论文推荐|黄科伟：南极冰盖DEM机载测高验证与分析——以西南极Thwaites冰川为例

   利用冰桥计划(IceBridge)在西南极Thwaites冰川的机载激光测高数据，对ICESat卫星测高数据和目前国际常用的4种南极DEM，包括Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM和JLB97 DEM的精度进行了验证和分析。结果表明，ICESat卫星测高数据和ICESat DEM有着较高的高程可靠性，其与冰桥计划机载测高数据的平均高程差小于5 m，标准差小于15 m。Bamber 1 km DEM高程可靠性相比ICESat卫星测高数据和ICESat DEM低一些。JLB97 DEM、RAMPv2 DEM与冰桥计划机载测高数据之间的标准差超过30 m，尤其在坡度较大的区域，高程可靠性低。

美国航空航天局(NASA)于2003年发射的ICESat卫星，一直工作至2009年，主要目的是监测极地冰雪的变化，并估算两极冰雪消融对全球海平面的影响，由于ICESat的成功，ICESat的后续卫星ICESat-2，计划于2017年发射，将继续进行南极冰盖高程变化和海冰厚度的监测^[-]。为了填补两代ICESat卫星间的数据间断，美国航空航天局于2007/08国际极地年(IPY)，开始启动了冰桥计划，利用航空飞机于每年10/11月间在南极执行测量任务，监测冰盖、冰架及海冰的变化^[-]。

Thwaites冰川(75°30′S,106°45′W)是一条位于西南极墨菲火山东部玛丽伯德地沃尔格林海岸、流向阿蒙森海派恩岛海湾、异常宽阔且快速运动的冰川。近年来，Thwaites冰川受气候变化的影响较为严重，冰川流速不断加快，表面冰雪快速消融，接地线也持续退后，吸引了国内外学者的重点关注^[-]。文献[]利用2009年冰桥计划在南极Pine Island冰川采集的机载激光测高数据，结合Radarsat-1SAR影像和MCoRDS雷达数据，进行三维立体制图，揭示Pine Island冰川的厚度、支流分布以及冰川-海洋交互区域。在南极地区，冰盖演变能够很好地反映在冰雪表面地形上，数字高程模型(DEM)是地球科学和环境科学研究的重要基础^[-]。本文以西南极Thwaites冰川为例，使用冰桥计划激光雷达(ATM)2009年的机载测高数据，对ICESat卫星激光测高数据和目前国际常用的4种南极DEM，包括Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM和JLB97 DEM的精度进行验证和分析。

     作为在地球南北两极所进行的最大航空遥感科学观测工程，冰桥计划对南北极区冰盖、冰架以及海冰等要素进行数据采集。冰桥计划搭载的激光雷达(ATM)，扫描带宽80 m、航迹采样间隔40 m，是一个用来测量冰面高程变化的扫描激光计。本文使用的是激光雷达(ATM)2009年在西南极Thwaites冰川的机载测高数据产品L2，其经过重采样和平滑处理，包含有冰川、冰盖和海冰高程、坡度和精度等数据信息，结合全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)，测量精度可以达到10 cm^[]。数据产品L2无投影，参考坐标系为WGS-84椭球。

Thwaites冰川地理位置图

冰桥计划机载测高数据对ICESat卫星测高数据和4种DEM的精度验证流程

    需要进行的数据预处理工作包括4种DEM统一到1 km空间分辨率、确定Thwaites冰川范围，统一高程基准以及剔除海洋数据。结合美国冰雪数据中心NSIDC的Thwaites冰川数据集与冰桥计划2009年在Thwaites冰川的数据采集航线，数据筛选区域被定为104.28°W—110.06°W，74.05°S—76.65°S，如。几种数据的高程基准并不相同，使用前需对其统一。ICESat卫星测高数据高程基准为T/P椭球，使用经验公式可将其转换至WGS-84 椭球^[]。JLB97 DEM中内置了OSU91A大地水准面和WGS-84 椭球的大地水准面差距，将DEM中的正高值加上该点处的大地水准面差距，就可以得到该点处WGS-84 椭球下的大地高。本文评价的是Thwaites冰川冰盖区域ICESat卫星测高数据和4种DEM的精度，利用ADD Version 6.0的海岸线数据，对数据筛选区域内的海洋数据进行剔除。完成数据预处理后，冰桥计划机载激光测高数据点为350 844个。

      利用冰桥计划在西南极Thwaites冰川的机载激光测高数据，对ICESat卫星测高数据和目前国际常用的4种南极DEM，包括Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM和JLB97 DEM的精度进行了比较和分析。结果表明，只使用了较高精度激光测高数据的ICESat卫星测高数据和ICESat DEM有着较高的高程可靠性，其与冰桥计划机载测高数据的平均高程差小于5 m，标准差小于15 m。Bamber 1 km DEM既使用了ICESat卫星激光测高数据，又使用了地势陡峭区域精度较低的ERS-1卫星雷达测高数据，高程可靠性相比ICESat DEM数据低一些。仅使用了ERS-1卫星雷达测高数据的JLB97 DEM和冰桥计划机载测高数据之间的标准差超过30 m，在坡度较大的区域，高程可靠性低。RAMPv2 DEM在Thwaites冰川流域使用的是ERS-1雷达测高数据和采集年代久远的ADD地图数据，与冰桥计划机载测高数据的标准差超过60 m，高程可靠性低。基于比较结果，也说明西南极Thwaites冰川流域表面高程处于快速变化状态。未来结合多期的ICESat卫星激光测高数据和冰桥计划机载测高数据，可以研究Thwaites冰川表面高程的变化。

基金项目：国家自然科学基金重点项目(41531069); 国家重大科学研究计划(2012CB957701; 2013CBA01804);国家自然科学基金(41176173); 南北极环境综合考察及资源潜力评估项目(CHINARE2016)

第一作者简介： 黄科伟(1991—)，男，硕士，研究方向为机载测高。

通信作者： 李斐. E-mail: 

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