南极冰盖物质平衡变化的卫星遥感监测现状与发展趋势.pdf

南极冰盖物质平衡对全球海平面变化影响巨大，提高南极冰盖物质平衡估算精度对实现全球海平面变化趋势准确预测至关重要卫星遥感技术的发展，特别是极地卫星对南极冰盖系统监测能力的提升，有助于认识、保护和利用南极，解决极地科学国际前沿难题揭示南极冰盖对全球气候环境的响应及其反馈机制，对深化人类对南极的科学认知也具有重要意义本文首先系统总结了用于南极冰盖监测卫星的发展现状及现有的卫星遥感数据产品序列，然后讨论了运用遥感卫星监测南极物质平衡的主要方法和研究进展，并对南极卫星遥感技术的最新进展进行了分析最后在我国极地遥感卫星发展方面提出了建议，旨在进一步提升我国对极地冰盖变化和全球海平面上升的长期观测及预测能力，为相关应对策略的制定提供有力的科学支撑关键词卫星监测；遥感数据；南极冰盖；气候变化；海平面上升 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目国家自然科学基金（）；国家重点研发计划（）；国家海洋局极地考察办公室极地科学协同创新平台项目（）；中央高校基本科研业务费专项资金资助第一作者简介李荣兴，男，教授，主要从事高分辨率卫星数据处理方法、与智能空间信息、极地与全球变化遥感监测的研究 ：通讯作者安璐，女，副教授，主要从事极地遥感、气候变化、机载重力模型、冰川与海洋的相互作用的研究 ：犃 犱 狏 犪 狀 犮 犲 狊 犻 狀狊 犪 狋 犲 犾 犾 犻 狋 犲 狉 犲 犿 狅 狋 犲 狊 犲 狀 狊 犻 狀 犵犿 狅 狀 犻 狋 狅 狉 犻 狀 犵狅 犳犃 狀 狋 犪 狉 犮 狋 犻 犮 犐 犮 犲犛 犺 犲 犲 狋犿 犪 狊 狊 犮 犺 犪 狀 犵 犲 狊 ，犆 狅 犾 犾 犲 犵 犲 狅 犳犛 狌 狉 狏 犲 狔 犻 狀 犵牔 犌 犲 狅 犻 狀 犳 狅 狉 犿 犪 狋 犻 犮 狊，犜 狅 狀 犵 犼 犻犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犛 犺 犪 狀 犵 犺 犪 犻 ，犆 犺 犻 狀 犪犆 犲 狀 狋 犲 狉犳 狅 狉犛 狆 犪 狋 犻 犪 犾犐 狀 犳 狅 狉 犿 犪 狋 犻 狅 狀犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲犪 狀 犱犛 狌 狊 狋 犪 犻 狀 犪 犫 犾 犲犇 犲 狏 犲 犾 狅 狆 犿 犲 狀 狋犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀 狊，犜 狅 狀 犵 犼 犻犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犛 犺 犪 狀 犵 犺 犪 犻 ，犆 犺 犻 狀 犪犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 ，地 球 物 理 学 报（）卷 ，犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊 ；引言南极是全球气候变化研究中最为敏感和关键的区域之一，其物质平衡的变化会对全球海平面变化、水循环、大气热动力循环等关键过程造成显著影响（秦大 河 和 丁 永 建，；，；，；徐冠华等，；，；李斐等，）政府间气候变化专门委员会第六次气候变化评估报告（，）指出，自 年以来，全球平均海平面上升速度比过去 年来的任何一个世纪都要快 年期间，全球冰川质量损失是导致全球平均海平面上升的主要因素（，）研究表明，南 极 冰 盖 在 年 损 失 的 冰 质 量 为 ，造成全球海平面上升了 ，但该结果存在较大不确定性（大于），主要来自观测误差、表面物质平衡（，）误差和冰川均衡调整模型误差等（，）因此，精确估计南极物质平衡并降低其对全球海平面上升贡献预测的不确定性是一个国际前沿科学问题近年来我国发布的 海洋科学与技术规划 国家极地科技创新专项规划（）等战略规划和技术规范都高度依赖于卫星观测技术在冰盖变化和不稳定性监测领域所取得的重要突破面向极地冰盖现状监测的卫星主要包括极地专业卫星，如 （，；，）、（，）、（；，）等，以及用于全球变化和对地观测卫星，如 （；，）、（；，）、系列（；，）、（；，）及 （；，）等此外，我国高纬度卫星，如北斗卫星导航系统（，）、资源三号（唐新明等，；，）、高分系列（曹海翊等，）、冰路卫星（，）及中法海洋卫星（，）等，搭载了定位、激光高度计、雷达高度计、合成孔径雷达（，）、回波探测仪和多光谱仪等传感器，可针对极地海冰、冰川、积雪、海平面高度等相关要素展开观测随着极地冰盖观测卫星种类的增多和观测能力的提升，各类卫星数据在南极冰盖监测中的应用十分广泛，例如：用于监测南极冰盖表面高程变化的测高系列卫星数据（，；，；，；，；，；，；，）；用于大面积冰流速遥感监测的光学影像和 影像数据（，；，；，；，）；用于南极冰下湖网系统活动监测与冰下热力学及水势分析的卫星测高和探冰雷达数据（，；，；，；，；，）等在冰盖物质平衡研究方面，针对不同数据类型（）测高数据、（）重力数据、（）光学和 卫星影像数据反演的冰流场，发展出了包括卫星测高法、重力测量法和输入输出法在内的各种估算方法（，；，；，；，）综上所述，现代卫星遥感技术的发展，尤其是极地专业卫星的应用，对面向南极冰盖的系统性监测期李荣兴等：南极冰盖物质平衡变化的卫星遥感监测现状与发展趋势具有十分重要的意义本文介绍了南极冰盖监测卫星的发展、我国极地卫星的进展及南极冰盖卫星遥感产品的现状，汇总了极地冰盖物质平衡监测方法和国内外主要研究进展，包括卫星测高法、重力测量法和输入输出法，最后展望了未来极地卫星遥感的发展趋势，并对我国自主卫星在极地研究方面的发展提出了建议 南极冰盖监测卫星及技术方法 国内外南极冰盖监测卫星目前国际上对南极冰盖物质平衡状态有着较为统一的认识，即南极冰盖物质整体处于加速流失的状态具体而言，西南极冰盖和南极半岛物质呈负平衡状态，而东南极冰盖物质呈现平衡或微增状态（，；，；，）近 年来，遥感监测技术（包括卫星测高、重力观测、光学或 影像测量等）被广泛应用于南极冰盖的长期精密观测，并研发出了大量遥感数据产品本节从三个方面对南极冰盖卫星监测技术及相关产品进行介绍 用于南极冰盖监测的卫星南极航空活动始于 年，等人首 次 驾 驶 飞 机 到 达 南 极 半 岛（，）；的国际地球物理年开创了南极冰盖大规模测量和考察站观测的新时代（，）；年代，早期卫星 （）、（）等的大面积应用，配合航空和地面平台仪器进行关键参数观测，获取了大量南极早期珍贵的光学影像随着卫星遥感技术的提升，特别是针对极地冰冻圈研发的专业卫星，如 、和 ，以及国际上用于南极冰盖监测的其他卫星，如 （）、（）、（）、（）、系 列、（）系列、系 列、（，；，）、（）、系列、（）、（）、（）、（）、及 等的发展，范围更大和精度更高的南极冰盖时空监测数据得以获取和应用我国自主研发的卫星，如北斗卫星导航系统、资源三号、高分系列等，搭载了定位、激光高度计、雷达高度计、合成孔径雷达、回波探测仪和多光谱仪等多种传感器，也逐渐应用于南极变化监测本文关注重点是应用于南极 冰 盖 物 质 平衡 监 测 的相 关卫 星，分 为测 高、光学、重力四种类型，总结于表下文根据传感器类型，具体介绍用于南极冰盖监测的各类卫星（）测高卫星测高卫星分为雷达测高卫星和激光测高卫星两大类 年，美国航空航天局（，）发射的 卫星是第一颗星载雷达测高卫星其搭载的雷达高度计（，）最小脉冲地面光斑直径为 ，测高精度为 （，；，）卫星发射于 年，是第一颗用于全球海洋观测的卫星，搭载了雷达高度计和第一个星载，观测范围为 ，轨道周期为，在光滑平面上最小脉冲地面光斑为 ，在粗糙表面上直径更大 在赤道处的轨道间距最大，为 ，在极地轨道间距则较小，测高精度为 ，但只在轨个月（，；，；，；，）为提高对海面的观测能力，美国于 年发射了 卫星，与 轨道及观测范围基本一致，在完成大地测量任务（，）后，年开始精确重复轨道任务（，），获 取 了 大 量 高 度 计 数 据（，）后续卫星 （）运行时间为 ，与 运行在相同的轨道上，保证了观测数据的连续性 由欧洲航天 局（，）分 别 于 和 年发射，开展针对极地冰层、全球海洋及大地 水 准 面 的 监 测 任 务（，；，）搭载的雷达高度计 的地面光斑大小为 （脉冲限制），高程观测精度为 ，冰盖表面观测精度达 ，可用于估计全南极高程变化（，；，；，）地 球 物 理 学 报（）卷表用于南极冰盖监测的卫星汇总犜 犪 犫 犾 犲犛 狌 犿犿 犪 狉 狔狅 犳 狊 犪 狋 犲 犾 犾 犻 狋 犲 狊 犳 狅 狉犃 狀 狋 犪 狉 犮 狋 犻 犮 犐 犮 犲犛 犺 犲 犲 狋犿 狅 狀 犻 狋 狅 狉 犻 狀 犵类型卫星在轨时间应用激光测高 卫星测高法物质平衡、海冰干弦、冰下湖监测等激光测高 至今卫星测高法物质平衡、海冰干弦、冰下湖裂隙监测等 雷达测高 卫星测高法物质平衡等 雷达测高 卫星测高法物质平衡等雷达测高 卫星测高法物质平衡等 雷达测高 输入输出卫星测高法物质平衡、冰流速、接地线、边缘线等 