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不同偏移量追踪算法提取冰川流速的亚像素级精度比较

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冰川冻土 2024年第3期46卷 806-818页

作者：杨治斌李刚毛燕婷冯小蔓陈卓奇中山大学测绘科学与技术学院南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519082 极地环境立体观测与应用教育部重点实验室(中山大学) 广东珠海519082

偏移量追踪技术不易失相关,是利用光学与SAR卫星影像监测冰川流速的主要手段。该技术通过互相关方法获得像素级偏移量,并通过插值算法达到亚像素级别。实地测量冰川流速不易获取,难以用于验证亚像素级算法精度,因此本文采用图像处理方... 详细信息

偏移量追踪技术不易失相关,是利用光学与SAR卫星影像监测冰川流速的主要手段。该技术通过互相关方法获得像素级偏移量,并通过插值算法达到亚像素级别。实地测量冰川流速不易获取,难以用于验证亚像素级算法精度,因此本文采用图像处理方法对其精度进行分析。本研究以格陵兰Petermann和Kangerlussuaq冰川为例,通过模拟实验设定偏移量场并生成模拟的偏移影像,将COSI-Corr、autoRIFT和ImGRAFT等偏移量追踪软件得到的结果与设定偏移量场对比,而后使用三次函数拟合判断是否存在系统误差,并通过拟合函数的反函数对其进行校正。结果表明COSI-Corr软件的偏移结果的亚像素级系统误差较小,而autoRIFT和ImGRAFT存在一定的亚像素级系统误差且与实验区无关。autoRIFT的亚像素级系统偏差最大,校正后其单方向RMSE平均提升了0.0054 pixels(px),提升率约为11%;而ImGRAFT(CCF-O)和ImGRAFT(NCC)的单方向RMSE平均分别提升了0.0014 px和0.0012 px,提升率较小。经校正后,autoRIFT精度最优,Petermann和Kangerlussuaq冰川区域的单方向综合精度分别为0.04 px和0.12 px;ImGRAFT(CCF-O)表现次之,不同实验条件下的单方向精度约为0.08 px;Im GRAFT (NCC)较差,Petermann和Kangerlussuaq冰川区域的单方向综合精度分别约为0.09 px和0.12 px。

关键词：偏移量追踪法 COSI-Corr autoRIFT ImGRAFT 插值精度冰川流速

格陵兰冰盖次表面湖多源遥感监测——以格陵兰中西部流域为例

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地球物理学报 2022年第10期65卷 3818-3828页

作者：李岚静陈卓奇郑雷程晓中山大学测绘科学与技术学院广东珠海519082 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519082 中国高校极地联合研究中心北京100875

格陵兰冰盖在夏季会发生剧烈融化,融水在低洼处汇集形成冰面湖,储存了大量的融水,在冰盖的水文系统中起着至关重要的作用,是格陵兰冰盖质量平衡的重要组成部分.近期有研究发现大量的冰面湖在冬季不会完全冻结,而是掩埋在雪层或冰层下以... 详细信息

格陵兰冰盖在夏季会发生剧烈融化,融水在低洼处汇集形成冰面湖,储存了大量的融水,在冰盖的水文系统中起着至关重要的作用,是格陵兰冰盖质量平衡的重要组成部分.近期有研究发现大量的冰面湖在冬季不会完全冻结,而是掩埋在雪层或冰层下以液态水形式存在,形成冰盖次表面湖.冰盖次表面湖对格陵兰冰盖稳定性和物质平衡会产生重要的影响.由于次表面湖存在于冰盖表层之下难以通过可见光影像进行提取和分析,次表面湖的监测成为次表面湖研究的难点之一.本研究提出一种利用Landsat8和Sentinel-1数据自动提取次表面湖范围的方法.该方法先利用可见光影像提取夏季冰面湖的范围对SAR影像进行掩膜,再根据冬天水体和冰面的后向散射具有可分性的原理,通过Rosin阈值分割算法,提取得到2018—2019年冬季格陵兰中西部流域的次表面湖并对其分布进行分析.在研究区内选择10个测试区域,利用该方法对区域内的次表面湖进行目视解译,并对算法自动提取次表面湖结果进行精度验证.结果表明,本研究提出的自动提取算法Kappa系数为0.85.基于该方法,本研究在2018年格陵兰中西部流域共提取夏季冰面湖的面积为102.28 km~2.约43.09%的夏季冰面湖不会完全冻结,从而在冬季形成次表面湖(面积为44.07 km~2).

