基于极端环境无线传感器网络观测平台的极区冰架/冰盖运动变化监测研究

The Antarctic environment is very bad; human beings can reach the region and long-term residents rarely. Satellite remote sensing has become an important means of continuous large-scale monitoring of the movement of the Antarctic ice shelves. Using of satellite remote sensing can obtain a wide range of relevant parameters of the ice shelf kinematics, but the reliability of the obtained parameters has been constrained by the lack of ground verification. The continuous monitoring of high frequency can't be achieved with the satellite recycle limit. Terrestrial wireless sensor network technology is a new growth point of traditional remote sensing, its acquisition of high-frequency continuous observation data can validate satellite remote sensing data, reduce the intensity of the work of the researchers in harsh environment and make it possible to build space-air-ground integrated monitoring network. The project plans for the research of wireless sensor network technology for automatic monitoring of the Antarctic ice shelf movement; building intelligent GPS continuous automatic monitoring system on the basis of existing wireless sensor networks observation platform in polar environments; further study of the low-temperature power supply, energy access and remote communication; combining continuous, long time series of data obtained by the platform with the instantaneous observation of a large area of multi-source remote sensing data, which can enhance the retrieval accuracy, reliability of satellite remote sensing and the understanding of the complex process of change on the ice shelf.

极区环境十分恶劣，人类能够到达并长期居留区域甚少，卫星遥感成为连续大范围监测南极冰架运动重要手段。利用卫星遥感可以获取大范围的冰架运动学相关参数，但所获得参数的可靠性由于缺乏地面验证而受到了制约。受卫星重返周期的限制，高频率的连续监测还无法实现。地面无线传感器网络技术是传统遥感一个新的生长点，其所采集的高频率连续观测数据能够验证卫星遥感数据，还能减轻科考人员在恶劣环境下的工作强度，使得构建空天地一体化的监测网络成为可能。本项目计划研究面向南极冰架运动自动监测的无线传感器网络技术，在已有极端环境无线传感器网络观测平台基础上，集成智能的冰架/冰盖连续自动监测系统，进一步研究低温供电、能源获取和远程通讯等问题；研究将该平台获取的连续、长时间序列的数据与大面积瞬时观测的多源卫星遥感数据的相结合，提升卫星遥感的反演精度和可靠性，提升对冰架复杂变化过程的理解。为进一步深入研究全球气候变化提供更多依据。

通过卫星遥感获取的极区冰架运动学相关参数，由于缺乏地面验证，数据可靠性不佳。地面无线传感器网络技术是传统遥感一个新的生长点，其所采集的高频率连续观测数据能够验证卫星遥感数据。.本项目集成了基于极端环境无线传感器网络观测平台的极区冰架/冰盖运动变化监测系统，可以实现在无人值守的极区低温的环境下对GPS观测数据的接收、存储和远程通信发送。该监测设备基于嵌入式系统设计，采用低功耗的STM32系列ARM作为核心主控芯片完成对整个系统的统一任务调配和管理。12V\40Ah的低温锂电子电池与60W太阳能充电配合的电源管理方式解决了设备在无人值守条件下的能源需求问题。微波无线通信满足了数据远程发送以及任务远程设置和软件维护的需求。基线向量解算值与真实设备移动距离的比较得出GPS设备监测误差控制在毫米级别，完全满足极区冰架运动学参数要求。设备同步观测时间在0.5—1h时，兼顾数据准确和能源低损耗。.研究将2012年获取的南极冰架GPS数据与大面积瞬时观测的多源卫星遥感数据相结合，发现研究区域冰架每天运动方向不一致，每天移动距离在0.14-10.433m，平均3.702米/天。Landsat7遥感影像在小尺度变化监测中受限，建议在极区冰架运动监测中采用空间分辨率在3m以上的影像。重返周期的限制使得遥感影像无法完成高频率的监测，而该监测系统则可以解决这个问题。本研究后续阶段在安徽省池州市进行陆地冰架运动模拟实验，人为定期移动监测设备，并与该区域同时间段内搭载NAD和MUX传感器的资源3号高分辨率遥感影像对比。GPS设备的投影面积（≈1m2）低于大多高分辨率影像的单个像素对应的地面面积，影像上对设备的定位偏差值与空间分辨率相关，其中搭载NAD传感器的影像偏差约为7-28米（2-8 个像素），而MUX传感器的偏差约为10—25米（2-5个像素），偏差值也受影像拍摄角度的影响。.遥感是目前极区运动监测的主要手段，遥感与地面GPS监测数据的结合可以提升卫星遥感的反演精度，加深对冰架高时间分辨率变化过程的理解，为进一步研究全球气候变化提供更多依据。