基于早期衛星影像的南極雷納冰川區域三維地形重建

唐 冠 杰

(同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

基于早期衛星影像的南極雷納冰川區域三維地形重建

唐 冠 杰

(同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

利用1960年的南極解密衛星影像，通過影像預處理與立體模型幾何定位及密集匹配，建立了南極雷納冰川區域的三維地形，為進一步研究該地區1960年的冰川流速及物質平衡奠定了基礎。

解密衛星影像，密集匹配，幾何定位，三維地形

0 引言

隨著近年來全球氣候的不斷變化，極端天氣頻發，各國政府及民眾對極地地區的關注度也不斷提高。作為擁有全球90%的冰川，冰蓋體積達3 000多萬立方千米的南極地區[1]，對于研究全球氣候變化的影響有著極其重要的意義，極地地區又被稱為全球氣候的監控器，Turner在2009年的報告指出，在西南極的南部，全球氣候變暖使得半島東面夏季大部分時間氣溫升高，導致南極半島90%的冰川發生了退縮和冰架崩塌[2]。預估到21世紀末西南極冰川融化將導致海平面上升1.4 m，地球上有1.46億人口將居住在海平面1 m以下，1.4 m海平面上升的預警對沿海大都市和外海平臺等建筑都會產生嚴重威脅[3]。

南極冰對全球海平面的影響方式主要有冰架崩塌，冰蓋融化和冰川流出。數字高程模型(Digital Elevation Model)是地理空間中地理對象表面海拔的數字化表達，在南極地區，DEM是地球科學和環境科學研究的重要基礎，DEM數據與冰厚結合，能夠計算冰體變形的速度及應變，也可以根據不同時間高精度的DEM數據估算冰蓋變薄的速率和推斷南極物質流失情況，也可以用來確定分冰嶺、冰流盆地的位置、計算冰流的大小及方向、平衡速度及底部剪應力等，還可以用來確定接地線的位置[4]。因此，DEM對研究南極的質量流失及預測海平面上升有重要意義。

由于南極地區的特殊氣候原因，對大部分南極地區來說實地測量幾乎不可能，所以目前只有在海岸線的科考站附近有很少實測的數據。在過去的幾十年里，從事極地研究的科學家一直致力于獲取南極地區的數字三維地形。1960年的南極解密衛星影像為我們研究南極提供了非常有價值的歷史數據。本文將密集匹配方法運用到該數據來建立1960年南極雷納冰川區域的三維地形。

1 數據介紹

1995年2月份，美國總統克林頓簽署文件解密了超過860 000景美國第一代間諜衛星收集于1960年—1972年衛星影像，隨后在2002年，再次解密約48 000景衛星影像。這些影像是由5個衛星計劃在1960年—1980年收集到的全球的影像，各衛星計劃的代號分別為CORONA,ARGON,LANYARD,GAMBIT和HEXAGON。詳細數據見表1[5]。在2011年，美國進一步解密了GAMBIT,GAMBIT和HEXAGON計劃的部分影像和數據及90多份歷史記錄文件[6]。這些被稱為解密衛星影像(Declassified Intelligence Satellite Photography，DISP)的衛星影像比1972年的Landsat衛星影像早了12年，為科學研究提供了一個更加寬廣的視野，也給我們提供了一個觀察地球的獨特視角。在這些衛星計劃中只有ARGON計劃收集到了南極地區的影像。

表1 衛星計劃的詳細情況

ARGON計劃搭載的ARGON相機為框幅式相機，焦距為76.2 mm。由于衛星軌道較高，ARGON影像的覆蓋范圍較大約為540 km×540 km，但地面分辨率只有140 m。ARGON計劃在1961年—1964年執行了12次任務，但只有6次成功并收集了38 578景影像，其中有3次任務9034A，9058A，9059A收集到1 782景南極區域的影像。具體數據見表2，分布如圖1所示。9034A任務是首次從空間觀測南極大陸，由于任務執行時間為南半球的秋季，所以衛星沒有進入71°S以南的冰蓋區域，該任務收集到的影像覆蓋了整個南極的海岸線，但不幸的是覆蓋海岸線的大量影像都被云覆蓋，使用價值非常有限。9058A任務的執行時間同樣為南半球的秋季，但云的覆蓋較9034A任務要少很多，對研究冰蓋提供了幫助。9059A的拍攝時間為南半球的春季，整個南極都被光照，衛星軌道穿過了整個南極并提供了大量的衛星數據[7]。

表2 每次任務的執行時間、軌道數量及影像數量

此外，本文還用到了ASTER GDEM v2數據及由美國地質調查局、英國南極調查局和美國國家航空和航天局共同制作的15 m分辨率的利用Landsat影像制作的南極區域的鑲嵌圖。該鑲嵌圖為迄今發布的分辨率最高的南極鑲嵌圖。

