论高分三号卫星在极地冰区导航的运用范文

摘要：针对面向极地冰区船舶航行导航的需求，利用我国第一颗民用合成孔径雷达卫星高分三号（GF－3）数据，通过定量化统计分析，开展了GF－3号标准条带模式数据在极地冰区应用潜力的评估。结果表明，GF－3号标准条带数据能较好地反映冰面的纹理，HH极化在图像层次和信息量上要优于HV极化；在图像的层次表达方面，GF－3／HV极化数据优于Radarsat－2／HV数据，GF－3／HH极化数据不如Radarsat－2／HH极化数据；GF－3数据能较好地反映南极冰区的纹理和类型特征，对于冰山、冰裂隙等冰上障碍具有较好的识别能力，对极地冰区导航和冰上卸货具备较好的应用效果。

关键词：高分三号；雪龙船；图像质量；海冰；极地

引言

南极是地球系统的重要组成部分，在全球气候变化中具有重要地位和作用，我国自20世纪80年代以来，先后在南极建立了长城站、中山站、昆仑站和泰山站［1－2］，每年11月初至次年4月，依托雪龙船往返国内和南极考察站之间开展科学考察和考察站点的物资补充。雪龙船在航途中有两大危险区，一是西风带，二是南极冰区［3］，而中山站外海的固定冰对雪龙船进出中山站则构成了最大的障碍［4］。合成孔径雷达卫星（SAR）具有全天时、全天候的成像特征，作为一种高效、经济的手段可提供大范围的冰情分布和变化信息。在北半球许多国家，SAR数据已经成为一种常用的数据源用于冰区船舶导航。加拿大海冰服务中心自1991年开始利用ERS－SAR数据为加拿大结冰海区提供冰情服务［5］；芬兰气象研究所于1992年利用SAR数据为波罗的海海区提供冰区导航服务信息［6］；芬兰VTT技术研究中心（VTTTechnicalResearchCentreofFinland）以星载SAR数据作为主要数据源，为波罗的海破冰船开发了一套冰区导航辅助系统，该系统基于GIS系统，同时可叠加最新的气象环境、海洋环境及AIS资料，开展冰区航线的制定［7］；Danduran等人［8］首次利用近实时的Radarsat数据为德国的南极科考船提供冰区航行线路制定。高分三号（GF－3）卫星是高分辨率、全极化合成孔径（SAR）卫星，于2016年8月10日6时55分由长征四号丙型运载火箭在太原卫星发射中心成功发射。目前，该卫星是“国家高分辨率对地观测系统重大专项”中唯一的民用微波遥感成像卫星，设计有12种成像模式，分辨率1～500m，幅宽10～650km，能全天候、全天时的开展海洋、陆地资源监测，为我国海洋权益维护与海洋开发、陆地环境与水资源监测管理、灾害天气与气候变化等提供有力保障。本文在雪龙船第33次南极考察中山站卸货期间，首次利用高分三号SAR数据，对卸货线路上的固定冰冰情开展了分析，探讨高分三号卫星在极地冰区导航方面的可行性。

1数据与预处理

为了获取第33次南极考察雪龙船中山站卸货期间沿途冰情特征，本文获取了2016年11月30日22：15（UTC）成像的冰区C波段高分三号标准条带（SS）模式数据，影像分辨率为25m、幅宽130km，HH／HV双极化，产品级别为2级，经过系统几何校正和地图投影。为提高影像的定位精度，以2016年11月26日获取的该区域Landsat－8卫星正射影像为底图，在沿岸裸岩及冰架区域选取了典型控制点对GF－3卫星L2级数据采用一次多项式进行了精校正，校正误差优于2个像素，投影坐标系采用UTM－43S，图1为精校正后的GF－3数据经HH、HV和HH／HV假彩色合成后的效果。同时，为了开展图像质量对比分析，在第33次南极考察雪龙船停靠中山站开展卸货期间还获取了一景2016年11月28日22：49（UTC）Radarsat－2的8m精细宽模式数据（表1）。