雷达测高 输入输出卫星测高法物质平衡、冰流速、接地线、边缘线等雷达测高 至今卫星测高法物质平衡、海冰干弦等 雷达测高 输入输出卫星测高法物质平衡、冰流速等 至今输入输出法物质平衡、冰流速、接地线、边缘线等 至今输入输出法物质平衡、冰流速、接地线、边缘线等 至今输入输出法物质平衡、冰流速、接地线、边缘线、海冰监测等 至今输入输出法物质平衡、冰流速、接地线、边缘线、海冰监测等 至今输入输出法物质平衡、冰流速、接地线、边缘线、等光学 （）输入输出法物质平衡、冰流速、边缘线等光学 系列 至今输入输出法物质平衡、冰流速、接地线、边缘线、裂隙检测等光学 系列 至今输入输出法物质平衡、冰流速、等光学 、（）至今输入输出法物质平衡、冰流速、接地线、边缘线等光学 （）至今输入输出法物质平衡、冰流速、等光学 系列 至今、裂隙监测等光学 至今输入输出法物质平衡、冰流速、裂隙监测等光学 至今输入输出法物质平衡、冰流速等光学 至今输入输出法物质平衡、冰流速等光学 雷达测高 至今输入输出卫星测高法物质平衡、冰流速、海冰干弦等光学 雷达测高 至今输入输出卫星测高法物质平衡、冰流速、海冰干弦等重力 重力测量法物质平衡等重力 重力测量法物质平衡等重力 重力测量法物质平衡等重力 至今重力测量法物质平衡等 作为 卫星的延续，发射于 年，观测范围 ，搭载的雷达高度计 在光滑地面光斑直径为 （脉冲限制），沿轨光斑间隔约为 ，在赤道处轨道间距为 ，对海面测量精度优于 ，对冰盖表面观测精度达 （，；，；，；，），它与 地面轨迹相同，可构成长时间的观测序列 搭载的雷达高度计 是对 （）的改进，测量精度和分辨率更高，冰面数据覆盖更好，应用于海洋环流、极地冰盖变化测量等领域（，；，）于 年发射后运行至今，观测纬度高达 ，轨道周期 ，相较于 和 ，观测点密度有了明显提升高纬度的极地轨道（）间距缩小至 ，在纬度 处可达到每平方公里内有 个交叉点，同时光斑直径也明显减小（，）的雷达高度计（，）有三种观测模式：、模式和 模式，对应南极表面不同的坡度和粗糙度，分别应用于南极冰盖内陆、冰盖边缘及周 围 海 冰 的 观 测对 于 海 冰 和 冰 盖 高 程 监 测，期李荣兴等：南极冰盖物质平衡变化的卫星遥感监测现状与发展趋势 的观测精度为 （，）雷达测高卫星能够获取南极冰盖表面高程变化，实现南极冰盖物质平衡估算和接地线（也称触地线，秦大河，）的位置探测上述提到的 、等雷达测高卫星，通过高度计监测南极表面高程变化，实现了对南极物质 平 衡 的 估 算（，；，；，；，；，）大多数雷达高度计都工作在 波段，由于其对冰雪表面具有一定的穿透能力，理论上最大穿透深度约为（，；，），且雷达高度计的地面光斑直径比较大，一般可达数公里，因此针对地形细节的测量能力不足，在冰盖表面测量精度比在海面低较多激光测高卫星对冰雪表面几乎不具备穿透能力，且地面光斑大小为几十米甚至更小，更适用于南极冰盖表面高程的监测和物质平衡变化的估算 卫星是第一颗激光测高对地观测卫星，在轨时间为 年，搭载的激光高度计（，）的地面光斑直径为，比雷达高度计有明显缩小，沿轨光斑间隔为 ，跨轨间隔在赤道处为 ，在纬度 处为 ，整体观测精度可达到 ，在平坦冰面可达到 （，；，；，）由于 在观测精度和空间分布方面均优于雷达测高卫星，已被广泛应用于南极冰盖及局部区域的高程精密监测中 卫星发射于 年，作为 的后续卫星，其搭载的激光系统（，）是一种多波束光子计数激光雷达，发射束对排列的脉冲，地面光斑直径约为，激光系统沿卫星地面轨迹每隔 进行一次高程测量，每对脉冲间距约 ，不同脉冲对间距约 ，密集的地面覆盖率便于获取更加详实 的 地 形 信 息（，；，；，）地面精度验证实验表明，冰雪表面高程测量精度可达到，能显著降低南极冰盖变化监测误差和对海平面上升贡献估计的不确定性（，）、和 是专门为极地冰盖监测、冰盖物质平衡估算研制的卫星，具体参数见表表极地测高卫星参数比较犜 犪 犫 犾 犲犘 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳狆 狅 犾 犪 狉犪 犾 狋 犻 犿 犲 狋 狉 狔狊 犪 狋 犲 犾 犾 犻 狋 犲 狊卫星观测参数 任务时间 至今 至今轨道倾角 轨道高度 轨道周期 测高精度 分米级波束个数沿轨光斑间距 跨轨光斑间距 （赤道）（）（一对脉冲）（不同对脉冲）（赤道）（）光斑直径 沿轨 跨轨 脉冲重复频率 （）卫星 是一类主动微波成像雷达，特点为全天时、全天候且具有一定的穿透能力 、等卫星除了搭载雷达高度计外，还搭载了，其中 上搭载了第一个星载 传感器 