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摘要：針對面向極地冰區船舶航行導航的需求，利用我國第一顆民用合成孔徑雷達衛星高分三號（GF－3）數據，通過定量化統計分析，開展了GF－3號標準條帶模式數據在極地冰區應用潛力的評估。結果表明，GF－3號標準條帶數據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于HV極化；在圖像的層次表達方面，GF－3／HV極化數據優于Radarsat－2／HV數據，GF－3／HH極化數據不如Radarsat－2／HH極化數據；GF－3數據能較好地反映南極冰區的紋理和類型特征，對于冰山、冰裂隙等冰上障礙具有較好的識別能力，對極地冰區導航和冰上卸貨具備較好的應用效果。

關鍵詞：高分三號；雪龍船；圖像質量；海冰；極地

引言

南極是地球系統的重要組成部分，在全球氣候變化中具有重要地位和作用，我國自20世紀80年代以來，先后在南極建立了長城站、中山站、昆侖站和泰山站［1－2］，每年11月初至次年4月，依托雪龍船往返國內和南極考察站之間開展科學考察和考察站點的物資補充。雪龍船在航途中有兩大危險區，一是西風帶，二是南極冰區［3］，而中山站外海的固定冰對雪龍船進出中山站則構成了最大的障礙［4］。合成孔徑雷達衛星（SAR）具有全天時、全天候的成像特征，作為一種高效、經濟的手段可提供大范圍的冰情分布和變化信息。在北半球許多國家，SAR數據已經成為一種常用的數據源用于冰區船舶導航。加拿大海冰服務中心自1991年開始利用ERS－SAR數據為加拿大結冰海區提供冰情服務［5］；芬蘭氣象研究所于1992年利用SAR數據為波羅的海海區提供冰區導航服務信息［6］；芬蘭VTT技術研究中心（VTTTechnicalResearchCentreofFinland）以星載SAR數據作為主要數據源，為波羅的海破冰船開發了一套冰區導航輔助系統，該系統基于GIS系統，同時可疊加最新的氣象環境、海洋環境及AIS資料，開展冰區航線的制定［7］；Danduran等人［8］首次利用近實時的Radarsat數據為德國的南極科考船提供冰區航行線路制定。高分三號（GF－3）衛星是高分辨率、全極化合成孔徑（SAR）衛星，于2016年8月10日6時55分由長征四號丙型運載火箭在太原衛星發射中心成功發射。目前，該衛星是“國家高分辨率對地觀測系統重大專項”中唯一的民用微波遙感成像衛星，設計有12種成像模式，分辨率1～500m，幅寬10～650km，能全天候、全天時的開展海洋、陸地資源監測，為我國海洋權益維護與海洋開發、陸地環境與水資源監測管理、災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SAR數據，對卸貨線路上的固定冰冰情開展了分析，探討高分三號衛星在極地冰區導航方面的可行性。

1數據與預處理

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C波段高分三號標準條帶（SS）模式數據，影像分辨率為25m、幅寬130km，HH／HV雙極化，產品級別為2級，經過系統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日獲取的該區域Landsat－8衛星正射影像為底圖，在沿岸裸巖及冰架區域選取了典型控制點對GF－3衛星L2級數據采用一次多項式進行了精校正，校正誤差優于2個像素，投影坐標系采用UTM－43S，圖1為精校正后的GF－3數據經HH、HV和HH／HV假彩色合成后的效果。同時，為了開展圖像質量對比分析，在第33次南極考察雪龍船停靠中山站開展卸貨期間還獲取了一景2016年11月28日22：49（UTC）Radarsat－2的8m精細寬模式數據（表1）。

2影像質量分析

為了評價GF－3衛星的數據質量，分別采用目視和信息統計的方法，通過與Radarsat－2數據開展了比對與評價。

2．1影像視覺效果選取了圖像中的固定冰區域開展影像質量比對分析，圖2、圖3分別為GF－3、Radarsat－2衛星獲取的HH極化、HV極化下的固定冰冰區數據。通過目視判讀比較，GF－3衛星標準條帶模式數據和Radarsat－2精細寬模式數據在HH極化方式下均能較好地體現冰區類型和紋理特征，但HV極化方式下GF－3衛星較Radarsat－2數據對冰面紋理特征的顯示效果更好。

2．2影像統計特征圖像的統計特征包括直方圖、標準差、信息熵等，不同的統計特征對圖像質量評價具有一定的指導意義。直方圖反映了圖像的信息量及分布特征，標準差反映了圖像信息層次大小，標準差越大說明圖像層次感越強，信息熵則是衡量圖像信息豐富程度的一種重要指標，信息熵越大說明圖像信息越豐富［9］。通過將GF－3衛星和Radarsat－2衛星進行后向散射計算并進行歸一化標準化處理，統計特征區域影像值，得到統計特征。從圖4的直方圖統計可以看出，HH極化較HV極化的DN值分布區間更大，在影像上地物間的差異HH極化會更明顯，同一衛星的HH極化較HV極化的平均值分布上也更大，圖像視覺上表現為HV影像偏暗，因此，在地物類型的征識別上HH極化影像較HV極化更有優勢。表2為影像的統計特征值，通過統計發現Radarsat－2／HH極化數據標準差大于GF－3／HH極化數據標準差，而HV極化數據標準差則是GF－3數據大于Radarsat－2，這說明在圖像細節的層次方面，Radarsat－2／HH極化數據要優于GF－3／HH極化數據，而GF－3／HV極化數據則優于Radarsat－2／HV數據。信息熵統計結果表明，Radarsat－2衛星HH極化和HV極化數據分別略大于GF－3衛星HH極化和HV極化數據，說明Radarsat－2數據信息量較好。

