【类型】期刊

【作者】唐冠杰（同济大学测绘与地理信息学院）

【作者单位】同济大学测绘与地理信息学院

【刊名】山西建筑

【关键词】 解密卫星影像；密集匹配；几何定位；三维地形

【ISSN号】1009-6825

【页码】P220-222

【年份】2019

【期号】第1期

【摘要】利用1960年的南极解密卫星影像,通过影像预处理与立体模型几何定位及密集匹配,建立了南极雷纳冰川区域的三维地形,为进一步研究该地区1960年的冰川流速及物质平衡奠定了基础。

【全文】 文献传递

基于早期卫星影像的南极雷纳冰川区域三维地形重建

唐 冠 杰

(同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092)

摘 要：利用1960年的南极解密卫星影像，通过影像预处理与立体模型几何定位及密集匹配，建立了南极雷纳冰川区域的三维地形，为进一步研究该地区1960年的冰川流速及物质平衡奠定了基础。

关键词：解密卫星影像，密集匹配，几何定位，三维地形

0 引言

随着近年来全球气候的不断变化，极端天气频发，各国政府及民众对极地地区的关注度也不断提高。作为拥有全球90%的冰川，冰盖体积达3 000多万立方千米的南极地区[1]，对于研究全球气候变化的影响有着极其重要的意义，极地地区又被称为全球气候的监控器，Turner在2009年的报告指出，在西南极的南部，全球气候变暖使得半岛东面夏季大部分时间气温升高，导致南极半岛90%的冰川发生了退缩和冰架崩塌[2]。预估到21世纪末西南极冰川融化将导致海平面上升1.4 m，地球上有1.46亿人口将居住在海平面1 m以下，1.4 m海平面上升的预警对沿海大都市和外海平台等建筑都会产生严重威胁[3]。

南极冰对全球海平面的影响方式主要有冰架崩塌，冰盖融化和冰川流出。数字高程模型(Digital Elevation Model)是地理空间中地理对象表面海拔的数字化表达，在南极地区，DEM是地球科学和环境科学研究的重要基础，DEM数据与冰厚结合，能够计算冰体变形的速度及应变，也可以根据不同时间高精度的DEM数据估算冰盖变薄的速率和推断南极物质流失情况，也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，还可以用来确定接地线的位置[4]。因此，DEM对研究南极的质量流失及预测海平面上升有重要意义。

由于南极地区的特殊气候原因，对大部分南极地区来说实地测量几乎不可能，所以目前只有在海岸线的科考站附近有很少实测的数据。在过去的几十年里，从事极地研究的科学家一直致力于获取南极地区的数字三维地形。1960年的南极解密卫星影像为我们研究南极提供了非常有价值的历史数据。本文将密集匹配方法运用到该数据来建立1960年南极雷纳冰川区域的三维地形。

1 数据介绍

1995年2月份，美国总统克林顿签署文件解密了超过860 000景美国第一代间谍卫星收集于1960年—1972年卫星影像，随后在2002年，再次解密约48 000景卫星影像。这些影像是由5个卫星计划在1960年—1980年收集到的全球的影像，各卫星计划的代号分别为CORONA,ARGON,LANYARD,GAMBIT和HEXAGON。详细数据见表1[5]。在2011年，美国进一步解密了GAMBIT,GAMBIT和HEXAGON计划的部分影像和数据及90多份历史记录文件[6]。这些被称为解密卫星影像(Declassified Intelligence Satellite Photography，DISP)的卫星影像比1972年的Landsat卫星影像早了12年，为科学研究提供了一个更加宽广的视野，也给我们提供了一个观察地球的独特视角。在这些卫星计划中只有ARGON计划收集到了南极地区的影像。

ARGON计划搭载的ARGON相机为框幅式相机，焦距为76.2 mm。由于卫星轨道较高，ARGON影像的覆盖范围较大约为540 km×540 km，但地面分辨率只有140 m。ARGON计划在1961年—1964年执行了12次任务，但只有6次成功并收集了38 578景影像，其中有3次任务9034A，9058A，9059A收集到1 782景南极区域的影像。具体数据见表2，分布如图1所示。9034A任务是首次从空间观测南极大陆，由于任务执行时间为南半球的秋季，所以卫星没有进入71°S以南的冰盖区域，该任务收集到的影像覆盖了整个南极的海岸线，但不幸的是覆盖海岸线的大量影像都被云覆盖，使用价值非常有限。9058A任务的执行时间同样为南半球的秋季，但云的覆盖较9034A任务要少很多，对研究冰盖提供了帮助。9059A的拍摄时间为南半球的春季，整个南极都被光照，卫星轨道穿过了整个南极并提供了大量的卫星数据[7]。

此外，本文还用到了ASTER GDEM v2数据及由美国地质调查局、英国南极调查局和美国国家航空和航天局共同制作的15 m分辨率的利用Landsat影像制作的南极区域的镶嵌图。该镶嵌图为迄今发布的分辨率最高的南极镶嵌图。