、等则是专门的 成像卫星（，；，；，；，；，；，）经过几十年的发展，的时空分辨率均有显著提高早期的 重访周期为，和 为，而 通过多颗卫星串行可以将重访周期缩短至；的空间分辨率为方位向，距离向，近年来 卫星的分辨率则提高 至 米 级，目 前 在 轨 卫 星 中 分 辨 率 最 高 的 是 ，其 数据的方位向和距离向分辨率分别达到 和（，；，）卫星在南极冰盖变化监测中具有重要作用联合 、和 等 卫星观测，可以生成南极接地线产品（，；，；，）；、等 卫星数据还广泛应用于冰流速监测（，；，）和基于输入输出法的南极物质平衡估算（，）；地 球 物 理 学 报（）卷卫星的干涉测量还可用于生成高精度数字高程模型（）产品，如利用多星观测重访周期降低至的 和 ，沿轨间距减小至 的 和 等（，；，）（）光学卫星光学卫星对南极的监测最早可追溯到 世纪 年代，随着卫星遥感技术的不断发展，用于观测南极的光学卫星也在不断增多，此外时空分辨率已分别达到和亚米级（表）表主要光学卫星参数及在南极的应用犜 犪 犫 犾 犲犗 狆 狋 犻 犮 犪 犾 狊 犪 狋 犲 犾 犾 犻 狋 犲狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊犪 狀 犱狋 犺 犲 犻 狉犪 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀 狊 犻 狀犃 狀 狋 犪 狉 犮 狋 犻 犮 犪卫星传感器（全色及近红外）全色分辨率重访周期影像幅宽数据获取时间在南极主要应用 框幅式相机 （）（扫描为）约 全南极镶嵌图，区域流速图，区域 等 系列卫星 （）（，）（）（）（）（）（，）（）（，）（，）至今全南极流速图，全南极 接地 线 及 其 他应用等 系列卫星两台 （，）两台 （）两台 和一台 （）（，）（，）（）（，），有 的重访能力 至今南极冰川流速、等 至今全南极 平均，极地地区一天可观测多次 至今全南极流速图、接地线、边缘线等 多光谱扫描仪 单星为 双星为 至今南极 冰 川、湖 泊、海冰观测等 系列卫星 相机（），相机（，）（）（）（，）平均 至今全南 极、小 范围 高精 度 三 维 重建等第 一 代 卫 星 包 括 了 ，和 这个系统，收集了 年间的历史卫星影像（，；，），其中仅 （代号 ）收集到了南极大陆的数据（，），分别为任务 （年月 日 年月 日）、（年月 日 年月日）和 （年 月 日 年 月日）影像的相片尺寸为 ，单幅 影 像 覆 盖 地 面 范 围 约 为 （，）原始胶片线条分辨率为 ，但考虑到胶片光敏颗粒特性，其实际分辨率为（，），目前美国地质调查局（，）将其扫描为分辨率约 的影像在 执行的次任务中，拍摄时间为南半球秋天，南极内陆处于黑暗环境，而海岸线附近则被云覆盖，获取到的影像几乎无法使用 拍摄于南半球冬天，且仅有低纬度海岸附近影像，云量比 稍少，影像总体质量也略优而 则是在春季拍摄，覆盖了整个南极大陆，影像数量最多由于胶卷成像、长期存储、影像扫描等原因，影像整体质量较差并受到噪声影响此外，由于 影像缺乏地面参考，需在量测前使用框标进行内定向，再使用地面控制点和 进行正射纠正虽然针对 影像的处理与研究具有一定挑战性，但其将南极冰盖变化研究的遥感影像时间序列拓展至 世纪 年代，是十分珍贵的研究资料在此之前，年的 光学影像是最早用于研究南极的卫星影像，但其无法通过摄影测量立体观测技术获取南极表面高程变化 等（）应用光束法平差处理了 影像，实现了几何定位；等（）在两期 影像上运用视差分解法，同时提取了南极 冰川 年的冰流速和地形信息图是南极 冰川 年期间的多张光学影像实例美国陆地卫星（）计划自 年月 日 以来已发射了颗卫星（第颗发射失败），形成期李荣兴等：南极冰盖物质平衡变化的卫星遥感监测现状与发展趋势图南极 冰川光学影像实例，依次为 、和 影像 ，了长达 年的卫星观测序列 影像幅宽为 ，由于传感器不断的进化，所获得影像波段数不断增加，分辨率不断提高，定位精度不断提升（表）的 相较于 的增加了全色波段（波段），分辨率提高至，而 、上的 和 陆地成像 仪 全 色 波 段 范 围 更 窄，更 有 利 于 区 分 地 物（，）和影像的地面位置偏移可达几千米，量测前需要用地面控制点进行地理配准及正射纠正 影像的定位精度约为（，；，），影像则提高至（，）卫星每隔 覆盖全球一次，实现了每隔或更短时间对南北纬 以上高纬地区进行重复观测，使 其 对 冰 雪 和 水 体 的 观 测 能 力 得 以 提 升（，）数据时间覆盖范围从 年持续至今，是继 