关键词：格陵兰冰盖次表面湖 Sentinel-1 Rosin算法

2011-2020年弗拉姆海峡夏季海冰漂移跟踪及变化分析

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地球物理学报 2023年第7期66卷 2726-2740页

作者：方岩王雪陈卓奇李刚惠凤鸣程晓中山大学测绘科学与技术学院南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)广东珠海519082 极地环境立体观测与应用教育部重点实验室(中山大学) 广东珠海519082

准确的弗拉姆海峡海冰漂移监测对于量化弗拉姆海峡的海冰输出量,减少北极海冰流失量估计的不确定性具有十分重要的意义.由于数据源和算法的限制,现有的方法在夏季海冰漂移中应用效果不佳,难以监测到准确的海冰运动.本研究发展了一种基于... 详细信息

准确的弗拉姆海峡海冰漂移监测对于量化弗拉姆海峡的海冰输出量,减少北极海冰流失量估计的不确定性具有十分重要的意义.由于数据源和算法的限制,现有的方法在夏季海冰漂移中应用效果不佳,难以监测到准确的海冰运动.本研究发展了一种基于MODIS时序数据和A-KAZE算法的夏季逐日海冰漂移跟踪方法,并基于该方法开展了2011—2020年弗拉姆海峡夏季(4—9月)逐日的海冰漂移监测研究,分析了近10年弗拉姆海峡海冰流速的变化规律.研究选取2020年4月29日到5月5日弗拉姆海峡局部区域作为实验区对研究提出的方法进行了验证.实验结果表明,本研究提出的方法相比于经典的MCC模式匹配算法在跟踪精度上有很大提高,其中速度的均方根误差减少了2.13 km·d^(-1)(73%),角度的均方根误差减少了10°(38%).相比于常用的SIFT、SURF特征跟踪算法,本方法提取到的海冰漂移矢量在数量上更多,空间分布更广.同时,相比于使用MODIS每日合成数据,本方法使用的时序MODIS影像在实验区获取了更大的海冰漂移跟踪范围,平均每日的跟踪面积提升了862.62 km^(2)(近16倍),有效减少了云覆盖对光学数据跟踪效果的影响.此外,研究发现近10年弗拉姆海峡区域夏季海冰流速的空间分布比较一致,呈现出海峡南部流速高于北部,远离海岸流速高于近岸流速的规律.弗拉姆海峡夏季平均海冰流速在年际上不存在明显的增加或减少的趋势,但是在月尺度上总体呈现出4—7月下降,7—9月回升的趋势.本研究提出的海冰漂移跟踪方法可为夏季的海冰漂移研究提供新的思路,针对近10年弗拉姆海峡夏季海冰流速的分析结果也可应用于北极海冰快速变化等相关研究中.

关键词：海冰漂移弗拉姆海峡夏季时序MODIS A-KAZE算法

基于升降轨Sentinel-1影像的格陵兰后向散射系数入射角归一化方法

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遥感学报 2023年第9期27卷 2072-2084页

作者：陈晓李刚陈卓奇鞠琦郑雷程晓中山大学测绘科学与技术学院/南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 珠海519082

合成孔径雷达(SAR)影像的后向散射系数与电磁波入射角以及地表特性密切相关,因此应用宽幅SAR影像对格陵兰冰盖开展研究分析时,应订正入射角对后向散射回波信号的影响。目前主流的针对冰盖表面入射角改正算法为余弦平方法,该方法假设冰... 详细信息

合成孔径雷达(SAR)影像的后向散射系数与电磁波入射角以及地表特性密切相关,因此应用宽幅SAR影像对格陵兰冰盖开展研究分析时,应订正入射角对后向散射回波信号的影响。目前主流的针对冰盖表面入射角改正算法为余弦平方法,该方法假设冰雪表面为朗伯体对SAR影像后向散射系数进行改正,但将冰体假设为朗伯体存在明显不合理之处。本文提出了一种基于线性回归的后向散射系数改正算法,该方法假设近同时获取的格陵兰冰盖Sentinel-1双极化SAR影像后向散射特性保持不变,后向散射系数的差异仅与入射角差异相关。通过寻找后向散射系数与入射角之间的定量关系,获得归一化的双极化SAR影像后向散射系数。考虑到在不同季节和海拔的格陵兰冰盖冰雪表面后向散射特性不同,本文引入了海拔和季节两个参数,估算了不同季节与海拔条件下的归一化改正系数。将本文提出的后向散射系数改正方法应用于格陵兰Sentinel-1影像,结果表明本文提出的方法对于同极化影像的改正优于余弦平方法,而交叉极化影像改正效果与余弦平方法相近。本研究提出的改正方法可以更好地改正格陵兰冰盖的Sentinel-1宽幅SAR影像的后向散射系数,降低后续应用的不确定性。

