基于Landsat-8影像的2018—2021年音蘇蓋提冰川表面流速監測

王凱，孫永玲，孫世金，劉曉

（山東理工大學建筑工程學院，山東 淄博 255022）

0 引言

山地冰川是全球氣候變化的敏感指示器［1-2］，20世紀90年代以來，全球氣溫升高導致冰川加速消融，冰川表面流速是研究冰川動力學的重要參數，因此監測冰川流速變化變得至關重要［3-4］。但山地冰川地處偏遠、自然條件惡劣、人力測量成本昂貴等使實地監測變得困難，遙感技術的發展為冰川監測提供了低成本、大范圍、高效率等有利監測條件［5］，特別是光學遙感監測具有視野廣闊、獲取信息量多、適應性強、可用于動態監測等突出優點，已廣泛應用于全球范圍內的冰川流速提取［6］。

冰川躍動是一種特殊的冰川運動現象，是冰川不穩定性的一種表現形式［7］。冰川在躍動期一般表現出冰川表面流速比平靜期流速增大數十倍甚至數百倍［8］、冰川厚度在積累區減薄，消融區增厚和冰川末端前進等特征［9］。冰川躍動可能阻塞河流而引起水災或冰川滑入阻塞湖引發冰湖潰決洪水，嚴重威脅下游區域人們的生命財產安全［10-11］。因此，研究躍動冰川運動特征對預警冰川躍動導致的冰川災害具有重要的意義［12-13］。Copland等［14］確定音蘇蓋提冰川為躍動型冰川，并發現該冰川含有大量折疊狀的冰磧物、冰川末端前進5 km，該冰川第一次躍 動發 生 在1973年 或 者更 早［15］。Sun等［16］根據Landsat ETM+數據獲取音蘇蓋提冰川1996—2006年的年平均冰川流速，發現音蘇蓋提冰川在1996—2003年流速保持在20～80 m·a-1，2004—2006年冰川流速整體變大，流速最大約為100 m·a-1。蔣宗立等［17］利用ALOS PALSAR數據估計2007—2009年音蘇蓋提冰川流速，發現音蘇蓋提冰川主冰川年平均流速約為100 m·a-1，而南支流比較活躍，冰川流速較大（流速最大約為350 m·a-1）。Rankl等［18］利用ALOS PALSAR和TerraSAR-X數據提取喀喇昆侖區域流速，發現音蘇蓋提冰川在2003—2009年年平均流速相對較低（流速最大約為109 m·a-1），而2009—2011年年平均流速開始變大，該冰川在2011年發生躍動，最大冰川流速約為547 m·a-1。

本文以中國境內面積最大的音蘇蓋提冰川為研究區，選取了2018年1月1日—2021年11月16日20對Landsat-8影像，利用光學影像特征追蹤方法提取音蘇蓋提冰川表面流速，評估流速不確定性，并分析音蘇蓋提冰川流速的時空變化特征，此外，本文還利用ITS_LIVE數據分析了音蘇蓋提冰川北支流（西）、南支流、北支流（東）的流速時間變化特征及最大流速與其高程分布。

1 研究區域和數據

1.1 研究區域

音蘇蓋提冰川（35°55′～36°15′N，75°55′～76°21′E），位于中國新疆喀喇昆侖山脈喬戈里峰的北坡（圖1），總長約42 km，冰舌長約4 200 m，面積達390 km2，最高海拔約7 050 m，冰川末端海拔約4 000 m，是中國面積、儲冰量最大的山谷冰川［19-20］。地形上呈NWW-SEE走向，該冰川是由4條主要支流和10余條小支流匯合而成的樹枝狀山谷冰川，該區域屬于典型大陸型氣候，氣溫較低，降水稀少［21］。

圖1 音蘇蓋提冰川位置（黑色實線為音蘇蓋提冰川邊界，白色實線為冰川中心線，白色虛線是冰川橫剖面線，底圖是2018年4月7日獲取的Landsat-8影像）Fig.1 Location of Skamri Glacier（The black solid line is the border of Skamri Glacier.The white solid line is the central line of Skamri Glacier.The white dotted line is the glacier cross section.The background is Landsat-8 image from April 7，2018）

