南极数字高程模型研究进展.pdf

第18卷第4期极地研究Vol . 18, No. 42006年12月CH I NESE JOURNAL OF POLAR RESEARCHDecember 2006[收稿日期] 2006年6月收到来稿, 2006年8月收到修改稿[基金项目] 国家测绘局“ 十五 ” 测绘重点公关项目(1469990324236204206)资助[作者简介] 张胜凯,男,1977年出生博士生,从事南极大地测量学方面的研究[联系作者] 张胜凯, E2mail: zskai@whu. edu. cn研究进展南极数字高程模型研究进展张胜凯 鄂栋臣 周春霞 沈强(武汉大学测绘学院中国南极测绘研究中心,武汉430079;极地测绘科学国家测绘局重点实验室,武汉430079)提要 本文首先结合卫星测高技术的发展,回顾了20多年来南极数字高程模型(DEM)研究发展的历史,并重点介绍了为处理Radarsat南极测图计划(RAMP) SAR影像进行地面验证而制作的高精度RAMP/DEM的构建过程然后,介绍了南极局部地区,尤其是我国利用地面实测数据及遥感数据在南极地区进行DEM研究的状况最后,结合冰、 云和陆地高程卫星( ICESat)的研究进展,对最新的南极DEM研究进行了展望。

关键词 南极 数字高程模型 卫星测高1 前言数字高程模型(DEM)是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达,是表示研究区 域上的三维向量有限序列,用函数的形式描述为:Vi= (Xi, Yi, Zi) ( i =1,2,3,Λ, n)其中, Xi, Yi是平面坐标, Zi是(Xi, Yi)对应的高程当该序列中各平面向量的平面位置 呈规则格网排列时,其平面坐标可以省略,此时DEM就简化为一维向量序列{ Zi, i=1,2,3,Λ, n}[1]DEM的概念自20世纪50年代后期被提出以来,一直受到了极大的关注,并在测绘、 地质、 环境、 规划、 农业、 土木工程、 通信及军事工程等领域得到了广泛的应用同样,在南极地区,DEM也是从事地学及环境变化研究重要的基础DEM数据可以用来确定分冰 岭、 冰流盆地的位置、 计算冰流的大小及方向、 平衡速度及底部剪应力等[2 ],也可以用来 确定接地线的位置[3 ]DEM与冰厚数据相结合,能够计算冰体变形的速率及应变[4]冰面地形数据对于估计冰面温度、 降水、 下降风的大小和方向亦是重要的参数,精确的地形 数据对于利用遥感方法进行南极测图研究也有着十分重要的意义[5]。

同时,精确的DEM 也是构建南极冰下地形模型BEDMAP的基础[6]2 全南极DEM研究历史在过去的20多年里,世界各国的极地科学家一直致力于建立全南极大陆DEM的研 究1983年,英国斯科特极地研究所( SPR I)发布了南极地图集( SPR I Folio Series)SPR I Folio Series主要采用了1967 - 1979年间,英国斯科特极地研究所(SPR I)、 美国国家 科学基金会(NSF)及丹麦技术大学(TUD)组织的地面及空中考察的测量数据,以下称之 为(SPR I/NSF/TUD)SPR I/NSF/TUD考察活动以100km的间距覆盖了整个南极大陆1 /3的范围,在某些区域考察路线间距超过500km,绘制了整个南极大陆的等高线图[2 ]该等高线图由于受气压等气象条件变化的影响,在几百公里范围内可引起垂向150m的 误差,加入等间隔施放的气球进行气象改正后,垂向精度可达60m,经随机行走法改正后, 该等高线图水平精度优于5km,垂向误差小于50m1984年, Budd等基于SPR I的1∶6000000比例尺的地图建立了一个20km格网的南极SPR IDEM[7 ]。

