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第42卷第4期2020年12月Vol.42，No.4Dec.，2020冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY基于GF -1卫星遥感的冰川边界识别彦立利1，高健峰2，王建1，郝晓华1（1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州730000；2.中国地质大学（北京）信息工程学院，北京100083）摘要：高分一号（GF -1）卫星的成功发射开启了国产高分辨率对地观测的新时代，为探讨国产高分卫星在冰川边界识别中的有效性，在缺少短波红外和热红外波段的情况下，将GF -1影像、建立的波段比值Band 1/Band 4，数字高程模型和坡度相结合，采用面向对象的分析方法，经过反复试验，确定影像分割和合并尺度，进而确定冰川边界的知识规则，最终实现冰川边界的识别。
以研究区第二次冰川编目数据集作为参考数据，采用混淆矩阵的方法对识别结果进行验证，总体精度和Kappa 系数为90.05%和0.79。
同时将识别结果与人工修订冰川边界进行对比，可以发现除少量冰舌末端冰川外，该方法可以有效地对冰川进行识别。
建立的知识规则显示仅仅利用蓝色波段和DEM 就可以有效地提取裸冰区，波段比值、坡度和纹理特征更有助于冰舌的提取。
该研究表明GF -1卫星数据可以有效识别冰川范围，为冰川研究提供可靠的数据和研究基础。
关键词：GF -1；表碛覆盖冰川；地形参数；面向对象中图分类号：P 343.6；P 236文献标志码：A文章编号：1000-0240（2020）04-1400-070引言冰川变化不仅是气候变化的敏感指示器，而且是影响水资源变化、海平面上升、洪水、泥石流等自然灾害发生的重要因素。
进入21世纪以来，气候变暖，冰川消融加速，依据近年卫星遥感影像和20世纪60年代航空照片对全国范围内1700多条冰川的分析对比以及对数十条冰川实地考察验证表明，约82%的冰川处于退缩状态［1］。
作为水资源的冰川、积雪融水是河川径流的重要补给来源，是我国西部干旱地区绿洲农业赖以生存和发展的生命线［2-3］。
遥感数据在气象预报中的应用研究在当今科技飞速发展的时代，气象预报对于人们的日常生活、农业生产、交通运输以及防灾减灾等方面都具有至关重要的意义。
而遥感数据作为一种强大的观测手段，为气象预报提供了丰富且宝贵的信息，极大地提高了气象预报的准确性和可靠性。
遥感技术是一种非接触式的远距离探测技术，它通过传感器接收来自目标物体的电磁波辐射信息，并对这些信息进行处理和分析，从而获取有关目标物体的特征和状态。
在气象领域，遥感数据主要包括卫星遥感数据和航空遥感数据。
卫星遥感数据是气象预报中最为常用和重要的数据源之一。
气象卫星能够在全球范围内对大气的温度、湿度、云量、云的类型和高度、降水等要素进行连续观测。
例如，通过红外遥感技术，可以测量大气中不同高度的温度分布，从而了解大气的热力结构和垂直运动情况。
而微波遥感则能够穿透云层，获取云层内部的水汽含量和降水信息，这对于预报强降水等极端天气事件具有重要意义。
此外，卫星遥感还能够监测海洋表面温度、海冰覆盖范围等海洋气象参数。
海洋对于全球气候的影响巨大，海洋表面温度的变化会直接影响大气环流的模式，进而影响到各地的天气状况。
因此，准确获取海洋气象信息对于提高气象预报的精度至关重要。
航空遥感数据在气象预报中也发挥着一定的作用。
虽然其覆盖范围相对较窄，但在局部地区的精细化气象观测和研究中具有独特的优势。
例如，在对山区、城市等复杂地形区域的气象研究中，航空遥感可以提供高分辨率的风场、温度场等数据，有助于更好地理解和模拟这些地区的特殊气象现象。
遥感数据在气象预报中的应用主要体现在以下几个方面：首先是天气系统的监测和追踪。
通过遥感图像，可以清晰地看到冷锋、暖锋、气旋、反气旋等天气系统的形成、发展和移动过程。