1.2 數據

本文選取L1T（Level 1T）完全覆蓋音蘇蓋提冰川的Landsat-8 OLI全色波段影像數據，數據全部來源于美國地質調查局（USGS）（https：//earthexplorer.usgs.gov/）。OLI傳感器的全色波段數據空間分辨率為15 m，衛星每16天可以實現一次全球覆蓋［22］。本文選取云覆蓋率小10%的影像，以消除云覆蓋對冰川流速提取的影響，共計有20對Landsat-8影像用于提取2018年1月1日到2021年11月16日音蘇蓋提冰川表面流速（表1）。

表1 覆蓋音蘇蓋提冰川的Landsat-8數據Table 1 Landsat-8 images covering Skamri Glacier

SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）是美國奮進號航天飛機利用成像雷達于2000年2月11日至22日成功獲取60°N至56°S間80%的陸地面積，對原數據處理后，獲取平面精度±20 m，高程精度±16 m的全球數字高程模型（DEM）［23］。公開發布SRTM數字高程產品由美國國家航空航天局（NASA）（https：//earthexplorer.usgs.gov/）提供。由SRTM獲取的DEM數據有30 m和90 m兩種分辨率的產品［24］。本文選取的是SRTM 30 m DEM數據，用以獲取音蘇蓋提冰川的表面高程。

2 方法

2.1 冰川邊界提取

冰川邊界是描述冰川位置和規模的重要特征，也是監測冰川變化信息的重要參數。目前冰川邊界提取有目視解譯和計算機解譯兩種方法。本文結合了全球冰雪中心（http：//www.glims.org/）發布的RGI 6.0（Randolph Glacier Inventory）［25］冰川邊界數據為基礎，結合音蘇蓋提冰川區域2018年1月1日—2021年11月16日的Landsat-8影像數據，采用目視解譯方法對冰川邊界進行調整，確定音蘇蓋提冰川邊界。

2.2 冰川流速提取

本文利用光學影像特征追蹤方法提取音蘇蓋提冰川表面流速，其方法的基本原理是對于不同時期冰川表面的遙感影像進行相關性分析。由于冰川表面特征點是隨冰川一起運動的，計算兩景影像特征點移動的位移，即可獲取冰川表面流速［26-27］。圖2為提取音蘇蓋提冰川年平均流速的流程圖。由于本文選取的L1T數據已經進行過輻射校正和地面控制點幾何校正，所以本文中的Landsat-8影像數據均不需要做正射校正，只需做影像配準和互相關計算。本文利用ENVI軟件對獲取時間較早的Landsat-8數據為參考影像，并以獲取時間較晚的影像為匹配影像進行配準，并利用COSI-Corr（Co-registration of Optically Sensed Images and Correlation）軟件采用頻率域互相關算法對配準后的影像對進行互相關計算，獲取音蘇蓋提冰川東西向和南北向偏移量和信噪比［28-29］。在互相關計算中，首先以初始窗口進行互相關計算，得到像素級的冰川偏移量，再以最終窗口進行互相關計算得到冰川亞像素級偏移量。本文初始搜索窗口設為128×128（像元），最終搜索窗口為64×64（像元），步長設為2（像元），最終獲得30 m分辨率的東西向和南北向偏移量。根據光學影像特征追蹤方法計算出偏移量的結果存在粗大誤差，首先將結果中大于3倍標準差的異常值剔除，此外，利用COSI-Corr軟件中的非局部均值濾波對冰川流速結果進行濾波處理，非局部均值濾波對圖像中具有相同性質的區域進行分類并加權平均達到降噪效果，本文將搜索區域的窗口大小設為21×21像元，將鄰域塊大小設為7×7像元，噪聲參數H設為1.6倍的標準差。最后根據濾波后的東西向和南北向偏移量以及影像對間隔時間獲取音蘇蓋提冰川年平均流速。

圖2 光學影像特征方法提取冰川表面流速流程圖Fig.2 Flow chart showing how to derive the glacier surface flow velocity by using optical image feature tracking

