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张鼎凯, 刘召芹, 邸凯昌, 岳宗玉, 刘峰, 芶盛. 基于OMEGA影像火星北极冰盖季节性变化监测[J]. 国土资源遥感, 2016,28(2): 99-105
Zhang Dingkai, LIU Zhaoqin, DI Kaichang, YUE Zongyu, LIU Feng, GOU Sheng. Monitoring of seasonal changes of Martian north polar ice cap with OMEGA images[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2016,28(2): 99-105  
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《国土资源遥感》编辑部
基于OMEGA影像火星北极冰盖季节性变化监测
张鼎凯1,2, 刘召芹2, 邸凯昌2, 岳宗玉2, 刘峰1, 芶盛2
1.山东科技大学测绘科学与工程学院,青岛 266590
2.中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室,北京 100101
刘召芹(1973-),男,博士,副研究员,主要从事遥感制图与探测车导航定位方面的研究。Email:liuzq@radi.ac.cn。

第一作者简介: 张鼎凯(1987-),男,硕士生,主要从事行星遥感制图方面的研究。Email:zhangdk123@sina.com。

收稿日期: 2014-11-26
基金项目: 国家自然科学基金项目“火星壁垒撞击坑成因机制分析及数值模拟”(编号: 41472303)资助
摘要

火星两极冰盖每年季节性消融的空间范围变化是火星全球及区域气候变化最直观的反映,针对火星冰盖监测提出了一种利用欧空局火星快车搭载的OMEGA高光谱成像数据提取季节性冰盖消融线的方法。基于28至29火星年覆盖火星北半球6个时段的OMEGA红外波段影像,利用监督分类方法辨别冰层与裸地,以提取季节性冰盖的边界,计算了火星北半球季节性冰盖消融速度,并利用高分辨率HiRISE 数据验证了本文研究方法的正确性。研究结果表明,火星北极季节性冰盖的消融速度是每隔太阳经度(LS)10°冰层消融106 km2; 通过对比MOLA激光高度计数据和地形数据,发现局部区域冰盖消融异常原因主要为撞击坑引起的地形变化所致。

关键词: 火星北半球; OMEGA影像; HiRISE影像; 季节性冰盖; 消融曲线
中图分类号:TP 79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2016)02-0099-07 doi: 10.6046/gtzyyg.2016.02.16
Monitoring of seasonal changes of Martian north polar ice cap with OMEGA images
Zhang Dingkai1,2, LIU Zhaoqin2, DI Kaichang2, YUE Zongyu2, LIU Feng1, GOU Sheng2
1. Survey and Mapping Institute of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China
2. State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
Abstract

The spatial variation extent of the annual seasonal melt of Martian polar ice caps is the most direct reflection of Mars global and regional climate changes. A method that utilizes hyperspectral images from OMEGA spectrometer on board ESA Mars Express for monitoring Mars ice cap by extracting seasonal ice cap ablation line is proposed in this study. Based on OMEGA infrared images from 6 periods of Martian year 28 and 29 that cover Martian northern hemisphere, the boundary of seasonal ice cap was extracted by supervised classification method which can distinguish between ice and bare land, and the melting rate of seasonal ice cap was also calculated and analyzed, with validation from high resolution HiRISE images. The results show that the melting rate of Martian northern polar ice cap is about 106 km2 every 10° solar longitude (LS). In addition, the comparison between the results and the terrain data from MOLA reveals that the regional abnormality of ice cap melting is mainly caused by the crater-induced topographic variation.

Keyword: Northern hemisphere of Mars; OMEGA images; HiRISE images; seasonal ice cap; melting curve
0 引言

在火星高纬度地区, 存在永久性冰盖和季节性冰盖, 其中永久性冰盖全年都存在, 季节性冰盖随火星季节的变化每年周期性地生成和消失。关于火星冰盖的探测, 国内外学者利用现有的遥感影像数据对季节性冰盖的变化规律进行了研究, 发现季节性冰盖主要是由大气中的CO2和水汽凝结而成[1, 2]。火星北极的永久性冰盖主要是由水冰组成[3], 在水冰上面覆盖的干冰厚度大约为1 m左右, 在夏季时完全消融; 南极永久性冰盖由干冰和水冰覆盖而成[1, 4], 干冰冰层厚度在8 m左右, 夏季依然存在。由于季节性冰盖的主要组成成分是干冰和水冰, 随着火星北半球季节性冰盖的消融, 大量CO2气体进入大气中, 北半球气压升高, 与此同时火星南半球进入冬季, CO2凝结, 南北半球形成气压差, 形成火星大气循环, 因此季节性冰层的挥发与凝结作为火星大气循环的动力之一发挥着重要作用[5]。火星两极冰盖每年季节性随时间和空间的变化是火星全球及区域气候变化最直观的反映[6], 通过对两极冰盖消融线的自动提取和制图, 计算冰盖消融的面积和范围, 结合利用火星轨道激光高度计(Mars orbiter laser altimeter, MOLA)地形变化测量[7], 可以有效地估算进入大气的CO2数量, 为研究火星气候变化提供基础数据。

