极化合成孔径雷达探测冰川表碛理论与方法研究

Debris is mainly composed of the fragments of broken stones, which distributes widely in the ablation zones of mountain glaciers. Automatic detection of debris on remotely sensed images is difficult because its spectral characteristics are similar to those of the surrounding ground, which makes it a bottleneck while using optical remotely sensed images mapping. The debris plays an important role in glaciers mass balance. When the thickness of debris cover is small (about several centimeters), the debris accelerates ice thawing because of the increased absorption of solar energy by low-albedo and rapid heat transmission; as the thickness increases, the debris decreases ice melting because thicker debris hampers heat transmission and decreases ice melting. Synthetic aperture radar (SAR) is a more useful and promising tool for mountain glacier monitoring because it is sensitive to subtle wetness and roughness variation of snow and ice. Additionally, cloud cover has little influence on SAR data acquisition. This subject makes research on supraglacial debris mapping and its thickness estimation using polarimetric SAR. The topics includes: research on scattering methanism of the debris; accurate classification by combing image features and incident angle-related classification method; method on detection of debris thickness; new pattern on mass balance estimation of the debris covered glaciers based on glacier surface changes and debris thickness.

表碛是覆盖在冰川消融区表面的碎石、碎屑等混合物，在山地冰川区广泛存在.因其与周边非冰川区地面在可见光－近红外波段光谱特性相似，很难在遥感图像上识别，是目前冰川制图和监测的一大瓶颈。另外，表碛的厚度对于冰川的物质平衡具有重要影响，较薄的（几个厘米）表碛会吸收热量加快冰川的消融，而较厚的表碛会阻滞热量传播并减缓冰川消融。合成孔径雷达（SAR）几乎不受云雾等气象条件影响，对地表湿度、粗糙度敏感，且具有一定的穿透性，对冰川探测具有很大潜力。本课题将研究极化SAR探测冰川表碛边界和厚度的理论与方法：研究不同微波波段下表碛的散射机制；筛选SAR图像区分表碛与周边地物的典型特征，结合参考入射角度的新型分类算法，实现表碛覆盖型冰川高精度分类；研究SAR对表碛厚度的探测能力和探测方法；综合冰川表面变化与表碛厚度分布，建立遥感监测表碛覆盖型冰川消融状态与物质平衡的新模式。

冰川表碛是覆盖在冰川表面的一层碎石和碎屑。以往研究中，表碛的厚度如何反演，表碛对冰川消融的影响如何，都没有很好的结论。本课题采用合成孔径雷达，首先研究了表碛的微波散射特性，并在此基础上，研究了新型的表碛厚度反演算法。结合表碛厚度、冰崖冰湖提取信息、地形、物质平衡等信息，研究表碛型冰川消融特征及主要影响因素。研究成果包括：.（1）明确了表碛的微波散射机制。我们使用了C波段的RADARSAT-2, L波段的ALOS PALSAR进行试验分析。结果显示，在C波段和L波段，表面散射都是主要成分，但L波段ALOS体散射比例更大，与表面散射接近1:1..（2）研究了新型表碛厚度反演算法。为了适应粗糙度较高的表碛，提出了新型的极化分解方法，采用适用于高粗糙度的XBragg模型，二面角模型，接近于表碛颗粒的椭球体散射模型的组合形式，提高散射成份的计算精度。依据我们为表碛研究的极化分解算法，将表碛的散射成份分为粗糙表面散射、体散射以及二次散射。其中，体散射与表碛厚度相关。我们建立了表碛体散射传输方程，在介质成分均一、入射角度已知情况下，体散射能量是传输距离的幂指数函数。通过实验室测量表碛的平均介电常数，就可以通过体散射分量建立表碛厚度的反演函数。研究中选取天山南侧科其喀尔巴契冰川，通过将反演的表碛厚度与500多个实测点对比，反演函数具有很好的吻合度，整体反演精度优于12cm。.（3）表碛型冰川消融特征分析。冰川表碛厚度并不均一，且受到较多外界因素影响，因此表碛型冰川消融特征往往比无表碛的冰川更为复杂，且一般是非线性的。冰崖和冰湖的分布状况与冰川的消融速度直接相关，相反，表碛的厚度与冰川的消融速度相关性不大。.. 在项目支持下，以第一标注发表SCI论文4篇，以第二标注发表SCI论文1篇。其中Remote Sensing of Environment 1篇，IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing 1篇，Journal of Applied Remote Sensing 1篇，International Journal of Remote Sensing 1篇。