由于音蘇蓋提冰川位于地形復雜的高海拔偏遠山區，受到惡劣的自然條件限制，很難獲得實測數據來對遙感影像所獲取的表面流速進行驗證。理論上，進行互相關計算時，冰川穩定區域（冰川內和周邊基巖露頭）不會產生偏移量，因此，可利用冰川穩定區域的偏移量來評估冰流結果的不確定性。其公式如下：

式中：eoff為冰川穩定區偏移量的誤差；MED為冰川穩定區偏移量的平均值；SE為冰川穩定區偏移量的標準誤差，其具體計算

式中：STDV為冰川穩定區偏移量平均值的標準差；Neff為空間非相關像元個數，其計算公式如下：

式中：Ntotal為冰川穩定區像元的總數；PS為像元分辨率；D為空間相關的最大距離，空間相關的最大距離一般是像元分辨率的20倍［30］。通過上述方法，本文提取的音蘇蓋提冰川表面流速不確定性約為12 m·a-1。

3 結果分析

本文利用獲取的2018—2021年20對完全覆蓋音蘇蓋提冰川遙感影像數據，采用頻率域互相關算法，得到了年平均流速圖（圖3～5）。從圖中看出，冰川流速從冰川上游到冰川下游逐漸減小，冰川中心流速比冰川邊緣流速大，符合冰川運動規律。冰川末端由于氣溫高、海拔低和坡度小的原因導致末端冰消融強烈，幾乎監測不到末端流速，所以冰川末端流速接近零［21］。如圖所示，2018年1月到2019年6月，音蘇蓋提冰川南支流（圖1的B-B'）年平均流速（最大達到441 m·a-1）大于北支流（西）（圖1的AA'）年平均流速（最大達到138 m·a-1），而在2019年6月到2021年11月，北支流（西）年平均流速（最大達到1 008 m·a-1）大于南支流年平均流速（最大達到413 m·a-1）。音蘇蓋提冰川北支流（東）在2021年7月流速明顯增大（流速最大達到280 m·a-1），可能發生躍動。此外，通過流速圖發現，主冰川流速沒有明顯變化。

圖3 2018年1月—2019年6月音蘇蓋提冰川年平均流速（m·a?1），底圖為SRTM DEM山影效果圖Fig.3 Annual mean velocity（m·a?1）of Skamri Glacier from January 2018 to June 2019 overlaid on the hillshade image of SRTM DEM

為了進一步分析冰川流速的時間變化特征，本文提取了音蘇蓋提冰川北支流（西）中心線流速隨時間的變化（圖6）。音蘇蓋提冰川北支流（西）流速在2018年1月—2019年6月相對比較穩定，流速最大約為138 m·a-1，而從2019年6月，北支流（西）冰川流速突然增大，流速最大達到333 m·a-1，流速持續增大到2020年7月，流速最大達到1 008 m·a-1［距北支流（西）冰川末端（圖1的A'）4 500 m處］，是2018年1月份流速的7倍。隨后流速開始減小，到2021年11月流速減小到300 m·a-1，但此時流速仍是2018年1月份流速的2倍。根據北支流（西）中心線流速變化，可推斷音蘇蓋提冰川北支流（西）在2019年6月末開始發生躍動，至2021年11月仍處于躍動期。

圖6 2018—2021年音蘇蓋提冰川北支流（西）中心線流速圖（中心線位置見圖1的A-A'剖面線）Fig.6 Annual velocity profiles along the centerline from terminus to up-glacier of the north（west）Skamri Glacier from 2018 to 2021（The location of the central line is marked in Fig.1 A-A'）

為了分析研究時間段內冰川末端變化，本文利用Landsat-8影像展示了音蘇蓋提冰川北支流（西）冰川末端變化（圖7）。在2018年8月—2020年8月期間，北支流（西）的冰川末端沒有明顯變化，在此之后，該支冰川末端緩慢前進，并出現了支流末端變寬的現象，至2021年9月，北支流（西）冰川末端較2018年8月前進了約320 m。

圖7 2018—2021年音蘇蓋提冰川北支流（西）冰川末端變化Fig.7 The changes of terminus in the north（west）of Skamri Glacier from 2018 to 2021