南极地区由于其特殊的地理位置及极端的气候环境,使得地面考察及航空测量都极 为困难,地形数据相对稀少,大大限制了南极DEM的发展卫星测高技术的出现,则改变 了这一状况卫星测高技术是在20世纪70年代初期,随着计算机技术和空间技术的高 速发展,随着卫星遥感遥测技术的应用而发展起来的边缘学科卫星高度计是一种主动 式微波测量仪,它具有独特的全天候、 长时间历程、 观测面积大、 观测精度高、 时间准同步、信息量大的能力和特点[8 ]1978年,美国航空航天局(NASA)成功发射了海洋卫星Seasat该卫星的轨道高度 平均为800km,轨道倾角为108°,工作寿命为106d,前期的重复周期为3d,后期的重复周 期为17d,测高精度达到20—30cm量级利用Seasat雷达高度计数据,生成了72°S以 北、 水平间距为20km的南极DEM,其高程精度在平坦冰盖地区优于2m,在陡坡及粗糙冰 面区约为15m,并以GEM 10b大地水准面为高程基准,绘制了等高距为100m的东南极地形图[9 ]继Seasat之后, 1985年美国海军发射了大地测量卫星Geosat该卫星的轨道平均高 度为800km,轨道倾角为108°,重复周期为17d,工作寿命为4年多。

其上携带的雷达测 高仪的工作频率为13. 5GHz,实际卫星测高精度为10—20cmGeosat卫星首先执行主大 地测量任务(Geosat/G M) , 18个月之后,执行精确重复任务(Geosat/ERM)利用Geosat雷达高度计数据,生成了水平间距为10km的南极DEM受卫星覆盖范围的限制,DEM 仅限于72°S以北的南极地区[10 ]欧洲空间局(ESA)经过10年的准备,在1991年发射了欧洲第1颗遥感卫星ERS21 该卫星的轨道平均高度为785km,轨道倾角为98. 5°,绕地球运行1周约100min,设计运行 寿命为3年发射后的前3个月每3d覆盖全球1次, 3个月后的大部分时间内重复周期为35d左右,最后调整到168d,测高精度达到10cm接着又于1995年发射了后续卫星ERS22ERS卫星较先前的测高卫星大大扩展了在南极的覆盖范围,最南端达到81. 4°S, 覆盖了南极大陆80%的面积这使得南极大部分冰盖及菲尔希纳 2 龙尼冰架、 罗斯冰架 等地区利用卫星测高数据制作高精度、 高分辨率的DEM成为可能基于ERS21卫星测203极地研究第18卷高数据, 1994年Bamber首先建立了20km分辨率的南极DEM,在81. 4°S以南, ERS21卫星 覆盖的空白区,该DEM采用了SPR IDEM的数据[11 ]。

1997年, Bamber和Zwally又分别 建立了5km分辨率的南极DEM[12 ]Bamber所建5km分辨率的DEM数据格式为ASCII格式,包括十进制的经纬度、 相对OSU91大地水准面的高程,以及相对于OSU91大地水准 面的高程与相对于WGS84椭球高程之差该模型点位精度在边缘地区由于受坡度的影 响,精度为10. 7m;在坡度平缓的内陆冰盖地区,精度为1. 4m 作为30弧秒全球DEM (GTOPO30)的一部分,美国地质调查局(USGS)的地球资源观 测卫星(EROS)数据中心建立了1km格网的南极DEM[13 ]GTOPO30 (Global TopographicData of 30 arc seconds)是USGS历经3年的工作于1996年完成的全球DEM,其数据的存 储格式是纬度从北极到南极,经度从0° —360°,每隔经纬度各30弧秒给出一个高程值 每个高程值用一个双字节整型值表示,原数据量约1. 74GBGTOPO30数据来源包括数 字地面模型数据(DT MD)、 世界数字化海图(DCW )、USGS的1° 的DEM、 军方1∶1000000 比例尺地图、 国际1∶1000000比例尺地图、 秘鲁1∶1000000比例尺地图、 新西兰DEM及南极数字数据库(ADD)等8个不同来源的栅格和矢量地形信息。