影像后南极最早的卫星影像，广泛用于南极冰盖历史冰流速提取、南极冰盖接地线和边缘线提取以及南极冰川编目产品生成等（，；，；，；，）系列卫星具有良好的立体观测能力，自 年 发射以来，时空分辨率显著提高（，）全色分辨率达 ，与 组成的四星星座具备每日两次的 重 访 能 力（表）中 等 分 辨 率 成 像 光 谱 仪 是搭载在 和 卫星上的重要传感器 和 卫星分别于 年 月 日和 年月日成功发射，两颗卫星相互配合，每隔重复观测整个地球表面，得到 个从可见光波段到热红外波段的观测数据，分辨率为 、和 （，）其中，可见光热红外波段数据分辨率为 ，应用于南极冰流速场、接地线、边缘线及冰川编目等产品的提取（，；，；，；，）搭载在 卫星上，波段范围从可见光到热红外光，可获得 个不同波长的高分辨率数据，分辨率为，其中 和 构成的立体像对基高比为，可用于生产高分辨率南极冰盖（，；，）卫星任务由欧盟委员会和欧空局共同执行，和 分别于 年月和 年月发射，单星重访周期为，双星互补重访周期为 地 球 物 理 学 报（）卷 共有 个光谱波段，其中红、绿、蓝和近红外波段分辨率最高，为，定位精度为 （，；，），主要应用于农业监测、自然灾害制图、土地覆盖分类或水质 监 测、冰 川 监 测 以 及 冰 雪 覆 盖 监 测 等 方 面 系列卫星是性能非常高的光学遥感卫星，年发射的 全色分辨率高达 ，多 光 谱 分 辨 率 为 ，而 年 的 将全色和多光谱分辨率分别提升至 和 （，）重访周期可达，高时空分辨率可支持高精度地面信息快速采集和 产品生成（，）（）重力卫星卫星重力测量是通过卫星观测数据反演地球重力场 发射于 年月，是德国一项小型卫星任务其初始轨道高度为 ，轨道为近圆形、倾角 的近极地轨道，携带了双频 接收机 、加速度计 在内的多个传感器，在全球长波重力场模型恢复方面取得了重大进展，获得的空间分辨率为 ，较之前其他卫星恢复的重 力 场 模 型 精 度 有 显 著 提 高（，）其后，美国 和德国航空航天中心（，）合作的 卫星于 年月发射，它由两颗完全相同的卫星组成，分布在倾角 的近圆形轨道上，轨道高度约 ，两星沿轨间距 ，携带了波段微波测距系统 、接收器、加速度计 等传感器，通过两星的间距变化获取地球重力场在时间和空间上的变化（，）重力卫星由 和德国地学研究 中 心 （）合 作 研发，是 的后继卫星，于 年月发射，采用与 相同 的双向微 波 测距（，）和 可以在约 内覆盖整个地球表面，提供地表空间分辨率为 的月度全球重力场模型，可用于跟踪和监测冰层和冰川、近地表和地下水储存以及海平面和洋流的变化（，）此外，可进行卫星间激光测距干涉测量（，），测距精度得到极大提高，为未来 卫 星 重 力 观 测 的 改 进 奠 定 了 基 础 的 卫星发射于 年月，目标是以百公里级的分辨率收集地球平均重力场信息，同时也是第一颗采用梯度测量的卫星，使用个加速度计组成梯度计对沿梯度计轴的重力梯度进行测量为达到 空 间 分 辨 率，运 行 于 较 低 轨 道 上（年月 年月期间约 ，其后开始降轨），并于 年 月燃料耗尽进入大气层（，；，）重力卫星数据可用于直接估计冰盖质量变化，由于不受体积转化为质量的中间过程影响，广泛地应用于南极冰盖区域性和整体物质平衡估算（，；，；，；，；，）用于南极冰盖监测的我国自主卫星我国目前在轨运行和即将发射的卫星遥感系统包括北斗卫星、海洋卫星、资源卫星、高分卫星、小卫星系列等（表）根据轨道的最高纬度和搭载传感器类型，以上卫星在南极有着不同的覆盖范围、观测类型和数据采集频率北斗卫星导航系统（，）是我国自主研发的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统（，）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（，）之后第个成熟的卫星导航系统在我国多次南极科考活动中，联合 、及 欧 盟 伽 利 略 卫 星 导 航 系 统（，），提供了卫星定位和测绘控制的精准支持特别是在第 次南极科考中，用于获取中山站至泰山站之间 长的测线上的高精度车载全球卫星导航系统（，）冰雪表 面 高 程 数 据，对 沿 线 新 型 单 光 子 测 高 卫 星 的 和 数据产品的厘米级测高精度进行了评估（，）南极恶劣的气候环境导致实测数据稀少，北斗系统的研发与应用为卫星测高获取的表面高程和遥感影像提取的冰流速等产品提供了宝贵的验证信息我国海洋卫星包括海洋水色卫星星座、海洋动力卫星星座和海洋监视监测卫星个系列（，；文质彬等，）目前国内海洋卫星数据产品由国家卫星海洋应用中心统一分发（：）海洋动力环境卫星序列主要包括 