圖8為音蘇蓋提冰川南支流的中心線流速隨時間變化圖。如圖所示，2018年1—5月，南支流冰川流速明顯增大，最大流速從342 m·a-1增大到441 m·a-1，隨后流速開始減小，至2020年1月，流速減小到340 m·a-1，而從2020年1月—2021年2月，冰川流速持續增大，流速最大約為413 m·a-1，之后流速又開始減小，到2021年11月，流速約為299 m·a-1，音蘇蓋提冰川南支流在研究時段內流速一直比較活躍。

圖8 2018—2021年音蘇蓋提冰川南支流中心線流速圖（中心線位置見圖1的B-B'剖面線）Fig.8 Annual velocity profiles along the centerline from terminus to up-glacier of the south Skamri Glacier from 2018 to 2021（The location of the central line is marked in Fig.1 B-B'）

為了分析各支流對主冰川流速的影響，本文提取了音蘇蓋提冰川主冰川橫剖面線流速（圖9）。通過T1、T2橫剖面線流速變化發現，北支流（西）發生躍動之前，主冰川在北支流（西）匯入之前流速沒有增大反而減小，最大流速從45 m·a-1減小到14 m·a-1［圖9（a）］，而當北支流（西）發生躍動后，主冰川流速整體變大，并且橫剖面T2流速（最大流速為100 m·a-1）大于T1的流速（最大流速為76 m·a-1）［圖9（c）］，顯然，北支流（西）的躍動影響了主冰川的流速；從圖9（a）和9（b）中的T3、T4橫剖面線流速變化發現，北支流（東）匯入前后對主冰川流速沒有明顯變化，但2021年10月，北支流（東）匯入主冰川之后，主冰川最大流速從53 m·a-1增大到73 m·a-1，可能跟北支流（東）發生躍動有關；通過T5、T6橫剖面線流速變化發現，南支流匯入后主冰川流速增大，由此可推斷，音蘇蓋提冰川主冰川流速受南支流影響，此外，北支流躍動會導致主冰川流速變大。

圖9 音蘇蓋提冰川主冰川橫剖面線圖，流速為2018年11月—2019年3月（a）、2020年11月—2021年11月（b）、2021年10月—2021年11月（c），T1、T2、T3、T4、T5和T6橫剖面線位置見圖1Fig.9 The cross-sectional diagram of Skamri main glacier shows the annual average velocity from November 2018 to March 2019（a），from November 2020 to November 2021（b），and from October 2021 to November 2021（c）.The positions of T1，T2，T3，T4，T5 and T6 cross-sectional lines are shown in Fig.1

表2為音蘇蓋提冰川主冰川和各支冰川在研究時間段內的流速最大值及其高程分布。主冰川在2018年1—3月最大流速高程分布在4 980 m處，2018年3月—2020年1月最大流速高程上升到5 410 m處，隨后最大流速高程又降低到4 980 m處，在2021年11月，最大流速高程分布約在5 410 m處；南支流在2018年1月—2021年11月最大流速的高程分布相對比較穩定，高程分布在4 860～4 960 m之間；北支流（西）在2018年1月—2020年7月最大流速的高程從5 058 m逐漸降低到5 001 m，隨后又開始上升，在2021年11月，最大流速的高程約為5 106 m；北支流（東）在2018年1月—2021年11月，最大流速的高程分布在5 150～5 300 m之間。

表2 音蘇蓋提冰川主冰川和各支冰川流速最大值及其高程分布Table 2 Maximum velocity and elevation distribution of Skamri main glacier and its branches

圖4 2019年6月—2021年2月音蘇蓋提冰川年平均流速（m·a?1），底圖為SRTM DEM山影效果圖Fig.4 Annual mean velocity（m·a?1）of Skamri Glacier from June 2019 to February 2021 overlaid on the hillshade image of SRTM DEM

圖5 2021年2月—2021年11月年音蘇蓋提冰川年平均流速（m·a?1），底圖為SRTM DEM山影效果圖Fig.5 Annual mean velocity（m·a?1）of Skamri Glacier from February 2021 to November 2021 overlaid on the hillshade image of SRTM DEM

