面形成一座座小山。根據(jù)SAR的側(cè)視成像特性，朝向觀測(cè)面的具有較亮的影像顯示特征，背朝觀測(cè)方向的會(huì)有觀測(cè)盲區(qū)而形成陰影暗區(qū)（圖10）。7）陸地影像特征。南極海岸的裸露地（圖1中G處）相對(duì)于平整冰具有較粗糙的表面，對(duì)雷達(dá)散射信號(hào)相對(duì)更強(qiáng)，但裸露地會(huì)受地形起伏影響，在雷達(dá)影像根據(jù)不同的明暗程度能反映出地形變化特征。一般而言，朝向雷達(dá)波觀測(cè)的坡面具有更大的信號(hào)散射特征在影像上表現(xiàn)為亮的區(qū)域，背向雷達(dá)波觀測(cè)面信號(hào)散射特征較小在影像上表現(xiàn)為暗的區(qū)域（圖11）。

4結(jié)束語(yǔ)

GF－3的成功發(fā)射和運(yùn)行為我國(guó)各行業(yè)應(yīng)用提供大量多極化合成孔徑雷達(dá)（SAR）數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分辨率從1～500m，能滿足不同行業(yè)用戶的應(yīng)用需求。在第33次南極考察雪龍船停靠中山站外海冰區(qū)開(kāi)展卸貨期間，本文獲取了一景高分三號(hào)標(biāo)準(zhǔn)條帶數(shù)據(jù)，開(kāi)展了衛(wèi)星數(shù)據(jù)在極地冰區(qū)導(dǎo)航的應(yīng)用潛力評(píng)價(jià)與分析，得出如下結(jié)論：1）GF－3號(hào)標(biāo)準(zhǔn)條帶HH和HV數(shù)據(jù)極化方式的數(shù)據(jù)均能較好地反映冰面的紋理，但HH極化方式下的標(biāo)準(zhǔn)差和信息熵均大于HV極化，表明HH極化在圖像層次和信息量上要優(yōu)于HV極化。2）通過(guò)對(duì)GF－3衛(wèi)星數(shù)據(jù)和Radarsat－2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的定量統(tǒng)計(jì)特征分析表明，在圖像的層次表達(dá)方面，Radarsat－2／HH極化數(shù)據(jù)要優(yōu)于GF－3／HH極化數(shù)據(jù)，而GF－3／HV極化數(shù)據(jù)則優(yōu)于Radarsat－2／HV數(shù)據(jù)。信息量方面，Radarsat－2／HH極化和HV極化數(shù)據(jù)分別優(yōu)于GF－3／HH極化和HV極化。3）通過(guò)GF－3標(biāo)準(zhǔn)條帶影像冰區(qū)應(yīng)用能力分析，表明GF－3數(shù)據(jù)能較好地反映南極冰區(qū)的紋理和類(lèi)型特征，對(duì)于冰山、冰裂隙等冰上障礙具有較好的識(shí)別能力，對(duì)極地冰區(qū)導(dǎo)航和冰上卸貨具備較好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

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作者：曾韜 石立堅(jiān) 劉建強(qiáng) 袁新哲 單位：國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心