受全球氣候變暖影響，中國大部分冰川呈現出加速退縮趨勢，且近年來冰崩、冰川湖潰決洪水等冰川災害時有發生，規模和頻率都有所增加。冰川運動作為冰川的特征之一，是研究冰川物質平衡和全球氣候變化的重要參數之一，也是冰川及冰川湖危險性評估的重要依據，監測冰川運動變化對研究氣候變化和冰川災害預警有重要意義。

一、研究區與數據

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1.研究區

依嘎冰川位于中國 *** 自治區那曲地區嘉黎縣念青唐古拉山脈西段，地處易貢藏布一級支流尼都藏布上游北側，具 *** 置和范圍見圖1。根據2014年中國科學院寒區旱區環境與工程研究所發布的《中國第二次冰川編目》，依嘎冰川面積約為46.3km2，高差接近3000m。依嘎冰川末端與尼都藏布相接，其運動極可能堵塞河道，形成堰塞湖，威脅下游眾多村落的安全。因此，監測其運動情況具有重要的意義。

圖1 依噶冰川地理位置

2.數據

高分三號衛星于2016年8月10日在中國太原衛星發射中心發射，是國家高分辨率對地觀測系統重大專項中的唯一一顆民用微波遙感衛星，同時也是中國自主研制的首顆C波段多極化衛星，重復周期29d。本文收集了研究區2017?\11―2018?\03之間的5景升軌高分三號影像，成像模式為精細條帶2模式，斜距向分辨率為2.25m，方位向分辨率為4.78m，極化方式為HH極化，使用的高分三號數據主要參數見表1；同時收集了與本文高分三號影像時間分布類似的兩景升軌Senti?\nel?\1數據，成像模式為方位波束掃描（terrain ob?\servation by progressive scans，TOPS）模式，斜距向分辨率為2.33m，方位向分辨率為 13.96m，極化方式為VV極化，使用的Sentinel?\1數據主要參數見表2；采用30m分辨率的AW3D30數字表面模型（digital surface model，D *** ）數據輔助SAR影像配準和地理編碼，其高程精度優于5m。

表1 本文使用的高分三號數據主要參數

表2 本文使用的Sentinel?\1數據主要參數

1.研究 ***

本文使用偏移量跟蹤技術對覆蓋依嘎冰川的高分三號和Sentinel?\1影像進行處理。偏移量跟蹤技術可以計算兩景SAR影像獲取的時間段內冰川在距離向和方位向的運動分布情況。一般來說，偏移量跟蹤技術的精度可以達到SAR影像像元分辨率的1/10以上，以10m分辨率的高分三號數據為例，其結果精度優于1m。

偏移量跟蹤技術的關鍵算法是歸一化互相關算法，歸一化互相關算法計算出的SAR影像總偏移量一般是地形、電離層、軌道以及冰川運動引起的偏移量的總和。在研究區地形起伏不大且SAR影像對空間基線較短時，地形起伏引起的偏移量往往可以忽略，而電離層引起的偏移量與研究區的緯度和SAR影像的波長相關。本文研究區處于低緯度區域，SAR數據為C波段，且與電離層變化的空間尺度相比冰川面積很小，電離層影響可以忽略。但研究區地形陡峭，影像對的平均垂直基線在1000m以上，地形引起的偏移量不可忽略。故本文使用基于外部數字高程模型（digital elevation model，DEM）輔助的SAR影像配準 *** ，該 *** 利用外部DEM和SAR影像的軌道信息建立起主從影像的配準查找表，將研究區地形引起的偏移量計算到查找表內，并且對根據初始查找表重采樣獲得的主影像與從影像實施互相關配準，據此進一步精化查找表，降低由軌道定位不準確引起的偏移量誤差，在空間基線較大時仍能精確地配準兩幅SAR影像，提高地形起伏地區偏移量跟蹤結果的精度。

2.數據處理

本文使用的5景高分三號影像，除2017?\11?\17和 2018?\03?\13兩個時間段接收的影像具有相似的覆蓋范圍外，其余3景SAR影像的覆蓋范圍均有較大差別。故首先依據依嘎冰川在SAR影像中的具 *** 置，將5景SAR影像適當裁剪為同一覆蓋范圍，然后利用外部DEM輔助SAR影像配準。配準完成后，設定搜索窗口對SAR影像執行基于影像強度信息的互相關計算，互相關系數更大處即為像元的偏移量。本文將搜索窗口設為150×150像元，可以較好地保留結果的局部細節。對Sentinel?\1數據的搜索窗口設為256×64像元。

1.結果分析

對高分三號以及Sentinel?\1影像應用偏移量跟蹤技術獲取了依嘎冰川地距向和方位向的位移分布，將地距向和方位向位移合成并轉化為冰川日均流速，從而得到了兩個數據集的依嘎冰川水平面二維速率場，如圖2所示。圖2中，GF?\3表示高分三號影像，S1表示Sentinel?\1影像。