海 洋 二 号 卫 星（）和 中 法 海 洋 卫 星（）等海洋二号卫星具有全球连续观测能力，有效载荷有雷达高度计、微波散射计、微波辐射计等，能够获得海面高度、海面温度以及生产海冰数据产品的相关信息 发射于 年，能够期李荣兴等：南极冰盖物质平衡变化的卫星遥感监测现状与发展趋势获取全球海面风场、南北极海冰信息以及极地冰盖等相关数据（，），提升了我国对极地以及周边海洋环境的观测能力（，）资源系列卫星（）用于勘测和研究地球自然资源我国已发射的资源卫星包括资源一号、资源二号和资源三号系列卫星，其中资源三号（）是我国首颗民用高分辨率光学立体测图卫星，兼具立体测绘和资源调查功能（表）号卫星的幅宽（）比 系列卫星（）要宽数倍，可以一次性观测更广的地表特征（，；，）卫星搭载的台全色相机，形成了立体全色影像，提供丰富的南极冰盖及冰架的三维几何信息目前在南极采集的 影像（图）主要分布在 冰架、冰架、冰架以及 区域，数据采集时间为 年图展示了包括 冰架的大型冰裂缝、冰架的融水湖、冰架上游的 冰川及 的冰架前缘崩解现象的 影像实例利用 影像可进行南极冰流场速度计算、边缘线变化观测、局部高程变化监测和南极风吹雪现 象 探 测 等（，；，）此表用于南极冰盖及周边环境监测的我国卫星犜 犪 犫 犾 犲犇 狅 犿 犲 狊 狋 犻 犮 狊 犪 狋 犲 犾 犾 犻 狋 犲 狊 犳 狅 狉犃 狀 狋 犪 狉 犮 狋 犻 犮 犐 犮 犲犛 犺 犲 犲 狋 犪 狀 犱狊 狌 狉 狉 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犵犲 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋犿 狅 狀 犻 狋 狅 狉 犻 狀 犵卫星分辨率影像数据幅宽数据获取时间在南极的主要应用北斗卫星导航系统 （开始向全球提供服务）表面高程、流速的获取和验证等中法海洋卫星 至今海冰参数、冰盖表面观测等 系列卫星 星：下视，前后视 ，星：下视，前后视 星激光测高仪：足印，点间距约 至今冰盖冰架表面大型裂隙和冰流速提取、边缘线监测、局部高程变化监测、风吹雪探测，大型冰架三维重建等高分系列卫星 ：（波段 ）：（立体前后视）：至今南极表面高程和质量变化监测等冰路卫星 至今大型冰架崩解事件、极地环境连续观测等图 影像在南极冰盖分布情况及部分实例 地 球 物 理 学 报（）卷外，立体像对可以对裂缝进行三维几何重建，提取裂缝关键参数信息，有效提高对冰裂隙的监测能力，揭示大型裂隙的发育机理，提高冰架建模的可靠性，为进一步分析冰架稳定性提供数据支撑（，）目前 、和 星共同组成我国立体测绘卫星星座高分卫星系列是我国高分辨率对地观测系列卫星，自 年以来共发射了 颗卫星（至 号），系列卫星波段包括全色、多光谱与高光谱，传感器包括光学、雷达、激光与大气探测仪等，是一个高时间、空间、光谱分辨率的对地卫星观测系统，具有广泛的应用前景 为光学卫星，主要搭载全色和多光谱相机，具有应急 的侧摆能力，多空间分辨率、多光谱、快速重访的特点可满足不同行业需求 星下点全色波段可达 分辨率 发射于 年，是我国首个分辨率达到的波段 卫星，具备 种成像模式，可面向全球观测，其数据能够较好地反映南极冰区的纹理，对极地冰 区导航 具有较好 的 应 用 效 果（曾 韬 等，）于 年发射，是高分系列首次具备立体观测能力的卫星，其搭载的两线阵立体相机，全色和多光谱分辨率分别为 和，此外还搭载了激光测高仪，光斑大小，测距精度为（坡度小于 ）的立体观测和激光测高数据可在极地研究中用于监测冰盖高程以及冰盖质量变化等，并且随着测高点密度的提高，数据覆盖范围的逐步扩大，在南极监测研究中将得到更好的应用冰路卫星（又称京师一号；，）于 年月 日发射，是由北京师范大学研制的可用于极地遥感监测的小卫星，对 冰架前缘大型裂隙崩解事件进行了连续监测同时，冰路卫星具备对北极格陵兰岛无云数据的全覆盖能力，已应用于绘制格陵兰岛 分辨率遥感制图（，；，）南极冰盖卫星遥感数据产品在上述卫星观测基础上，利用卫星遥感数据已生产出众多南极冰盖相关的数据产品，如覆盖整个南极的、南极冰盖速度场产品、南极冰盖接地线和边缘线产品、南极冰架崩解产品及南极反照率产品等，图中展示了南极部分冰流速和 产品表列出了南极物质平衡估算中的重要要素：、冰流速图、接地线产品的详细信息南极 产品是由光学立体像对、卫星测高及 等遥感卫星数据生成，时间跨度从 世纪 