这使得气象预报员能够提前预判天气的变化趋势，及时发布准确的天气预报。
其次是云的观测和分析。
云在气象过程中扮演着重要的角色，它们不仅影响着太阳辐射的收支，还与降水的形成密切相关。
遥感技术能够提供云的类型、云量、云顶高度等详细信息，有助于预报员评估未来的天气状况和可能的降水强度。
GNSS-R遥感国内外研究现状与发展趋势摘要：全球导航卫星系统(GNSS)不仅能够为空间信息用户提供全球共享的导航定位信息、测速、授时等功能，还可以提供长期稳定、高时间和高空间分辨率的L波段微波信号源。
近年来利用其作为外辐射源的遥感探测技术，GNSS-R反射信号遥感技术的兴起和发展格外引人注目。
这是一种介于被动遥感与主动遥感之间的新型遥感探测技术，可以看作为是一个非合作人工辐射源、收发分置多发单收的多基地L波段雷达系统，从而兼有主动遥感和被动遥感两者的优点，越来越受到人们的关注和青睐，先后开展了许多利用GNSS系统进行大气海洋陆面遥感等领域研究工作。
该文系统介绍了GNSS-R遥感技术的研究现状和发展趋势。
关键词：GNSS-R；遥感；反演；反射信号1引言全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)主要包括GPS、GLONASS、GALILEO、北斗系统。
随着对GNSS研究的深入，一些学者发现，GNSS除了具有能够为用户提供导航定位信息，测速、授时等功能外，还可以提供高时间分辨率的L波段微波信号，由此开辟了一个新的研究领域。
人们把基于GNSS反射信号的遥感技术，简称全球导航卫星系统反射信号遥感技术(Global Navigation Satellite System-Reflection, GNSS-R[1])。
2 GNSS-R遥感原理GNSS-R遥感技术的原理，是通过特殊的GNSS接收机接收直射和反射信号，通过码延迟和相关函数波形及其后沿特性进行分析，获取目标参数信息。
基于无线电物理微波信号散射理论，特别是利用双基地雷达传输方程，分析目标物反射信号与GNSS直接信号在强度、频率、相位、极化方向等参数之间的变化。
基于这种散射特性，反演反射面的粗糙度、反射率等，计算目标物的介电常数等参数，从而确定目标物的性质和状态。
3 GNSS-R应用针对GNSS-R 的应用国内外已经开展了相应的地基、机载和星载实验，其应用领域也由最初的海洋遥感，逐渐向陆面遥感扩展。
海洋遥感技术与应用海洋遥感技术是一种通过卫星、飞机等远距离传感器获取海洋信息的技术手段，通过对海洋表面、海洋底部以及海洋大气等不同要素的监测和分析，可以为海洋科研、资源开发利用、环境监测等提供重要数据支持。
海洋遥感技术的应用领域涵盖广泛，涉及海洋资源调查、海洋环境监测、海洋灾害预警等多个方面，对于推动海洋事业的发展具有重要意义。
一、海洋遥感技术的原理和方法海洋遥感技术是利用卫星、飞机等平台搭载的传感器对海洋区域进行观测和监测，通过接收、记录和解译传感器所获取的电磁波信号，获取海洋表面、海洋底部以及海洋大气等不同要素的信息。
海洋遥感技术主要包括微波遥感、红外遥感、激光遥感等多种手段，其中微波遥感在海洋遥感中具有重要地位，可以实现对海洋表面风场、海温、海冰、海洋色彩等参数的监测。
二、海洋遥感技术在海洋资源调查中的应用海洋遥感技术在海洋资源调查中发挥着重要作用，可以实现对海洋渔业资源、海洋能源资源、海洋矿产资源等的监测和评估。
通过遥感技术，可以实现对海洋渔业资源的动态监测，及时掌握渔业资源的分布和数量，为渔业生产提供科学依据。
同时，海洋遥感技术还可以用于海洋油气资源的勘探和开发，通过对海洋地质构造和沉积物的遥感监测，为海洋油气资源的勘探提供数据支持。
三、海洋遥感技术在海洋环境监测中的应用海洋遥感技术在海洋环境监测中也具有重要意义，可以实现对海洋水质、海洋生态环境、海洋污染等方面的监测和评估。
通过遥感技术，可以实现对海洋水质参数如叶绿素浓度、浮游植物种类等的监测，及时发现海洋环境变化和异常情况。
