2. 极地测绘科学国家测绘地理信息局重点实验室，湖北 武汉 430079 ;
3. 国家领土主权与海洋权益协同创新中心，湖北 武汉 430079
2. Key Laboratory of Polar Surveying and Mapping, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation of China, Wuhan 430079, China ;
3. Collaborative Innovation Center for Territorial Sovereignty and Maritime Rights,Wuhan 430079, China
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[1-2]。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[3-4]。
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[5-6]。文献[7]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[8-9]。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。
1 数据简介 1.1 冰桥计划机载测高数据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[10]。数据产品L2无投影，参考坐标系为WGS-84椭球。
1.2 ICESat卫星测高数据ICESat卫星激光测高系统(GLAS)Level2数据产品的GLA12数据是两极冰盖的高程数据，已进行了仪器误差改正、大气延迟改正及潮汐改正。用于验证分析的是冰桥计划2009年的机载测高数据，考虑尽量减少因时间间隔而导致的高程值差异。距离冰桥计划2009年10、11月份的机载测高数据较近的是2009年9、10月份和3、4月份的ICESAT卫星测高数据，其中2009年9、10月份只采集了11 d的数据，同时该段数据质量较差，因此本文最终选择2009年3、4月份的GLA12卫星测高数据，相应的ICESat卫星轨迹如图 1所示。
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| 图 1 Thwaites冰川地理位置图 Fig. 1 Location map of Thwaites Glacier |
1.3 4种南极常用的DEM 1.3.1 JLB97 DEM
1991年，欧洲空间局发射了ERS-1遥感卫星。卫星上搭载了雷达高度计，测高精度达到10 cm。利用1994年4月至1995年3月期间获得的雷达测高数据，文献[11]在1997年建立了5 km分辨率的南极DEM，即JLB97 DEM。JLB97 DEM覆盖65°S—81.5°S区域内的南极大陆，采用极方位立体投影，投影中心为南极点，投影椭球为WGS-84椭球，提供基于OSU91A大地水准面的正高值。
1.3.2 RAMPv2 DEM美国伯德极地研究中心(BPRC)的文献[12]在1999年制作了一个全新的高精度、无缝南极DEM，目前发展到第2版本，即RAMPv2DEM。RAMPv2DEM的数据由南极数字数据库(ADD)等地图数据、ERS-1卫星雷达、航空雷达测厚等遥感数据和GPS等实测数据组成。RAMPv2DEM覆盖60°S—90°S区域内的南极大陆，水平分辨率为200 m~5 km不等。RAMPv2 DEM采用极方位立体投影，投影椭球为TOPEX/Poseidon椭球和WGS-84椭球(两者水平位置差异小于1 m)，提供基于WGS-84椭球的大地高值和基于OSU91A大地水准面的正高值。
1.3.3 ICESat DEM2007年，利用ICESat的激光测高数据，美国国家雪冰数据中心(NSIDC)的DiMarzio等[13]制作了一个格网间距为500 m的，覆盖南极大陆63°S—86°S区域的DEM。ICESat DEM数据由激光测高系统(GLAS)从2003年2月至2005年6月前7个运行阶段采集的GLA06数据组成。ICESat DEM采用极方位立体投影，投影中心为南极点，投影椭球为TOPEX/Poseidon椭球，提供基于WGS-84椭球的大地高值和基于EGM96大地水准面的正高值。
1.3.4 Bamber 1 km DEM2009年，文献[14—15]结合ERS-1雷达测高数据和ICESat激光测高数据，制作了南极1 km水平分辨率的DEM。Bamber 1 km DEM覆盖60°S—86°S区域内的南极大陆，实际空间分辨率从1~5 km不等。DEM数据由ERS-1雷达测高计从1994年3月至1995年5月的数据和ICESat激光雷达测高计从2003年2月至2008年3月的数据组成。Bamber 1 km DEM采用极方位立体投影，投影中心为南极点，投影椭球为WGS-84椭球，提供基于WGS-84椭球的大地高值。
2 数据处理评价DEM精度主要采用野外测量获取地面控制点、机载测高数据以及DEM对DEM等验证方式。野外测量获取地面控制点的方式工作量大，很难获取大范围、大量的数据，这一点在南极地区尤为明显，而DEM对DEM的验证方式只能获取DEM的相对精度[16]。冰桥计划机载激光测高数据精度高，在西南极Thwaites冰川流域，实现了大面积的数据覆盖。冰桥计划2009年在西南极Thwaites冰川流域的数据采集航线如图 1所示红线代表冰桥计划数据采集航线，绿线代表ICESat卫星轨迹，灰线代表Thwaites冰川海岸线，蓝色点线轮廓代表数据筛选的区域。本文采用冰桥计划机载激光测高数据对ICESat卫星激光测高数据和4种南极DEM的精度进行验证，具体流程如图 2所示。