在空間上，主冰川和各支流冰川最大流速高程分布也存在差異。在2018年1—3月和2019年11月—2021年10月期間，北支流（東）最大流速的高程高于主冰川，南支流以及北支流（東）；而在2018年3月—2019年11月和2021年10—11月期間，主冰川最大流速的高程高于其他三條支流冰川。對于該區域流速最大值高程分布的時空差異的原因需要將來更多的研究去探討。

4 討論

ITS_LIVE數 據［31］（The inter-mission time series of land ice velocity and elevation）來源于NASA“研究環境制作地球系統數據記錄2017”項目（https：//its-live.jpl.nasa.gov/），該數據包含高亞洲地區1985—2018年逐年冰川流速數據，本文選取2013—2018年流速數據來研究音蘇蓋提冰川表面運動。圖10（a）～（f）是基于ITS_LIVE數據獲取的2013—2018年的年均流速圖，圖10（g）～（i）是基于Landsat-8數據提取的2019—2021年的年平均流速圖。根據ITS_LIVE流速結果和年平均流速結果發現2013—2016年北支流（西）流速相對穩定，最大流速介于55～74 m·a-1之間，從2017年流速緩慢增大，到2020年流速達到最大（流速約為811 m·a-1）。通過年平均流速變化可發現，北支流（西）在2019年3月—2021年11月期間發生躍動。劉星月等［32］利用2015—2016年Sentinel-1數據提取音蘇蓋提冰川表面流速，發現北支流（西）上部積累區在2016年5月至6月期間速度突增，最高流速達534 m·a-1，而本文發現音蘇蓋提冰川北支流（西）在2016年整體年平均流速都較小［圖10（d）］，因此推斷北支流（西）在2016年5月至6月可能是由于雪崩導致的流速增大。

圖10 音蘇蓋提冰川2013—2018年ITS_LIVE流速（a）～（f），2019年3月—2021年11月年平均流速（g）～（i）Fig.10 ITS_LIVE Velocity（a）～（f）from 2013 to 2018，and mean annual velocity（g）～（i）from March 2019 to November 2021 of Skamri Glacier

此外，音蘇蓋提冰川主冰川流速在2013年較大，最大流速達到172 m·a-1，隨后流速開始減小，一直減小到2015年（最大流速約為133 m·a-1），2015年之后流速沒有明顯變化，流速介于108～133 m·a-1之間。音蘇蓋提冰川北支流（東）在2013—2019年3月流速較穩定，最大流速介于33～63 m·a-1之間，從2019年3月流速開始增大，2021年11月流速達到之前的兩倍（最大流速為121 m·a-1），因此可判斷北支流（東）發生躍動。音蘇蓋提冰川南支流在2013—2021年期間流速比較活躍，但沒有明顯變化，最大流速介于349～358 m·a-1之間。

續表2

5 結論

本文基于頻率域互相關算法提取了音蘇蓋提冰川2018年1月1日—2021年11月16日20期冰川表面流速，分析了音蘇蓋提冰川流速的時空變化特征，根據研究結果得出以下結論：

（1）音蘇蓋提冰川流速存在空間差異，在2018年1月—2019年6月期間，音蘇蓋提冰川南支流流速遠大于其北支流（西）流速，而2019年6月北支流（西）發生躍動后，改變了空間流速分布，呈現北支流（西）流速大于南支流流速。

（2）根據冰川流速隨時間的變化，本文首次通過冰川流速發現北支流（西）和北支流（東）發生躍動，北支流（西）冰川在2019年6月—2021年11月處于躍動期，且該支流冰川末端在2020年8月開始緩慢向主冰川推進，至2021年9月，約向主冰川推進320 m；而北支流（東）在2021年7—11月可能發生躍動。

（3）通過研究時間段內冰川橫剖面線流速變化發現，音蘇蓋提冰川主冰川流速在南支流匯入后明顯增大，此外，兩條北支流的躍動也會導致主冰川流速增大。

（4）音蘇蓋提冰川主冰川和各支流冰川最大流速的高程分布在時間上和空間上均存在差異，將來需要更多的研究去探討時空差異的原因。