此外，海洋遥感技术还可以用于监测海洋生态系统的变化，保护海洋生物多样性，维护海洋生态平衡。
四、海洋遥感技术在海洋灾害预警中的应用海洋遥感技术在海洋灾害预警中扮演着重要角色，可以实现对海洋台风、海啸、赤潮等灾害事件的监测和预警。
通过遥感技术，可以实现对海洋气象要素如风速、风向、海浪高度等的监测，及时预警海洋台风等极端天气事件。
学年论文：遥感技术在海洋研究中的应用学院：海洋学院姓名：***学号：********遥感技术在海洋研究中的应用陈瑞瑞（天津科技大学海洋学院海洋技术专业天津 300457）摘要：在分析遥感技术特点的基础上，从其在海洋应用的基础研究和在海洋与海岸带资源环境监测，海洋资源研究等方面，论述了遥感技术在海洋的应用和研究进展，说明了遥感技术在海洋研究中不可替代的作用，最后本文提出了遥感技术在海洋研究中着重发展的几个建议。
关键词：遥感技术；海洋；海洋研究。
Abstract: in the analysis based on the characteristics of the remote sensing technologyand its application in the ocean from the basic research and in the coastal ocean and resource environmental monitoring, Marine resources research, the paper discusses the application of remote sensing technology in the ocean and research progress, and that the remote sensing technology in Marine research the role that cannot be replaced and, in the end, this paper puts forward the remote sensing technology in the ocean in the development of research on several Suggestions.Key word s: remote sensing technology; Marine; Marine research.引言随着我国经济实力的增强，各国之间竞争日益加剧，能源，土地，海洋太空各方面的竞争。
＊ 本文得到国家自然科学基金和国家南极“85”攻关905项目共同资助。 ＊＊ 本文于1996年6月收到。
利用卫星遥感监测南极海冰的研究和进展郝春江 解思梅 王毅 邹斌(国家海洋环境预报中心,北京)摘 要本文是根据南极“八五”国家攻关课题中的“南极海冰监测和预报”的考核目标,实现为南极考察船在冰区中航行提供精确和清晰的冰图和预报。为达到此目标,首先于1992/93年第9次南极考察队在南极长城站和中山站建立了高分辨率卫星接收站,工作3年共记录了卫星资料1A磁带1000多盘约500千兆,并能现场提供卫星云图作为气象预报的重要依据。这两个站的卫星接收处理系统均是在DOS系统下的卫星小遥感系统。这些磁带带回国内后,进行处理提取海冰信息大约要1200个工作日,并且必须有配套的处理系统,即在AST386微机上配有MVP图象板和SONY监视器的系统上。但这些硬件都已淘汰,无法配置。新研制的Windows系统下的卫星接收小遥感处理系统充分体现Window系统的优点,即多任务、多窗口、自由漫游、用户界面友好等。比原系统的处理速度提高了10倍,读取和记带速度提高了5倍,图象分辨率提高了16倍。图象信息增加了21倍。该系统不需要任何图象板和监视器,只需一台微机即可,并不受微机更新换代的影响,故延长了寿命。该系统能提供高分辨率的冰图,精确表示出冰缝、水道区,为船舶航行起到更好的导航作用。关键词:卫星遥感接收系统,监测南极海冰。