关键词：遥感后向散射系数归一化入射角哨兵一号格陵兰冰盖合成孔径雷达冰冻圈冰川影像镶嵌

不同偏移量追踪算法提取冰川流速的亚像素级精度比较

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冰川冻土 2023年

作者：杨治斌李刚毛燕婷冯小蔓陈卓奇中山大学测绘科学与技术学院南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 极地环境立体观测与应用教育部重点实验室(中山大学)

偏移量追踪技术不易失相关，是利用光学与SAR卫星影像监测冰川流速的主要手段。该技术通过互相关方法获得像素级偏移量，并通过插值算法达到亚像素级别。实地测量冰川流速不易获取，难以用于验证亚像素级算法精度，因此本文采用图像处... 详细信息

偏移量追踪技术不易失相关，是利用光学与SAR卫星影像监测冰川流速的主要手段。该技术通过互相关方法获得像素级偏移量，并通过插值算法达到亚像素级别。实地测量冰川流速不易获取，难以用于验证亚像素级算法精度，因此本文采用图像处理方法对其精度进行分析。本研究以格陵兰Petermann和Kangerlussuaq冰川为例，通过模拟实验设定偏移量场并生成模拟的偏移影像，将COSICorr、autoRIFT和ImGRAFT等偏移量追踪软件得到的结果与设定偏移量场对比，而后使用三次函数拟合判断是否存在系统误差，并通过拟合函数的反函数对其进行校正。结果表明COSI-Corr软件的偏移结果的亚像素级系统误差较小，而autoRIFT和ImGRAFT存在一定的亚像素级系统误差且与实验区无关。autoRIFT的亚像素级系统偏差最大，校正后其单方向RMSE平均提升了0.0054 pixels(px)，提升率约为11%；而ImGRAFT(CCF-O)和ImGRAFT(NCC)的单方向RMSE平均分别提升了0.0014 px和0.0012 px，提升率较小。经校正后，autoRIFT精度最优，Petermann和Kangerlussuaq冰川区域的单方向综合精度分别为0.04 px和0.12 px;ImGRAFT(CCF-O)表现次之，不同实验条件下的单方向精度约为0.08 px;Im GRAFT (NCC)较差，Petermann和Kangerlussuaq冰川区域的单方向综合精度分别约为0.09 px和0.12 px。

关键词：偏移量追踪法 COSI-Corr autoRIFT ImGRAFT 插值精度

2022年1月汤加火山海啸引发南极冰舌前缘崩解

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Science Bulletin 2023年第5期68卷 456-459页

作者：梁琦李腾 Ian Howat 肖万鑫惠凤鸣陈卓奇郑雷程晓 School of Geospatial Engineering and Science Sun Yat-sen University and Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai)Zhuhai 519082China Byrd Polar and Climate Research Center Columbus OH 43210USA School of Earth Sciences the Ohio State UniversityColumbus OH 43210USA

On 15 January 2022,the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai volcano(20.54°S 175.39°W),a submarine volcano located about 65 km north of Tonga’s main island in the South Pacific,violently erupted with a powerful explosion[1].The volcanic explosivity index(VEI)was estimated to be 6 indicating that the eruption was among the largest volcanic activity ever observed with modern geophysical instrumentation[2].The explosion ejected an enormous ash plume to record-breaking heights of~55 km[3]and caused atmospheric waves that propagated across the globe in less than 24 h[4].