圖2 依嘎冰川水平面二維速率圖

根據高分三號監測結果圖（圖 2（a）~2（d））可知：（1）整體來看，在可監測到的冰川運動范圍內，冰川末端到冰川上端，冰川表面速度呈現出先減速、后增加到基本穩定，再到顯著增加、顯著減少至穩定的趨勢。其中，冰川更大速度主要分布在冰川中部區域，在4個監測時段內，中部冰川區的運動速率均大于1m/d。（2）由于缺少明顯的地物特征（如裂隙、冰磧物等），依嘎冰川積累區表面較為平滑，偏移量跟蹤技術適用性降低，導致大部分積累區無法監測出形變結果。（3）與近似同時期Sentinel?\1影像結果相比（圖 2（e）），兩組冰川流速結果的強弱態勢在空間上高度吻合，更大流速均分布在冰川中部，但在細節上略有不同 。相比15m空間分辨率的Sentinel?\1流速結果，5m分辨率的高分三號流速監測結果細節更加豐富。（4）在4個監測時段內，依嘎冰川表面運動分布具有高度一致性，與利用COS?\MO?\SkyMed反演出的依嘎冰川運動結果進行對比，在冰川中部坡度陡變處的流速顯著增加、顯著減小變化情況一致，兩種結果顯示出的冰川運動分布總體吻合。

圖3 高分三號影像依嘎冰川監測結果剖面線速率及高程變化圖

為定量化分析依嘎冰川的速率變化情況，沿冰川主冰流線取一條剖面線（圖 2（a）中黑色曲線，起點為冰川末端），統計了沿剖面線高分三號結果在4個時段的冰川速率變化及高程變化（見圖3）；將高分三號監測結果欠采樣至Sentinel?\1相同的分辨率，并對比剖面線上高分三號與Sentinel?\1的速率分布（見圖4）。

圖4高分三號（2017?\12?\16―2018?\01?\14）與Sentinel?\1（2017?\12?\10―2018?\01?\15）影像監測結果

由圖3可以看出，剖面線上4個時段依嘎冰川具有相似的速率分布，經統計，各個時段剖面線上冰川的平均運動速率依次為50cm/d、49cm/d、48cm/d和49cm/d，十分接近，表明2017?\11―2018?\03依嘎冰川運動速率穩定；與高程聯合分析可知，距剖面線起點的4000~4800m是冰川表面高程變化最劇烈的區域，此處冰川運動速率急劇增加，到5500m處，高程變化穩定， 冰川速率也下降并趨于穩定。以上表明，地面高程變化與冰川速率的變化密切相關。在距剖面線起點約600m處，速率出現陡降，除與局部坡度變緩有關外，也與此處山谷走向變化、冰流受山體阻擋有關。由圖4可知，高分三號和Sentinel?\1剖面線上速率整體變化態勢較為吻合，在距剖面線起點約4500m的坡度陡變處，兩種結果的運動速率都顯著增加。但Sentinel?\1結果速率分布相比高分三號波動較大，且更大速率低于高分三號結果，其原因應為Sentinel?\1空間分辨率較低導致的信息采樣不足，一方面降低了結果的信噪比，另一方面也難以反映出局部的運動速率高值。

本文利用5景高分三號影像，應用偏移量跟蹤技術對依嘎冰川2017?\11―2018?\03期間的表面運動速度進行了監測，得出以下結論：

1）4個時段的依嘎冰川表面速度變化不明顯，速度空間分布具有一致性。從冰川末端到冰川上端，冰川表面速度呈現出先減速后增加到基本穩定，再到顯著增加、顯著減少至穩定的趨勢，其更大速率分布在冰川中部，速率高于1 m/d，與高程聯合分析發現，此處也是冰川表面高程變化更大的區域。

2）與以往研究結果及兩景Sentinel?\1的偏移量跟蹤結果進行對比，并計算高分三號4個時段基巖區速率殘差的均方根誤差，本文結果與以往學者的研究成果及Sentinel?\1的結果十分吻合，且基巖區的均方根誤差小于3.1cm/d，遠小于依嘎冰川的運動速率，驗證了本文結果的可靠性。

3）高分三號可以全天時、全天候獲取影像，具有高分辨率、大幅寬等優勢，能有效應用到冰川表面運動監測中，可作為冰川表面運動定期監測的重要數據來源之一。考慮到其高空間分辨率和高性價比的優勢，高分三號必將在中國冰川遙感監測中發揮獨特作用。

本文研究表明國產SAR衛星數據可用于定期監測冰川運動變化情況，但本文研究區尚無實測數據驗證，下一步工作將結合地基SAR等實地測量儀器、星地聯合驗證結果的可靠性。