2 研究区域

本文的研究区域雷纳冰川(Rayner Glacier)位于东南极(67°40′S，48°25′E)，见图2。雷纳冰川是南极著名的冰川，该冰川从南部的Matvejchuk谷经过康登山与克里斯滕森山之间流向凯西湾(Casey Bay)，长约200 km，宽约19 km，前端冰川流速约每年1 000 m。实验所用影像编号为DS9058A009MC116与DS09058A009MC117，拍摄于1963年8月30日，由于两张影像的拍摄时间间隔只有约30 s，冰流对影像像点偏移的影响可以忽略不计。

图2a)为研究区域在南极的位置。影像几何定位过程中，控制点、连接点及检核点的分布；图2b)研究区域内雷纳冰川的位置，冰川流速图来自Rignot发布于2011年[8]。

3 实验过程

本实验中所用卫星影像由早期胶卷扫描得到，由于年代久远，摄影材料不可避免的发生了比较严重的变形。二阶纠正模型被证明是纠正摄影材料变形的最优变形改正模型[9]，因此，首先利用二阶纠正模型对影像进行纠正。然后根据相机检校文件提供的相机镜头畸变参数对影像的镜头畸变进行纠正。另外为了提高影像匹配的可靠性和精度，利用Wallis滤波对影像进行增强处理。在影像匹配之前，首先，利用影像相对定向元素计算两张影像的投影矩阵，投影矩阵表示三维物方坐标与影像坐标的关系。

在核线影像的基础上，利用密集匹配方法进行影像匹配[10]，共得到4 565 510对匹配点，匹配点在原始影像上的分布如图3所示。

利用镜头畸变校正后的影像在ERDAS IMAGINE软件的徕卡摄影测量套件(LPS)中利用6个地面控制点和18个连接点进行立体模型的几何定位，点位分布见图2a)。另外在研究区域选取5个检核点检验几何定位的精度，定位精度如表3所示，从表3中可以看出dx的均值最大有116.61 m，但仍然小于影像原始分辨率(140 m)，其他评价参数均小于半个像素，达到了较高的精度。

最后，剔除误匹配点，最终经过插值得到该区域的三维地形，见图4。

4 结语

本文利用1960年的解密卫星影像，利用密集匹配方法，通过影像预处理与立体绝对严密几何定位，建立了南极雷纳冰川区域的三维地形。利用该地形数据可以通过计算汇水及坡度方向图来预测冰川流动的方向，为进一步研究该地区1960年的冰川流速及物质流失提供了基础，为南极及全球气候变化的研究提供了有力的数据。

参考文献：

[1] 陈立奇.南极和北极地区在全球变化中的作用研究[J].地学前缘,2002,9(2):245-253.

[2] Turner J,Bindschadler R,Convey P,et al.Antarctic climate change and the environment[Z].2009.

[3] 陈立奇.南极和北极地区变化对全球气候变化的指示和调控作用——第四次IPCC评估报告以来一些新认知[J].极地研究,2013,25(1):1-6.

[4] 肖 峰,张胜凯,鄂栋臣,等.四种南极数字高程模型的精度比较与分析[J].冰川冻土,2014,36(3):640-648.

[5] Fowler M J F.Declassified intelligence satellite photographs[M].Archaeology from Historical Aerial and Satellite Archives.Springer New York,2013:47-66.

[6] Mi H,Qiao G,Li T,et al.Declassified Historical Satellite Imagery from 1960s and Geometric Positioning Evaluation in Shanghai,China[M].Geo-Informatics in Resource Management and Sustainable Ecosystem.Springer Berlin Heidelberg,2015:283-292.

[7] Bindschadler R,Seider W.Declassified intelligence satellite photography (DISP) coverage of Antarctica[Z].1998.

[8] Rignot E,Mouginot J,Scheuchl B.Ice flow of the Antarctic ice sheet[J].Science,2011,333(6048):1427-1430.

[9] Ye W,Qiao G,Kong F,et al.RIGOROUS GEOMETRIC MODELLING OF 1960s ARGON SATELLITE IMAGES FOR ANTARCTIC ICE SHEET STEREO MAPPING[J].ISPRS Annals of Photogrammetry,Remote Sensing & Spatial Information Sciences,2016,3(3)：96.

[10] Rothermel M,Wenzel K,Fritsch D,et al.SURE:Photogrammetric surface reconstruction from imagery[A].Proceedings LC3D Workshop[C].Berlin，2012.

The 3D terrain reconstruction of south pole Rayner Glacier region based on early satellite image

Tang Guanjie

(Surveying and Geo Information School, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：Using the south pole decryption satellite image in 1960s, through the image preprocessing and three-dimensional model geometric positioning and dense matching, established the 3D terrain of south pole Rayner Glacier region, laid foundation for further research on glacier velocity and mass balance in 1960s of this area.

Key words：decryption satellite image, dense matching, geometric localization, 3D terrain

文章编号：1009-6825(2017)01-0220-03

收稿日期：2016-10-29

作者简介：唐冠杰(1992- )，男，在读硕士

中图分类号：TU198

文献标识码：A