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| 图 2 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 Fig. 2 The validation flow chart of IceBridge airborne altimetry data to ICESat satellite altimetry data and four Antarctic DEMs |
2.1 数据预处理
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，如图 1。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[17]。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。
ICESat卫星激光测高系统(GLAS)的脚点半径约为35 m，本文以40 m为阈值，当ICESat卫星激光脚点与冰桥计划机载激光脚点距离小于40 m时，则将两个数据点视为同一位置进行比较，获取同一位置的测高数据点为4303个。使用ArcGIS软件，在4种DEM中提取冰桥计划机载激光脚点上的高程值，在4种DEM中提取的高程数据点均为350 844个。将ICESat卫星激光测高数据点、4种DEM中提取的高程数据点与同一位置的冰桥计划机载激光测高数据点分别相减，剔除偏离均值超过2倍标准差的粗差，作统计分析，结果见表 1。
| 统计参数 | ICESat 卫星测高 | Bamber 1 km | ICESat DEM | RAMPv2 DEM | JLB97 DEM |
| 粗差剔除率/(%) | 1.0 | 0.9 | 2.6 | 5.7 | 1.8 |
| 数据量 | 4262 | 347 864 | 341 587 | 330 956 | 344 679 |
| 均值/m | -0.441 2 | -14.092 1 | -4.307 8 | 31.500 5 | -61.887 3 |
| 标准差/m | 1.178 1 | 22.049 8 | 14.665 9 | 63.792 3 | 31.460 1 |
2.2 与ICESat卫星测高数据比较
经过粗差剔除，两个测高系统的标准差为1.18 m，ICESat卫星测高数据点比冰桥计划机载测高数据点高了44 cm。图 3为两个测高系统高程数据的散点图与高程差空间分布，从图中可发现，散点集中分布在直线y=x附近，在两侧几乎无分布。R2等于0.999 9也说明回归直线y=x对散点值的拟合程度极好。ICESat卫星测高数据与冰桥计划机载测高数据吻合得很好，高程差几乎都在0左右。这是由于ICESat卫星激光测高系统(GLAS)与冰桥计划激光雷达(ATM)均由美国航空航天局研发而成，均属于激光雷达传感器，高程测量原理较为相似。
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| 图 3 冰桥计划机载测高数据与ICESat卫星测高数据散点图及高程差空间分布 Fig. 3 Scatter diagram of IceBridge airborne altimetry data and ICESat airborne altimetry data with spatial patterns of elevation differences |
2.3 与4种南极DEM比较
RAMPv2 DEM中存在较多粗差数据，其粗差剔除率为5.7%，相比较来说，JLB97DEM和ICESat DEM的粗差剔除率较低，而Bamber 1 km DEM中粗差数据最少，其粗差剔除率为0.9%。经过粗差剔除，显示冰桥计划机载测高数据与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及JLB97DEM的标准差分别为22.0 m、14.7 m、63.8 m和31.5 m。图 4为冰桥计划机载测高数据与4种DEM的高程差空间分布及散点图，从图中可发现，Bamber 1 km DEM和ICESat DEM的散点集中分布在直线y=x附近，在两侧仅少量分布，R2分别等于0.996 4、0.998 2，可以看出，Bamber 1 km DEM和ICESat DEM的高程值与冰桥计划机载测高数据吻合得较好，精度较高，这是由于这两个DEM都使用了ICESat卫星测高数据。而Bamber 1 km DEM中包含有精度相对较低的ERS-1雷达测高数据，使得Bamber 1 km DEM的精度稍低。RAMPv2 DEM的散点集中在直线y=x右侧以正偏差为主，JLB97 DEM的散点集中在直线y=x左侧以负偏差为主，R2分别等于0.963 7、0.956 9，可以看出，RAMPv2 DEM和JLB97 DEM与冰桥计划机载测高数据吻合得较差，精度较低，在沿海区域存在大量异常值，这是由于RAMPv2 DEM在Thwaites冰川流域使用的是采集年代(1940 s—1990 s)较为久远的ADD地图数据和ERS-1雷达测高数据。JLB97 DEM只使用了精度较低的ERS-1雷达测高数据。