南极地区则主要采用了ADD数据 上述各种南极DEM,水平分辨率相对较低,在山区及坡度较大的地区精度较差因 此,为处理Radarsat南极测图计划(RAMP) SAR影像进行地面验证, 1999年,美国伯德极 地研究中心(BPRC)的Liu等制作了全新的高精度、 无缝南极DEM (以下称RAMP/DEM)[14 ]3 RAMP/DEM的构建3. 1 数据编辑与选择RAMP/DEM的数据来源可分为3类:地图数据、 遥感数据及实测数据地图数据采用了英国南极局(BAS)和斯科特极地研究所(SPR I)及世界保护监测中 心(WCMC)共同建立的南极数字数据库(ADD)、 美国地质调查局(USGS)、 澳大利亚南极 局(AAD)及德国等国家和机构的地图数据,如表1所示南极数字数据库(ADD)是南极洲重要的矢量地形数据资源ADD是受国际南极研 究科学委员会(SCAR)的大地测量与地理信息工作组(WG2GGI)的委托,由英国南极局(BAS)、 英国斯科特极地研究所(SPR I)及世界保护监测中心(WCMC)联合开发建设的,于1993年发布1. 0版,之后,不断对其更新,目前最新版本是4. 1版ADD使用极立体投影,标准纬度为71°S,中央经度为0°,坐标以米为单位,原点为南 极点。

ADD数据来源极为广泛,尽可能地收录了各个国家的地图数据、 卫星影像及实地 测量数据等ADD地图数据的比例尺亦是多种多样,主要在1∶100000至1∶5000000之间ADD数据采用1∶1000000国际世界地图( I MW )的网格方案( tiling scheme) ,如图1 所示在每个I MW网格内,数据进一步被分为海岸、 等高线、 高程及岩石等14个层[15 ]遥感数据主要包括卫星测高数据及空基无线电回波测厚数据,如表2所示303第4期 张胜凯等:南极数字高程模型研究进展表1 RAM P/DEM的地图数据源 Table 1. Digital cartographic data sources forAntarctica of RAMP/DEM 数据来源范围比例尺等高距(m) 全南极洲可变比例尺可变等高距 横贯南极山脉地区1∶250000200 埃尔斯沃斯山区1∶250000200 ADD玛丽伯德地与毛德皇后地的海岸山区1∶250000200 南极半岛1∶250000250 东南极大部分海岸区1∶1000000100 内陆冰盖1∶3000000200 USGS横贯南极山脉的干谷地区1∶5000050 西福尔丘陵1∶2500010 澳大利亚拉斯曼丘陵1∶25000010 W indmill岛1∶25000010 德国Berkner岛, Henry冰隆及Korff冰隆1∶2000000100表2 RAM P/DEM的遥感数据源 Table 2. Remotely sensed topographic data forAntarctica of RAMP/DEM 数据来源范围精度密度 ERS21卫星测高冰面模式数据冰架边缘及81. 4°S以北的冰盖区2—35m约5km间隔 ERS21卫星测高海洋模式数据南极大陆周边海域0. 1m沿轨335m,跨轨5—10km SCP空基雷达测厚数据冰流A、B及C的上游区4—9m沿轨120m,跨轨5—10km BAS空基无线电回波测厚数据Evans冰流及Fowler半岛地区6m沿轨50—90m,跨轨5—10km R IGGS空基及地面雷达测厚数据罗斯冰架10m50m等高距 注: SCP指Siple海岸项目, R IGGS指罗斯冰架地球物理与冰川测量。

实测数据包括地基测量数据及GPS测量数据地基数据主要来自ADD,包括水准测量、 三角测量、 气压测高、 卫星观测站、 天文观测站及测量控制点等GPS测量数据包括Siple Dome、 兰勃特冰流盆地、 埃默里冰架、Rutford冰流、 横贯南极山脉及部分西南极地区的实地考察GPS数据构建RAMP/DEM时,数据选择依据以下准则:(1)尽可能采用GPS数据、 航空雷达数据及大比例尺地形图数据GPS数据及。