海冰厚度SAR探测方法简介

海冰厚度影响着气候变化和海-气能量与物质交换。一年平整冰对海-气界面物理过程的影响尤为显著，其厚度提取具有重要研究意义（Haas等，1997；Golden等，1998）。现有的冰厚度测量包括多种手段，它们各具优势，也存在问题。例如，现场测量准确性高但耗时费力，时空限制大；自发射海冰航标可以长期测量海冰厚度，但空间覆盖范围比较小；星载高度计可以获取连续时间、大覆盖范围的海冰厚度数据，但是空间分辨率非常低。因而，迄今为止，尚未有一种海冰厚度测量方法能够满足连续、大范围、高空间分辨率海冰厚度的获取要求。SAR可以获取全天时、全天候、高分辨率的海冰微波散射特性，如能利用SAR影像获取海冰厚度，就可以获取满足上述要求的海冰厚度信息（Kim等，2012）。

1.现有海冰厚度提取方法

近年来，随着Envisat ASAR、ALOS PALSAR、RADARSAT-2等高分辨率、多极化、不同波段卫星SAR数据的出现，利用SAR开展海冰厚度探测的研究逐渐增多，主要分为三类。

（1）海冰厚度分级反演方法

根据海冰类型的定义，不同类型海冰的厚度对应一定的厚度范围，因而基于海冰类型识别结果，根据定义对每一类海冰定性给出其厚度范围，这种方法可视为一种海冰厚度分级提取方法，反演精度主要依赖于海冰类型的识别精度。例如：利用多景时序SAR影像识别出初生冰，再对其指定厚度范围；利用SAR影像的海冰强度和形状等信息得到海冰类型识别结果，并指定相应的厚度属性；利用JPL实验室的机载L波段（波长为24 cm）全极化SAR数据，对北极冰间水道中的海冰以及一年冰和多年冰等多种海冰类型和它们对应的厚度进行了相关性分析，并结合理论模型证明了该方法的有效性；基于二叉树思想对高分辨率全极化C波段星载RADARSAT-2 SAR海冰影像进行分类，并给出各类的厚度范围（张晰，2011）。

（2）海冰厚度经验模型反演方法

这种方法的主要思路是，利用大量的现场实测海冰厚度数据和同步的SAR影像，分析海冰厚度和散射信息之间的相关性，结合海冰厚度和海冰盐度、介电常数等物理参数的经验方程，建立海冰厚度的经验或半经验模型，用于定量反演海冰厚度。现场数据的获取一般通过现场钻洞测量、船载和机载海冰厚度测量设备等。如利用机载SAR数据和同步海冰厚度数据分析SAR后向散射与海冰厚度之间存在相关性，证实了海冰厚度SAR反演的可行性（Similä等，2005）。利用机载双波段（L/X波段）海冰数据和同步的现场冰厚数据，分析海冰厚度和海冰SAR后向散射系数（HH/VV/HV极化）及同极化比的相关性，发现海冰厚度和同极化比的相关性最高，并建立了两者的经验模型反演了海冰厚度；还将此结论用于星载C波段Envisat ASAR海冰数据中，利用浮冰区和固定冰区海冰厚度和同极化比的经验模型反演了海冰厚度，证实了此方法的可行性。利用SAR数据和同步的现场冰厚数据，通过海冰类型和SAR数据的关系定性分析了海冰厚度的散射特性，并定量分析了海冰厚度与海冰SAR后向散射系数、同极化比和圆极化相关系数（ρRRLL）的相关性，结合海冰物理参数的经验方程，得到了海冰厚度和同极化比的经验公式。这些研究结论可以利用扩展Bragg模型解释，通过计算海冰SAR去极化效应的理论值，可以说明这些海冰极化特性可以有效估计海冰厚度；利用TerraSAR-X和RADARSAT-2的海冰SAR数据以及同步现场数据，也证实了去极化因子估计海冰厚度的有效性（Kim等，2012）。通过理论模拟也可以证实海冰SAR影像反演海冰厚度的可行性，利用解析波理论模拟了不同波段（L/C/X）下海冰厚度的探测能力，并利用星载L波段ALOS PALSAR和C波段Envisat ASAR数据进行了验证，证实了SAR海冰厚度探测的可行性（张晰，2011）。特以北极海冰厚度和同步RADARSAT-2数据为例分析极化比对海冰厚度的响应，如图2.14所示。其中，同极化比（VV/HH）与海冰厚度的相关性高达-0.767，交叉极化比（VH/HH和VH/VV）分别为0.556和0.668。

（3）海冰厚度电磁散射模型反演方法

从理论上看，基于海冰电磁散射模型，直接反推公式，得到海冰厚度的函数方程，是最准确的海冰厚度定量反演方法。由于海冰物理特性的复杂性，利用这种方法反演海冰厚度是一项艰巨的工作，这方面工作相对较少，但还是引起了人们的重视。现有研究方法主要还是利用实验室数据进行建模和反演验证，缺少实际应用情况下的例子，因而此方法的成熟还有很长的路要走。现已有利用时间序列SAR影像和室内人为可控生长的海冰，结合电磁散射模型和热力学生长理论，进行海冰的厚度反演的实例，该反演结果与实测数据比较吻合。

图2.14　海冰厚度和极化比的相关性

2.海冰厚度提取方法的发展(www.xing528.com)

海冰SAR的极化特征较多，目前其与海冰厚度的相关性并未充分挖掘和分析。特举极化Alpha角为例进行说明（刘眉洁等，2014）。Alpha角能够表征地物的散射类型，或者说能够反映地物散射的自由度。仍利用北极海冰厚度和同步RADARSAT-2数据分析Alpha角和海冰厚度的相关性，如图2.15所示。

图2.15　海冰厚度和极化Alpha角的相关性

从理论上分析，在海冰生长过程中，海冰表面复介电常数随着海冰厚度的增加而变化，即可以表示为海冰厚度的函数：ε=ε（h），其中ε表示海冰表面复介电常数，h表征海冰厚度，单位为米（m）。如前所述，海冰的极化Alpha角主要依赖于地物的表面复介电常数，即Alpha角是海冰表面复介电常数的函数：α=α（ε），其中α表示海冰的Alpha角，单位为度（°）。因而，海冰厚度和Alpha角可以借助海冰复介电常数这一中间变量从理论上建立起一定的函数关系：α=α（h）。可以表示为简单的线性关系：

其中，di（i=0，1）为待定系数，可由实测数据确定其具体值。由此得到海冰厚度和极化Alpha角的方程。

将海冰SAR的极化Alpha角数据和同步厚度数据随机分为两组，一组用于确定待定系数di，如图2.16所示；另一组用于反演海冰厚度并计算反演误差，反演结果如图2.17所示。

图2.16　海冰厚度和极化Alpha角的线性拟合曲线

图2.17　海冰厚度反演结果及其与实测数据的对比