2影像质量分析

为了评价GF－3卫星的数据质量，分别采用目视和信息统计的方法，通过与Radarsat－2数据开展了比对与评价。

2．1影像视觉效果选取了图像中的固定冰区域开展影像质量比对分析，图2、图3分别为GF－3、Radarsat－2卫星获取的HH极化、HV极化下的固定冰冰区数据。通过目视判读比较，GF－3卫星标准条带模式数据和Radarsat－2精细宽模式数据在HH极化方式下均能较好地体现冰区类型和纹理特征，但HV极化方式下GF－3卫星较Radarsat－2数据对冰面纹理特征的显示效果更好。

2．2影像统计特征图像的统计特征包括直方图、标准差、信息熵等，不同的统计特征对图像质量评价具有一定的指导意义。直方图反映了图像的信息量及分布特征，标准差反映了图像信息层次大小，标准差越大说明图像层次感越强，信息熵则是衡量图像信息丰富程度的一种重要指标，信息熵越大说明图像信息越丰富［9］。通过将GF－3卫星和Radarsat－2卫星进行后向散射计算并进行归一化标准化处理，统计特征区域影像值，得到统计特征。从图4的直方图统计可以看出，HH极化较HV极化的DN值分布区间更大，在影像上地物间的差异HH极化会更明显，同一卫星的HH极化较HV极化的平均值分布上也更大，图像视觉上表现为HV影像偏暗，因此，在地物类型的征识别上HH极化影像较HV极化更有优势。表2为影像的统计特征值，通过统计发现Radarsat－2／HH极化数据标准差大于GF－3／HH极化数据标准差，而HV极化数据标准差则是GF－3数据大于Radarsat－2，这说明在图像细节的层次方面，Radarsat－2／HH极化数据要优于GF－3／HH极化数据，而GF－3／HV极化数据则优于Radarsat－2／HV数据。信息熵统计结果表明，Radarsat－2卫星HH极化和HV极化数据分别略大于GF－3卫星HH极化和HV极化数据，说明Radarsat－2数据信息量较好。

3冰区影像应用能力分析

利用SAR数据不同的极化通道，采用影像合成技术能增强数据的可视化效果，更好地用于专家判读或机器解译［10］。图1为冰区RGB假彩色合成影像，采用GF－3数据HH、HV和HH／HV极化数据合成，影像上雪龙船位置、浮冰、固定冰、冰裂隙、冰山、中山站周边的裸岩区等特征清晰可见，图中区域1为浮冰区、区域2和区域3均为固定冰区，但区域2的冰面粗糙、冰况复杂，区域3的冰面较平整。雷达影像反映了地物对雷达波的散射强弱，地物散射信号强则影像上较亮，反之则暗，不同的极化方式对散射信号的反映也各不相同，HH极化数据因其对表面散射特性较为敏感，对于区分新冰、灰冰等海冰类型具有较好的优势，尽管HV极化对于区分一年冰和多年冰较好，但对于区分新冰、平整冰等一年冰的类型存在困难［11］。为更好地分析雷达影像对于冰区的特征反映，以下采用HH极化数据对选取的典型特征区域（图1中A～G处）来开展冰区应用评价，同时也选取了对应特征区域的Landsat－8和Radarsat－2卫星数据作为对比。1）雪龙船影像特征。雪龙船因其金属构造，介电特性较强，以及角散射效应，雷达散射信号较强，在图像（图1中B处、图5）上显示为亮点目标。雪龙船在固定冰区进行破冰航行，冰面破碎而形成粗糙表面，增大了雷达波的散射轻度，在雷达影像上显示出一条较为明亮的线条。2）浮冰影像特征。漂浮在海面上的冰称为浮冰，会受风浪的影响而运动。聚集在近岸的浮冰（图1中A处）受到潮汐、波浪等因素的影响相互碰撞挤压而破碎，相对于海面，这些破碎的浮冰具有较强的雷达散射信号，在影像上偏亮且呈大小不一的几何形状，因3个卫星成像时间存在2至4天的差异，而浮冰随时间变化较大，图6只能反映浮冰在不同传感器上的成像特征。3）乱冰区影像特征。乱冰区位于区域2（图1中C处）的固定冰区，该区域冰面特征情况复杂，由沿岸平整固定冰随潮汐运动脱落后，相互挤压破碎后与沿岸平整固定冰再冻结而形成，因此该区域的冰面特征在雷达影像上形成了亮、暗交错的特征，暗色区域代表冰面特征较为平整，亮的区域表示冰面相互挤压形成的冰脊或是海冰间相互冻结后形成的粗糙表面（图7）。图6浮冰雷达影像图7乱冰区雷达影像4）平整冰区影像特征。沿岸平整固定冰一般都依附海岸，海水从海岸向外海逐渐冻结而成，与海岸牢牢的冻结在一起，随着气温降低，厚度会增加，在雷达影像（图1中E处）上表现出较均匀的散射强度（图8）。5）冰缝影像特征。冰缝是沿岸固定冰受潮汐影响在垂直方向受力不均断裂形成（图1中D处），这些缝隙宽度大小不一，有些会碰撞挤压后冻结形成冰脊，有些会分开形成缝隙，根据不同的形成特征在雷达影像上表现出明或暗的条带，长度能达数几公里至数十公里，对于冰上行驶有一定的危险性（图9）6）冰山影像特征。冰山是陆源冰架崩解后漂浮在海面而形成（图1中F处），一些大的冰山会持续一年甚至更长时间。根据卫星影像显示，中山站外海固定冰区有大量大小不一的冰山，这些冰山大多持续了一个夏季，当冬季来临后与沿岸固定冰冻结在一起，因其大多高于冰面，而在冰层表面形成一座座小山。根据SAR的侧视成像特性，朝向观测面的具有较亮的影像显示特征，背朝观测方向的会有观测盲区而形成阴影暗区（图10）。7）陆地影像特征。南极海岸的裸露地（图1中G处）相对于平整冰具有较粗糙的表面，对雷达散射信号相对更强，但裸露地会受地形起伏影响，在雷达影像根据不同的明暗程度能反映出地形变化特征。一般而言，朝向雷达波观测的坡面具有更大的信号散射特征在影像上表现为亮的区域，背向雷达波观测面信号散射特征较小在影像上表现为暗的区域（图11）。