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| 图 4 冰桥计划机载测高数据与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM和JLB97 DEM高程差空间分布及散点图 Fig. 4 Spatial patterns of elevation differences of IceBridge airborne altimetry data and four Antarctic DEMs—Bamber 1 km DEM, ICESat DEM, RAMPv2 DEM and JLB97 DEM with scatter diagram |
3 分析与讨论
关于冰桥计划机载测高数据与ICESat卫星测高数据、4种DEM之间的偏差，分析原因，有以下两个方面：①卫星测高系统较大的脚点半径导致了在坡度较大区域的偏差；②冰雪表面在观测期间发生了变化。
3.1 表面坡度的影响为了检验ICESat卫星测高数据和4种DEM的高程精度与坡度之间的关系，本文参考表 1的统计结果，以ICESat DEM的坡度为基准，统计了冰桥计划机载测高数据与ICESat卫星测高数据、4种DEM的高程差。在0°~1°范围内，以0.1°为间隔，冰桥计划机载测高数据与ICESat卫星测高数据、4种DEM平均高程差和标准差随坡度变化的趋势如图 5所示。
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| 图 5 冰桥计划机载测高数据与ICESat卫星测高数据、4种DEM平均高程差和标准差按坡度统计 Fig. 5 Mean elevation difference and standard deviation for IceBridge airborne altimetry data and ICESat satellite altimetry data, four Antarctic DEMs as a function of surface slope |
整体来看，除了RAMPv2 DEM的平均高程差随坡度的增大而增大，ICESat卫星测高数据与其余3种DEM的平均高程差并不随坡度值的变化而变化。这可能是因为RAMPv2 DEM在Thwaites冰川坡度较大的区域，使用的是采集年代较为久远的ADD地图数据[8]。而标准差随坡度的增大而增大。这可能是因为卫星测高激光脚点位置在陡峭区域存在偏差，使得生成的DEM在陡峭区域的高程与真值不符。有一种解释是Thwaites冰川地势陡峭区域的冰雪流速较快[18]，因此易受冰雪消融影响[19]。
当坡度小于0.2°时，冰桥计划机载测高数据与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM和JLB97 DEM高程差的标准差较小，说明这3种DEM在坡度较小的区域，与冰桥计划机载测高数据吻合得较好，精度较高。随着坡度逐渐上升，ICESat DEM高程差的标准差缓慢增大，而Bamber 1 km DEM和JLB97 DEM高程差的标准差增大得较快。这可能是因为ERS-1卫星相比ICESat卫星激光脚点半径较大，导致使用了ERS-1卫星数据的JLB97 DEM和Bamber 1 km DEM相比只使用了ICESat卫星数据的ICESat DEM增大得更快。图 5中高程差的标准差随坡度变化最快的是RAMPv2 DEM，这是因为RAMPv2 DEM在Thwaites冰川坡度较小的区域，采用的是ERS-1雷达测高数据，在坡度较大区域，使用的是采集年代较为久远的ADD地图数据。
3.2 高程变化基于近年来的冰雪表面高程变化研究，Thwaites冰川流域处于持续快速消融状态[6, 20-21]，因此冰桥计划机载测高数据与ICESat卫星测高数据、4种DEM的高程差与冰川高程变化也有关。ERS-1卫星雷达测高数据与冰桥计划机载测高数据的采集年份存在15年左右的间隔，两次数据采集之间应该存在明显的冰雪消融。如表 1所示，JLB97 DEM只使用了ERS-1卫星雷达测高数据，相比冰桥计划机载测高数据，显示在Thwaites冰川流域存在几十米的表面高程变化。RAMPv2 DEM在Thwaites冰川流域使用了采集年代(1940 s—1990 s)更为久远的ADD地图数据，显示在Thwaites冰川流域存在更大的表面高程变化。
明显的冰雪消融引起的偏差在冰雪流速较快的区域更加明显，而Thwaites冰川地势陡峭区域的冰雪流速较快[19]，因此从本质上其与坡度引起的偏差是一致的。ICESat卫星测高数据与冰桥计划机载测高数据的采集年份比较接近，因此冰桥计划机载测高数据与ICESat卫星测高数据、ICESat DEM的偏差较小。而既使用了ICESat卫星激光测高数据，又使用了ERS-1卫星雷达测高数据的Bamber 1 km DEM与冰桥计划机载测高数据的偏差相比ICESat DEM的偏差大一些。本文研究的结果与之前国内外学者对南极冰盖DEM精度评价的结果[16, 19]以及西南极Thwaites冰川表面高程变化的结论[5, 20-21]基本一致。
4 结 论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。
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