科研动态 | 极地与海洋遥感团队在南极蓝冰的提取与分类研究中取得新进展 - 海洋测绘的特点和主要方法

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研究背景

蓝冰是南极冰盖特有的一种地表覆盖类型，覆盖整个南极大陆约1%的面积，具有平坦坚硬、低反照率的特点，表面以升华消融为主，在古气候研究、陨石搜寻和南极机场选址等方面都具有实际应用价值。蓝冰可分为风蚀型和消融型两类。风蚀型蓝冰通常位于冰原角峰或陡峭的山脉附近，由下降风和冰流侵蚀表面积雪而出露在冰盖表面；消融型蓝冰则主要分布在沿海区域，表面存在季节性融化，与冰盖的水系发育有很大关系。现有的蓝冰分类方法均基于光学遥感数据展开，然而光学遥感数据受大气和云的影响较大。尽管合成孔径雷达（SAR）具有不受光线、天气和云的限制等优点，但由于雷达影像噪声较大，目前暂时没有基于合成孔径雷达的高精度蓝冰制图与分类方法。

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论文介绍

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本研究以典型蓝冰聚集地Lambert冰川流域为研究区域，通过星载可见光传感器与SAR的优势互补实现了蓝冰的高分辨率监测与分类。首先，利用Sentinel-2光学影像，根据不同地表覆盖类型在假彩色合成影像上的形态差异（图1a），构建不同地表覆盖类型样本库，分析各地表覆盖类型的光谱反照率（图1b）和归一化蓝冰指数NDBI（Normalized Difference Blue ice Index）并划定阈值，绘制了Lambert冰川流域蓝冰区地理分布图（图3a）。随后，基于消融型蓝冰和风蚀型蓝冰的雷达相干性差异，基于C波段Sentinel-1 SLC数据进行干涉处理，获取了Lambert冰川流域10 m空间分辨率的蓝冰分类图（图3b），分类结果总体精度可达0.91。研究表明，Lambert冰川流域蓝冰总面积约为1.986 × 104 km2。其中，消融型蓝冰面积约为1.276 × 104 km2，风蚀型蓝冰面积约为0.710 × 104 km2。最后，本研究结合DEM、地表温度和反照率数据进行了深入分析，发现消融型蓝冰表面温度较风蚀型蓝冰要略高，主要原因有两点，一是消融型蓝冰多位于温度更高的低海拔沿岸区域，二是消融型蓝冰表面相对更为粗糙且存在融水，反照率更低，吸收更多太阳辐射。

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图1 a. Sentinel-2假彩色合成影像上的不同地表覆盖类型；b. 不同地表覆盖类型及其反射率差异；c. 不同蓝冰类型的干涉相干图；d. 不同蓝冰类型的雷达相干性差异。

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图2 基于Sentinel-1/2的南极蓝冰提取和分类研究技术路线图

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图3 Lambert冰川流域的蓝冰分布，（a）基于Sentinel-2的蓝冰分布图，（b）基于Sentinel-1的蓝冰分类图（风蚀型蓝冰和消融型蓝冰两类），绿色为等高线（m）。

研究意义

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本研究首次结合可见光与合成孔径雷达数据开展南极地区蓝冰分类研究，有助于更深入地了解南极冰雪环境和气候变化，并为机场选址和陨石搜寻工作提供更全面的参考。

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研究成果于近日以“Antarctic Blue Ice Classification using Sentinel-1/2: An application in the Lambert Glacier Basin”为题发表在《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》上。中山大学测绘科学与技术学院极地与海洋遥感团队硕士研究生周伊萌为文章第一作者，团队骨干成员郑雷副教授、团队核心成员惠凤鸣教授为文章的通讯作者，团队首席科学家程晓教授、学院环境遥感团队硕士研究生许瑞为文章的合作作者。

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该项目得到了国家自然科学杰出青年基金（41925027）与青年基金（42206249、42006192）、南方海洋与工程广东省实验室（珠海）创新团队建设项目（311023008）的支持。

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文章链接

https://ieeexplore.ieee.org/document/10461048

周伊萌，中山大学测绘科学与技术学院硕士研究生，师从惠凤鸣教授，主要研究方向为极地遥感。

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郑雷，中山大学测绘科学与技术学院副教授。主要研究方向为冰雪遥感、寒区地表过程模拟与极地气候变化。曾参加中国第38次南极科学考察及多次青藏高原科学考察。近5年来在GRL、RSE、JGR、Journal of Climate、The Cryosphere等期刊发表高水平论文40余篇。承担国家自然科学青年基金、博士后面上基金和特别资助项目。

惠凤鸣，中山大学测绘科学与技术学院教授，博士生导师。主要研究方向为极地冰雪参数遥感制图与海冰遥感监测研究，在RSE、IEEE TGRS、JGR-Oceans等遥感和地学领域SCI期刊发表论文70余篇。连续两次被选派参加中国第28次、第29次南极科学考察执行科研任务，参加2014年8月北极黄河站冰川野外考察。2017年以来多次到芬兰、格陵兰等北极地区开展科考与合作交流。

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