对火星季节性冰盖的观测方式主要分为地基观测、太空观测和遥感卫星观测3个阶段: 早期Antoniadi[8] 和Fischbacher 等[9]采用地基观测手段在地球上进行了许多对火星极冠的观测; 太空观测阶段Cantor等[10]利用哈勃太空望远镜对火星北极季节性冰盖消融进行过数次观测, 进一步了解了火星季节性冰盖的变化规律; Capen等[11]和Iwasaki等[12, 13, 14]由地基观测得到的数据发现在火星北极冰盖的消融过程中有一个停滞期; 对火星北极进行最早的遥感卫星观测是Benson和James等[15, 16, 17]通过利用水手9号和海盗号进行的, 发现大约数周时间冰盖的边界停在65° N; James等[18]还利用火星全球探勘者(Mars global surveyor, MGS)携带的火星轨道相机(Mars orbiter camera, MOC)对火星北极冰盖进行了周期性的观测, 从影像上利用人工识别的方法得到了季节性冰盖的消融规律, 并且提出了火星北半球太阳经度(solar longitude, LS)与季节性冰盖消融线纬度位置的函数, 概略地阐述了火星尘暴对冰盖消融的影响。

目前对火星冰盖季节性变化的研究主要基于火星快车获取的遥感数据。Giuranna等[19]利用火星快车的行星傅里叶分光计的短波通道研究了火星北半球春季冰盖的组成成分和厚度, 分析了不同区域的干冰粒径大小和水冰丰富度, 利用反照率模型推算出不同纬度区域的干冰层的单位质量, 进而推算出干冰的厚度; Appé ré 等[20]利用火星快车的光学与红外矿物光谱仪(Observatoire pour la Miné ralogie, l’ Eau, les Glaces et l’ Activité , OMEGA)影像对火星北半球自27火星年(Martian year, MY)的冬季到28火星年的春季进行了一系列观测(火星年由Clancy[21]定义, 地球公元1955年春分作为火星第1年的起始), 分别利用1.429 μ m和1.500 μ m波段对干冰和水冰反照率的阈值进行分析, 得到了2种冰层的消融界线随时间的变化规律, 做出了季节性冰层的变化分布曲线图。但是, 由于不同时相影像的光照条件、大气密度和传感器高度不统一等因素, 很难得到统一的大范围、多时相的冰盖反照率的阈值边界, 进而依据单波段阈值来确定冰盖的消融边界具有一定的不足。针对这些不足, 本文提出利用北半球OMEGA影像, 选取其中的128个近红外波段, 采用地物监督分类方法, 对实验区域的每幅影像选取感兴趣区进行监督分类, 这样就避免了因多幅影像使用同一阈值提取冰盖边界造成的不准确性。通过监督分类方法提取冰盖的消融曲线, 分析季节性冰盖的消融趋势, 拟合出冰盖消融线随时间变化的曲线, 得到火星北极冰盖变化的时空规律; 另外, 由于火星表面的季节性沉积主要是水冰、干冰以及灰尘, 春季升华时会在不同的空间尺度引起不寻常的、动态的消融现象, 如深色斑点、扇形沉积、蛛网状地形、裂缝、边坡条纹、沙雪崩裂和明暗条纹等, 在可见光范围内可以直观地观察到火星季节性冰盖变化引起的一些升华活动[15, 18]。通过火星侦察轨道器携带的0.25 m高分辨率成像科学实验相机(high resolution imaging science experiment, HiRISE)能够直接观测到北半球季节性冰盖的消融过程, 验证使用OMEGA影像提取冰盖消融曲线的正确性。

1 数据源及其预处理
1.1 数据源

火星快车发射于2003年6月, 12月进入火星轨道[22], OMEGA是火星快车的一个重要载荷, 主要用于采集可见光和近红外数据, 共352个波段。在0.35~1.0 μ m, 0.93~2.65 μ m和2.51~5.1 μ m的光谱范围采样间隔分别是7 nm, 13 nm和20 nm, 具体参数见表 1[23]。