3冰區影像應用能力分析

利用SAR數據不同的極化通道，采用影像合成技術能增強數據的可視化效果，更好地用于專家判讀或機器解譯［10］。圖1為冰區RGB假彩色合成影像，采用GF－3數據HH、HV和HH／HV極化數據合成，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等特征清晰可見，圖中區域1為浮冰區、區域2和區域3均為固定冰區，但區域2的冰面粗糙、冰況復雜，區域3的冰面較平整。雷達影像反映了地物對雷達波的散射強弱，地物散射信號強則影像上較亮，反之則暗，不同的極化方式對散射信號的反映也各不相同，HH極化數據因其對表面散射特性較為敏感，對于區分新冰、灰冰等海冰類型具有較好的優勢，盡管HV極化對于區分一年冰和多年冰較好，但對于區分新冰、平整冰等一年冰的類型存在困難［11］。為更好地分析雷達影像對于冰區的特征反映，以下采用HH極化數據對選取的典型特征區域（圖1中A～G處）來開展冰區應用評價，同時也選取了對應特征區域的Landsat－8和Radarsat－2衛星數據作為對比。1）雪龍船影像特征。雪龍船因其金屬構造，介電特性較強，以及角散射效應，雷達散射信號較強，在圖像（圖1中B處、圖5）上顯示為亮點目標。雪龍船在固定冰區進行破冰航行，冰面破碎而形成粗糙表面，增大了雷達波的散射輕度，在雷達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，會受風浪的影響而運動。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，相對于海面，這些破碎的浮冰具有較強的雷達散射信號，在影像上偏亮且呈大小不一的幾何形狀，因3個衛星成像時間存在2至4天的差異，而浮冰隨時間變化較大，圖6只能反映浮冰在不同傳感器上的成像特征。3）亂冰區影像特征。亂冰區位于區域2（圖1中C處）的固定冰區，該區域冰面特征情況復雜，由沿岸平整固定冰隨潮汐運動脫落后，相互擠壓破碎后與沿岸平整固定冰再凍結而形成，因此該區域的冰面特征在雷達影像上形成了亮、暗交錯的特征，暗色區域代表冰面特征較為平整，亮的區域表示冰面相互擠壓形成的冰脊或是海冰間相互凍結后形成的粗糙表面（圖7）。圖6浮冰雷達影像圖7亂冰區雷達影像4）平整冰區影像特征。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而成，與海岸牢牢的凍結在一起，隨著氣溫降低，厚度會增加，在雷達影像（圖1中E處）上表現出較均勻的散射強度（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，有些會碰撞擠壓后凍結形成冰脊，有些會分開形成縫隙，根據不同的形成特征在雷達影像上表現出明或暗的條帶，長度能達數幾公里至數十公里，對于冰上行駛有一定的危險性（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），一些大的冰山會持續一年甚至更長時間。根據衛星影像顯示，中山站外海固定冰區有大量大小不一的冰山，這些冰山大多持續了一個夏季，當冬季來臨后與沿岸固定冰凍結在一起，因其大多高于冰面，而在冰層表面形成一座座小山。根據SAR的側視成像特性，朝向觀測面的具有較亮的影像顯示特征，背朝觀測方向的會有觀測盲區而形成陰影暗區（圖10）。7）陸地影像特征。南極海岸的裸露地（圖1中G處）相對于平整冰具有較粗糙的表面，對雷達散射信號相對更強，但裸露地會受地形起伏影響，在雷達影像根據不同的明暗程度能反映出地形變化特征。一般而言，朝向雷達波觀測的坡面具有更大的信號散射特征在影像上表現為亮的區域，背向雷達波觀測面信號散射特征較小在影像上表現為暗的區域（圖11）。

4結束語

GF－3的成功發射和運行為我國各行業應用提供大量多極化合成孔徑雷達（SAR）數據，這些數據分辨率從1～500m，能滿足不同行業用戶的應用需求。在第33次南極考察雪龍船停靠中山站外海冰區開展卸貨期間，本文獲取了一景高分三號標準條帶數據，開展了衛星數據在極地冰區導航的應用潛力評價與分析，得出如下結論：1）GF－3號標準條帶HH和HV數據極化方式的數據均能較好地反映冰面的紋理，但HH極化方式下的標準差和信息熵均大于HV極化，表明HH極化在圖像層次和信息量上要優于HV極化。2）通過對GF－3衛星數據和Radarsat－2衛星數據的定量統計特征分析表明，在圖像的層次表達方面，Radarsat－2／HH極化數據要優于GF－3／HH極化數據，而GF－3／HV極化數據則優于Radarsat－2／HV數據。信息量方面，Radarsat－2／HH極化和HV極化數據分別優于GF－3／HH極化和HV極化。3）通過GF－3標準條帶影像冰區應用能力分析，表明GF－3數據能較好地反映南極冰區的紋理和類型特征，對于冰山、冰裂隙等冰上障礙具有較好的識別能力，對極地冰區導航和冰上卸貨具備較好的應用效果。

參考文獻

［2］陳立奇．南極考察回顧及今后極地研究展望［J］．地球科學進展，1997，12（2）：127－133．

［3］鄒斌，解思梅，郝春江，等．船載衛星遙感圖象處理系統在南北極科學考察中的應用［J］．極地研究，2000，12（4）：291－300．

［4］雷瑞波，李志軍，張占海，等．南極中山站附近海域固定冰的夏季變化［J］．極地研究，2007，19（4）：275－284．

［9］馬士彬，安裕倫，張躍紅．HJ－A遙感衛星CCD數據質量評價［J］．六盤水師范學院學報，2014（2）：38－42．

作者：曾韜 石立堅 劉建強 袁新哲 單位：國家衛星海洋應用中心