年代至今，分辨率为，覆盖了南极冰盖 以上面积相关产品有 （，）、（，）、（，）、（，）、（，）、（，）及 （，）等（表）南极冰盖 产品的分辨率和精度均在不断提升，年发布的 分辨率有 、和，高程精度在不同坡度和地形上约为（平坦冰架）（崎 岖 山 区）（，）；的分辨率为，绝对精度约为；新发布的 的分辨率可达，在大多数区域可达到米级精度；在南极冰盖的整体精度为 南极冰盖流速场数据产品种类丰富，国内外研究成果较多，数据来源于光学和 卫星影像（李荣兴等，）全南极流速产品分辨率为 ，包括 南极流速图（；，）、（）南 极 流 速 图（，）、南极年度流速图 （，）、基于相位的南极流速图（，）、流速图（，）、流速图（，）、流速图（，）、（）流速图（，）等产品通过卫星遥感获取南极冰盖区域性流速最早可追溯至 世纪 年代 影像是最早可用于南极流速估计的卫星影像，等（）基于 年的 影像对，通过视差分解法估算了东南极 冰川流速场，并在此基础上形成了一套基于历史光学影像对的东南极表面流速系统性制图方法 等（）用 和 影像首次估计了 冰架在 世纪 到 年代的流速情况随着 和光学影像的时空分辨率不断提高，对南极冰盖流速估计的覆盖范围、分辨率和精度也在不断提高 等（）发布的全南极流速图是第一个几乎覆盖全南极的冰流速产品（），数据来源主要有 、等 影像，分辨率为 ，标准误差为 目前分辨率最高的全南极流速图则是 等（）发布的 速度产品，空间分辨率为期李荣兴等：南极冰盖物质平衡变化的卫星遥感监测现状与发展趋势图南极冰盖卫星遥感数据产品（）年基于 的南极流速图（，）；（）年基于 的 南极流速图（，）；（）南极（，）；（）南极（，）（）（，）；（）（，）；（）（，）；（）（，），大多数区域精度为 南极接地线数据产品的数据源包含光学影像、测高、影像等数据，时间跨度为 世纪 年代至今基于光学和 影像的接地线产品为线要素产品且覆盖全南极，包括 接地线（，）、接 地 线（，）、接 地 线（，共期；，）等产品；基于测高数据的接地线产品为点要素产品，精度高但分布较为稀疏，如 接地线产品（，）、接地线产品（，）、接地线产品（，）等 等（）综 合 、和 这个接地线产品，并基于重点区域如 、等冰川接地线的变化进行调整，得到了目前为止最完整的覆盖全南极的接地线产品，称为 等（）在 现 有 接 地 线 产 品 的 基 础 上，对 年间全南极冰川的接地线变化进行了较为全面的评估南极边缘线产品主要有基于光学和 影像的产品，时间跨度为 世纪 年代至 年，覆盖全 南 极 范 围，包 括 边 缘 线（，）、边缘线（，）、边缘 线（，共期；，）等产品南极冰架崩解产品是利用多源卫星数据，包括 影像（和 ）和光学影像（和 ）获取的数据集（，；，）等（）和 等（）通过提取多期南极冰架前缘，计算了 年之间的冰架崩解面地 球 物 理 学 报（）卷积，并根据崩解面积大小将南极冰架崩解事件划分为个等级，分别为小型（）、中型（）、大型（）和特大型（），记录了不同类型崩解事件的频次、面积和质量损失，并对年际变化及空间特征进行了分析南极反照率产品是全球地表反照率产品的一部分，时间跨度从 年代至今，时间分辨率可达，最高空间分辨率为 ，包括 反照率产品（，）、反照率产品（，）、反 照 率 产 品（，）、反照率产品（，）、反照率产品（，）、反照率产品（，）及 反照率产品（，）等 南极冰盖物质平衡卫星监测方法研究与进展针对南极冰盖冰架变化方式（冰川运动、粒雪密实化、冰面融化、冰架崩解和底部消融等）的不同，观 测要素也存在区别，主要包括表面高程、冰流速、表南极主要犇 犈犕、冰流速图和接地线产品及参数犜 犪 犫 犾 犲犇 犈犕，犻 犮 犲狏 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔犿 犪 狆犪 狀 犱犵 狉 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犵 犾 犻 狀 犲狆 狉 狅 犱 狌 犮 狋 狊犪 狀 犱狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳犃 狀 狋 犪 狉 犮 狋 犻 犮 犪类型产品数据源空间分辨率空间覆盖范围时间覆盖范围 （，）制图数据：、澳大利亚、德国等制图数据；遥感数据：测高数据和机载雷达回波探测数据；实测数据：水准测量、三角测量、航空测高和 卫星测量数据 ，全南极 （，）和 测高数据 全南极 ：（，）测高数据 全南极（至 ）（，）立体像对 全南极（至 ）（，）测高数据，全南极（至 ）（，），影像，全南极（至 ）（，）影像（和 ）全南极 ，冰流速图 （）南极流速图（，），影像 全南极 南极年度流速图（，），影像 全南极 （年度图）基于相位的南极流速图（，），影像 全南极 南极流速图（，；，）影像 全南极（至 ）（年度图）流速图（，）影像 全南极（至 ）（年度图）流速图（，）影像 （像对图）（年度图）全南极（至 ）（年度图）至今（像对图）流速图（，）影像 ，全南极（至 ）（年度图）流速图（，）镶嵌图，镶嵌图 全南极冰架区域 ，期李荣兴等：南极冰盖物质平衡变化的卫星遥感监测现状与发展趋势续表类型产品数据源提取方法空间覆盖范围时间覆盖范围接地线 接地线（，）影像，测高数据表面坡度分析结合重复轨分析（犐）全南极和少数岛屿 ：接 地 线（，），（）全南极约 接地线和部分岛屿 接 地 线（，）影像表面坡度分析（犐）全南极和岛屿 接 地 线（，）测高数据重复轨分析（犉，犐，犎）全南极和岛屿 接 地 线（，），四个接地线产品及重点区域最新研究成果综合已有接地线产品（犉，犐）全南极和岛屿 ，接 地 线（，）测高数据近似重复轨分析（犉，犎）南极 的冰架和冰川出口 接 地 线（，）测高数据重复轨分析（，）全南极和岛屿 注：犉、犐和犎是提取的接地线特征点，分别代表为受到潮汐影响的冰曲到陆地的极限点、冰架坡度的陡变点和冰曲到海洋方向的极限点冰盖冰架厚度、接地线、海岸线、冰（雪）面温度、冰（雪）层厚度、基岩层分布、蓝冰分布、冰川分布及运动等卫星观测在南极的主要任务之一是进行冰盖物质平衡估算，从而解析其对全球或区域性海平面上升的贡献及对气候变化的影响随着卫星观测能力的不断提高与相关数据处理方法的不断改进，南极物质平衡估算结果的准确性得到较大提升例如，新型激光测高卫星为冰盖高程变化监测提供了更高时空分辨率和准确度的观测数据；由于 光学影像精度和质量的提升及冰流速制图方法的改进，国内外生成了多套基于 数据的全南极年或月尺度的冰流速图；此外，在轨 和 卫星为应用重力测量实现物质平衡的直接估算提供了更好的数据基础本节将总结卫星监测技术估算南极物质平衡方法的研究与进展，详述不同研究方法的监测原理和估算结果 南极冰盖物质平衡估算方法南极陆地冰雪融化对全球海平面升高具有直接贡献，如全南极冰盖融化将导致全球海平面上升约（，；，）因此，针对南极冰盖质量变化的监测是量化极地冰盖消融对海平面上升贡献的必要前提目前评估南极物质平衡的方法主要有三种：卫星测高法、输入输出法和重力测量法（，）本节将从这三种物质平衡估算方法的原理出发，对国内外研究团队的估算结果及研究进展进行综述，分析南极冰盖的物质平衡现状（）卫星测高法卫星测高法通过重复获取同一区域不同时间段的地面高程观测数据，计算冰表面高程变化，并结合监测区域的面积和冰、雪密度进行换算，得到区域内体积和质量变化迄今为止，覆盖南极的测高卫星有 、等雷达测高卫星，以及 、等激光测高卫星卫星测高对于高程变化的计算方法主要有交叉点分析法（，）、重复轨道法（，；，；，）以及表面高程重构法（，）等交叉点分析法在测高卫星升降轨交叉处进行高程变化的估算，如 等（）基于 与 数据，并应用该方法实现了 年的南极物质平衡计算；重复轨道法利用卫星的重复轨道观测数据构建沿轨道分布的解算单元，考虑解算单元中的坡度及季节性变化信息，通过拟合平面或曲面来计算高程变化（，；，；，）；表面高程重构法在考虑冰盖表面地形的基础上重构冰盖表面高程，该方法可融合多种测高数据实现冰盖高程的细节变化反演，并在去除季节项后用多项式拟合高程变化的时间序列，最 终 获 得 重 构 的 表 面 高 程 变 化 时 序 数 据（，）卫星测高法获取的是冰盖表面高程和体积变化，需要通过冰雪密度转化为质量变化，因此结果精度也依赖于准确的冰雪密度由于南极缺乏大面积的实地观测，冰雪密度主要来自以下几种选择，包括地 球 物 理 学 报（）卷直接使用冰密度（，）、根据区域分别使用雪和冰的密度（，）、使用介于雪和冰之间的密度（，；，）及使用气候模型估算的密度等（，）史红岭等（）对 年的 数据采用交叉点分析法，得到了南极冰盖 分块的高程变化信息，估算出南极冰盖整体物质平衡为 等（）根据卫星重叠时间以及高度计相似性，采用不同的偏移估算方法融合多种测高数据（，和 ），实现了对南极冰盖近 年（年）的物质平衡估计，获得南极冰盖物质变化结果为 （）输入输出法输入输出法也称为分量法，是指估算冰盖全部输入与输出物质之间的差值，即对降雪引起的质量增加、升华、融水径流、底部融化等（输入）与冰流入海造成的物质损失（输出）的差异进行量化在计算过程中，冰盖 作为输入量，一般采用区域气候