关键词： volcanic submarine island

基于海冰密集度的南极威德尔冰间湖监测与评价

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极地研究 2023年第4期35卷 517-532页

作者：邝慧妍华健聪叶玉芳程晓惠凤鸣陈卓奇中山大学测绘科学与技术学院广东珠海519082 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519082

海冰密集度产品在冰间湖的监测与研究中应用广泛。本文使用8种典型的被动微波遥感海冰密集度产品(NSIDC-BT-25km、NSIDC-NT2-25km、NSIDC-NT2-12.5km、NSIDC-NTBT-25km、EUMETSAT-BTBR-25km、EUMETSAT-BTBR-10km、UH-ASI-12.5km和UB-ASI-6.25km)以及5种常用的海冰密集度阈值(15%、40%、50%、60%和70%)对南极威德尔海2016—2017年出现的冰间湖进行监测,并使用形态学后处理操作对监测结果进行优化;在此基础上,对比不同阈值条件、海冰密集度反演算法以及空间分辨率差异对冰间湖面积和范围的影响,并进一步探究形态学操作对监测结果的影响。结果表明:NSIDC-NTBT-25km产品对阈值的敏感性最高,NASATeam2(NT2)算法反演的海冰密集度产品对阈值的敏感性最低,并且其监测的冰间湖面积和范围相较于Bootstrap(BT)和ARTIST Sea Ice(ASI)算法产品的监测结果整体偏小;高空间分辨率产品监测到的冰间湖开放时间更早,面积和范围更大,持续时间也更长;空间分辨率对NT2算法产品影响最小,对ASI算法产品影响最大。形态学后处理操作虽对监测结果有一定影响,但与反演算法和空间分辨率所带来的影响相比均要小。

关键词：微波遥感海冰密集度威德尔冰间湖阈值法形态学处理

激光诱导荧光技术与地下水重金属原位检测应用进展

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岩矿测试 2024年

作者：毛康薛家奇陈卓张华中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室

对地下水重金属污染进行现场检测，是快速识别重金属种类和评价污染程度的重要手段。激光诱导荧光技术(LIF)利用特定荧光探针，在目标重金属存在下，通过激光诱导荧光探针产生/猝灭荧光，从而完成对重金属的识别和检测，具有快速甄别地... 详细信息

对地下水重金属污染进行现场检测，是快速识别重金属种类和评价污染程度的重要手段。激光诱导荧光技术(LIF)利用特定荧光探针，在目标重金属存在下，通过激光诱导荧光探针产生/猝灭荧光，从而完成对重金属的识别和检测，具有快速甄别地下水重金属污染特性和无损获取其价态的优势。本文在简述LIF检测重金属原理和LIF原位检测地下水重金属装备基础上，重点从荧光探针合成及其在重金属传感检测方法的构建上总结了基于不同荧光探针的LIF现场检测重金属的研究进展。目前可用于重金属检测的荧光探针包括以小分子探针、有机大分子和聚集诱导发光为主的有机荧光探针和以金纳米簇、量子点和金属有机框架材料为代表的纳米荧光探针。这些探针的合成及其对应的传感检测方法的构建表明LIF技术在地下水重金属检测中具有巨大优势。而针对地下水重金属检测的LIF设备研发方面的成果虽不如荧光传感检测方法丰富，但已研制出部分重金属的传感器和检测装备，表现出良好的应用前景。未来研究将会聚焦在地下水重金属主控因子识别和抗干扰技术研发、荧光探针合成与LIF检测方法构建、重金属传感部件和检测装备集成研制，以及检测技术标准化，为后续场地地下水典型重金属LIF检测技术的研究提供参考。

关键词：地下水重金属激光诱导荧光荧光探针现场检测

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中国首个格陵兰冰盖自动气象站

Science Bulletin 2023年第5期68卷 452-455页

作者：陈卓奇郑雷张宝钢赵天成 Karl B.Zinglersen 丁明虎张文千惠凤鸣程晓 School of Geospatial Engineering and Science Sun Yat-sen University&Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai)Zhuhai 519082China College of Global Change and Earth System Science Beijing Normal UniversityBeijing 100875China School of Environmental Science Nanjing Xiaozhuang UniversityNanjing 211171China Greenland Institute of Natural Resource Nuuk 5703900GreenlandDenmark Chinese Academy of Meteorological Sciences China Meteorological AdministrationBeijing 100081China Key Laboratory of Natural Resources Monitoring in Tropical and Subtropical Area of South China Ministry of Natural ResourcesZhuhai 519082China University Corporation for Polar Research Zhuhai 519082China

The Greenland ice sheet(GrIS)is the second largest ice sheet in the world,but it is the largest contributor to sea level rise[1]as global warming continues.If its mass was lost completely,global mean sea level would rise by about 7.2 m[2].Over the recent three decades,mass loss of the GrIS driven by oceanic and atmospheric warming has been significantly increased[3].

关键词：格陵兰冰盖自动气象站 warming