4结束语

GF－3的成功发射和运行为我国各行业应用提供大量多极化合成孔径雷达（SAR）数据，这些数据分辨率从1～500m，能满足不同行业用户的应用需求。在第33次南极考察雪龙船停靠中山站外海冰区开展卸货期间，本文获取了一景高分三号标准条带数据，开展了卫星数据在极地冰区导航的应用潜力评价与分析，得出如下结论：1）GF－3号标准条带HH和HV数据极化方式的数据均能较好地反映冰面的纹理，但HH极化方式下的标准差和信息熵均大于HV极化，表明HH极化在图像层次和信息量上要优于HV极化。2）通过对GF－3卫星数据和Radarsat－2卫星数据的定量统计特征分析表明，在图像的层次表达方面，Radarsat－2／HH极化数据要优于GF－3／HH极化数据，而GF－3／HV极化数据则优于Radarsat－2／HV数据。信息量方面，Radarsat－2／HH极化和HV极化数据分别优于GF－3／HH极化和HV极化。3）通过GF－3标准条带影像冰区应用能力分析，表明GF－3数据能较好地反映南极冰区的纹理和类型特征，对于冰山、冰裂隙等冰上障碍具有较好的识别能力，对极地冰区导航和冰上卸货具备较好的应用效果。

参考文献

［2］陈立奇．南极考察回顾及今后极地研究展望［J］．地球科学进展，1997，12（2）：127－133．

［3］邹斌，解思梅，郝春江，等．船载卫星遥感图象处理系统在南北极科学考察中的应用［J］．极地研究，2000，12（4）：291－300．

［4］雷瑞波，李志军，张占海，等．南极中山站附近海域固定冰的夏季变化［J］．极地研究，2007，19（4）：275－284．

［9］马士彬，安裕伦，张跃红．HJ－A遥感卫星CCD数据质量评价［J］．六盘水师范学院学报，2014（2）：38－42．

作者：曾韬 石立坚 刘建强 袁新哲 单位：国家卫星海洋应用中心