2 研究區域

本文的研究區域雷納冰川(Rayner Glacier)位于東南極(67°40′S，48°25′E)，見圖2。雷納冰川是南極著名的冰川，該冰川從南部的Matvejchuk谷經過康登山與克里斯滕森山之間流向凱西灣(Casey Bay)，長約200 km，寬約19 km，前端冰川流速約每年1 000 m。實驗所用影像編號為DS9058A009MC116與DS09058A009MC117，拍攝于1963年8月30日，由于兩張影像的拍攝時間間隔只有約30 s，冰流對影像像點偏移的影響可以忽略不計。

圖2a)為研究區域在南極的位置。影像幾何定位過程中，控制點、連接點及檢核點的分布；圖2b)研究區域內雷納冰川的位置，冰川流速圖來自Rignot發布于2011年[8]。

3 實驗過程

本實驗中所用衛星影像由早期膠卷掃描得到，由于年代久遠，攝影材料不可避免的發生了比較嚴重的變形。二階糾正模型被證明是糾正攝影材料變形的最優變形改正模型[9]，因此，首先利用二階糾正模型對影像進行糾正。然后根據相機檢校文件提供的相機鏡頭畸變參數對影像的鏡頭畸變進行糾正。另外為了提高影像匹配的可靠性和精度，利用Wallis濾波對影像進行增強處理。在影像匹配之前，首先，利用影像相對定向元素計算兩張影像的投影矩陣，投影矩陣表示三維物方坐標與影像坐標的關系。

在核線影像的基礎上，利用密集匹配方法進行影像匹配[10]，共得到4 565 510對匹配點，匹配點在原始影像上的分布如圖3所示。

利用鏡頭畸變校正后的影像在ERDAS IMAGINE軟件的徠卡攝影測量套件(LPS)中利用6個地面控制點和18個連接點進行立體模型的幾何定位，點位分布見圖2a)。另外在研究區域選取5個檢核點檢驗幾何定位的精度，定位精度如表3所示，從表3中可以看出dx的均值最大有116.61 m，但仍然小于影像原始分辨率(140 m)，其他評價參數均小于半個像素，達到了較高的精度。

表3 幾何定位精度 m

最后，剔除誤匹配點，最終經過插值得到該區域的三維地形，見圖4。

4 結語

本文利用1960年的解密衛星影像，利用密集匹配方法，通過影像預處理與立體絕對嚴密幾何定位，建立了南極雷納冰川區域的三維地形。利用該地形數據可以通過計算匯水及坡度方向圖來預測冰川流動的方向，為進一步研究該地區1960年的冰川流速及物質流失提供了基礎，為南極及全球氣候變化的研究提供了有力的數據。

[1] 陳立奇.南極和北極地區在全球變化中的作用研究[J].地學前緣,2002,9(2):245-253.

[2] Turner J,Bindschadler R,Convey P,et al.Antarctic climate change and the environment[Z].2009.

[3] 陳立奇.南極和北極地區變化對全球氣候變化的指示和調控作用——第四次IPCC評估報告以來一些新認知[J].極地研究,2013,25(1):1-6.

[4] 肖 峰,張勝凱,鄂棟臣,等.四種南極數字高程模型的精度比較與分析[J].冰川凍土,2014,36(3):640-648.

[5] Fowler M J F.Declassified intelligence satellite photographs[M].Archaeology from Historical Aerial and Satellite Archives.Springer New York,2013:47-66.

[6] Mi H,Qiao G,Li T,et al.Declassified Historical Satellite Imagery from 1960s and Geometric Positioning Evaluation in Shanghai,China[M].Geo-Informatics in Resource Management and Sustainable Ecosystem.Springer Berlin Heidelberg,2015:283-292.

[7] Bindschadler R,Seider W.Declassified intelligence satellite photography (DISP) coverage of Antarctica[Z].1998.

[8] Rignot E,Mouginot J,Scheuchl B.Ice flow of the Antarctic ice sheet[J].Science,2011,333(6048):1427-1430.

[9] Ye W,Qiao G,Kong F,et al.RIGOROUS GEOMETRIC MODELLING OF 1960s ARGON SATELLITE IMAGES FOR ANTARCTIC ICE SHEET STEREO MAPPING[J].ISPRS Annals of Photogrammetry,Remote Sensing & Spatial Information Sciences,2016,3(3)：96.

[10] Rothermel M,Wenzel K,Fritsch D,et al.SURE:Photogrammetric surface reconstruction from imagery[A].Proceedings LC3D Workshop[C].Berlin，2012.

The 3D terrain reconstruction of south pole Rayner Glacier region based on early satellite image

Tang Guanjie

(SurveyingandGeoInformationSchool,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Using the south pole decryption satellite image in 1960s, through the image preprocessing and three-dimensional model geometric positioning and dense matching, established the 3D terrain of south pole Rayner Glacier region, laid foundation for further research on glacier velocity and mass balance in 1960s of this area.

decryption satellite image, dense matching, geometric localization, 3D terrain

1009-6825(2017)01-0220-03

2016-10-29

唐冠杰(1992- )，男，在讀碩士

TU198

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