一、引 言自从我国在东南极普里兹湾东岸建立了中山站,南极考察船每年都要穿越普里兹湾冰区抵达中山站,进行后勤补给和换班,隔2年还要实行一船两站绕南极航行,此期间需在冰区外缘带中航行,因此海冰是我国南极考察船航行和科考的最大障碍和灾害,对南极海冰的预报要求迫切。为了做海冰预报,首先就要对海冰进行监测,获取实时资料和冰情,方可进行海冰预报,为船舶提供实况和预报。南极由于特殊恶劣环境的原因,地面测站和船舶都很少,我国的南极考察船航行的海域大(绕南极的冰洋区),只有卫星监测才能获取大范围的海冰资料。为了解决海冰监测的问题,“八五”国家南极攻关课题的重要任务之一就是解决此问题。
第13卷 第4期海 洋 预 报Vol.13,No.41996年11月MARINEFORECASTSNov.,1996二、卫星遥感监测接收系统 1.卫星遥感监测海冰的方法在南极长城站和中山站建立了高分辨率的卫星接收系统。首先在南极长城站于1992年12月16日建立了高分辩的卫星接收站,该站上所有的接收系统是由国家海洋环境预报中心遥感部“75”期间研究成功的卫星接收微机化的小遥感系统。与此同时在中山站于1993年1月由国家气象卫星中心也建成了卫星接收站,其接收系统是由该中心“75”期间研制成功的小遥感卫星接收系统。这两个站的卫星接收系统的性能基本相同。所用天线均是由川页公司赞助的小型天线。由于在两个站顺利的建成了卫星接收站,从1993年1月开始正式接收卫星资料,已接收了将近3年的1A格式的资料,两站已记录了约1000盘525兆的小磁带资料,为研究卫星遥感监测海冰的方法提供了基础资料。
2.南极两站卫星资料的处理和应用为了处理由南极带回来的卫星资料首先也相应配置了与南极站上相同的接收处理系统,该系统的主要特点是依托于MVP图象版和SONY(512×512)的监视器系统,并要求在386微机上DOS系统下进行工作。在处理一年一度由南极带回来的大量磁带(每年300多盘)时,发现:(1)工作量大。(2)消耗磁带价格太贵(每盘带高时为380元,现在也要250元),要全部复制保存应用是不可能的,因为每年支出的磁带费约10万元。(3)磁带读取方式费时间,一盘带上的记录10条轨道的文件,读取一盘带约需5个小时。(4)显示出来的图象分辨率低。因为SONY(512×512)型号的显示器,在读取1A资料时只能4取1,虽然NOAA卫星分辨率为1.1km,但经过系统处理后显示出来的清晰度却降低了16倍。因此不能分析出来较狭窄的冰裂缝,也不能为南极考察船在现场提供祥细的航道起到导航的作用。(5)该卫星接收系统不能支持普通的激光打印机输出图象随时在站上向船上传送海冰密集度分布图提供导航。只能用硬拷贝但价格太昂贵。(6)所采用的MVP图象版和监视器目前已被陶汰,市场上无货源供应。由于以上6个方面的原因,特别是(4)、(5)两个问题不能解决现场接收及时向船上提供冰情预报问题,是关键性的问题。
3.研制成功改进了的WINDOWS系统下的卫星遥感接收系统由于以上5个方面的问题,从1994年度开始研究WINDOWS系统下的卫星接收系统。该系统已于1995年研究成功,并在1995年11月由第12次科考队到南极去更新原接收系统,特别是要解决中山站现场接收云图和冰图,向船上随时提供云图和冰图指导航行。该系统是在WINDOWS系统下的软件系统,其优点:(1)比原系统的硬设备要求简易(原系统指两站以建立的DOS系统下的卫星遥感系统)。只需要在一台586微机(或其它档次的都可以,当然微机档次越高相应的速度越快),不需要MVP图象版或其它图象显示卡来支持。解决了不会因随着微机等硬设备系统的迅
10 海 洋 预 报 13卷速发展而被陶汰。(2)该系统可以支持激光打印机,可输出清晰的图象,随时提供给用户。(3)显示功能提高了目标图象信息量。可显示2048×2710×24=5529600×24位真彩色,比原来的512×512×24提高了21倍。(4)可以同时显示多种图象。在屏幕上可同时显示局部和整体等多幅图象。可根据需要将局部放大数倍和数十倍。多幅图象同时显示便于比较。这是WINDOWS系统的多窗口独特的功能。原系统在DOS系统下就不具备这种功能。(5)可以作图象屏幕漫游,上下卷动、左右移动,而原系统也不具备这种功能。(6)从MVP图象版转移到WINDOWS系统上,实质上是实现了从硬件到软件的移植,结束了对MVP图象版依赖的状况(该版已停止生产,市场上已经绝迹)。而WINDOWS系统是当今所有微机的基本支持系统,今后一切厂商的软件开发都必须支持WINDOWS,所以实现了图象系统的WINDOWS移植就可以方便地应用这些最新的成果。(7)改用了4MM/4G的小磁带,其优点是:①存储量大(2～4G),是原来525磁带的4～8倍;②体积小是原用小磁带的六分之一;③记录和读取比原525磁带所用时间少,提高5倍,价格便宜。记录同样多的资料所需费用仅是原磁带费用的1/10,每年两站的磁带消耗费可节约10多万元。(8)开发新产品的功能增强了。除原来只能带回的1A带之外,现场可在3～5分钟内完成1A-1B转BMP形式(而原来系统1A-1B需20～30分钟),将其成品图象选择性的记录到图象库中。有了图象库使用非常方便,带回来的产品可直接应用于研究和预报,方便了用户。不需再从1A-1B选图花费大量的时间和精力了。 4.利用WINDOWS系统下的卫星接受处理系统处理出的云图和海冰图举例:
图1 1993年11月27日11时44分在德雷克海峡西侧向东移动的一个强气旋
114期 郝春江等:利用卫星遥感监测南极海冰的研究和进展
图2 1993年11月24日21时39分在南极半岛东侧威德海中部的浮冰分布状况
图3 1993年11月24日21时39分威德海内部近岸处的冰缝(75°～77°S,60°～30°W)
12 海 洋 预 报 13卷三、讨论和结论 1.讨论卫星接收小遥感系统的最大优点是将原来的卫星接收和处理设备的大型或中型计算机来完成的工作移植到微机上实现。“七五”攻关推出了第一代产品,该系统是在DOS系统下工作,依赖于MVP图象版和监视器等硬设,整个系统限制在386微机上使用。目前这些硬件设备正趋于淘汰,使该系统的设备维修和更新日趋困难。另外其图象输出必须靠硬拷贝机,故价格昂贵,不利于业务化。针对以上局限性,我们开发了第二代产品,即Windows系统下的卫星小遥感系统。它的优点表现在:(1)克服了第一代产品的所有局限性。(2)充分利用和发挥了Windows系统的多窗口、多任务、自由漫游、用户界面友好等优点。(3)价格便宜,是第一代产品价格的一半,并且实现了由激光打印机直接输出图象。(4)因为整个系统不再依赖特定的硬件设备,不受微机更新换代的影响,故寿命长。目前,国内的几家有关单位都在积极研制Windows系统下的卫星遥感处理系统,但尚未有产品问世。而我们已用于改造南极两站的卫星接收系统,即将和正在南极两站建站,并且也已应用此系统处理应用前3年南极两站接收的1A磁带。国际上已有美国研制成这样一套系统,并实现了商品化。北京大学已购置了美国的产品。该产品的突出优点体现在其天线控制部分是组合便携式的。但在软件系统上,他们只提供执行程序,不提供源程序,用户不能针对自己的需要进行改进和二次开发。而我们独立研制成功该系统后,将不会受制于人,可根据需要直接处理、存储各种产品,并且可不断地自由地进行再开发和应用。
2.结论(1)在南极长城站和中山站建立的第一代卫星高分辨率接收站完成了3年的卫星接收资料的历史使命,记录了一千多盘525兆的资料,为南极海冰的科研和预报提供了基础资料。(2)新研制成功的Windows系统下的卫星接收处理系统,其处理磁带的速度比第一代提高了5倍,1A转1B的速度提高了10倍,图象信息量提高了21倍,分辨率提高了16倍,而价格降低了一半,磁带消耗由原来的10～15万元降至1万元,既降低了10多倍,并提高了实现业务化系统的可行性。该系统分析出的高分辨率的冰图,能够清楚的表示出冰缝和水道等。
134期 郝春江等:利用卫星遥感监测南极海冰的研究和进展