表1 OMEGA光谱仪参数 Tab.1 Parameters of OMEGA spectrometer

依据干冰和水冰的波谱反射特征选取1~128波段用于冰盖消融边界的提取。为了检验分类结果的正确性, 使用2005年8月HiRISE相机获取的高分辨率影像进行验证。HiRISE影像的空间分辨率达0.25 m, 其3个波段的波长范围为: 蓝— 绿光波段(400~600 nm)、红光波段(550~850 nm)与近红外波段(800~1 000 nm), 从影像上可以直接观测到不同时期的火星冰盖消融变化。

1.2 数据预处理

从美国国家航空航天局(NASA)PDS网站提供的数据中选择火星北半球LS在340° ~110° 范围的原始数据。利用IDL对数据进行读取, 提取需要的信息, 包括灰度值(idat)、辐射亮度值(jdat)、火星距日心处的太阳光谱值(specmars)和经纬度(geocube)。将数据信息导入ENVI中, 得到需要的数据类型, 选取需要的波段存储为影像格式。

由于火星大气组成比较单一, 对太阳辐射产生影响的主要是CO2, 因此使用OMEGA团队提出的“ 经验传输函数法” (ETF算法)进行大气校正, 其原理是利用火星上的奥林帕斯火山顶部和底部相近地物的辐射率(I/F)差异, 对顶部和底部的光谱做比值, 得到火星大气辐射传输因子(S), 又称为大气光谱。然后将观测像元光谱除以S, 基本消除大气对辐射传输的影响[24]。

1.3 光谱曲线特征分析

火星北极季节性冰盖的组成成分是干冰和水冰的混合物, Langevin等[25]在季节性冰盖覆盖的区域得到了包含水冰、干冰以及干冰水冰混合物的光谱曲线。对实验区影像预处理后进行反照率计算, 使用OMEGA数据文件中的jdat与specmars做比值运算, 然后选取影像1~128波段范围数据, 得到地表的光谱曲线(图 1)。图1中实线所示光谱为LS=31° 时位于(55.37° N, 14.76° E)区域的裸地光谱曲线; 虚线所表示的是LS=31° 时位于(79.45° N, 2.16° E)区域的冰盖光谱曲线。在LS=31° 时冰盖的消融线大约位于65° N左右的位置[15], 因此选择上述2条曲线作为选取感兴趣区的参考光谱曲线是可靠的, 以此选取感兴趣区对实验区域进行监督分类, 提取季节性冰盖的消融曲线。

图1 裸地与冰盖光谱曲线Fig.1 Spectra of bare land and ice cap

利用不同地物的光谱特征, 采用监督分类的马氏距离法把地物分为裸地和冰盖2大类。为了验证分类方法的正确性, 选择南半球LS=195° E时相的影像进行分类并与其他分类结果对比(图 2)。将本文分类后结果与Schmidt分类结果[6]叠加对比发现, 两者的冰盖消融分界线位置基本一致, 都位于60° S附近。Schmidt的实验结果是依据由不同物质的波段深度得到的经验公式进行阈值计算后得到的。由此说明了本文提取季节性冰盖消融曲线的方法是可行的, 且方法更为简单直观。

图2 南极区域消融对比Fig.2 Recession comparison of south polar cap

2 实验结果与验证
2.1 实验结果

选取在MY28年春季和MY29年春季火星北半球的部分OMEGA影像为实验数据, 共95景影像。依据影像覆盖范围分为6个时间段, 采用马氏距离法分别对OMEGA影像进行监督分类, 结果如图 3所示。

图3 北极地区冰盖提取结果Fig.3 Extraction results of north polar cap

图3中绿色部分表示冰盖分布区域, 红色部分表示裸地区域, 以红绿之间的分界线(白色实线)提取出不同时间段的冰盖消融边界。

从图 3中冰盖消融变化可以看出, 在(195° E, 71° N)处的撞击坑附近, 出现消融异常的现象。因此, 对撞击坑附近的消融异常区进行重点分析。图4(a)绿色方框为撞击坑的位置; 图4(b)为使用MGS的MOLA数据生成的晕渲图, 可以观察到撞击坑周围的地形比较粗糙; 图4(c)和(d)展示了撞击坑在2个时期的冰盖消融变化现象, 发现撞击坑附近消融速度明显慢于同纬度的平坦区域。通过对其他撞击坑的统计发现, 撞击坑上的冰盖消融速度普遍比相同纬度的平坦地区缓慢, 因此推断可能是在撞击坑附近, 由于坑沿地形粗糙度较大, 产生的阴影致使太阳辐射减少, 使冰盖的消融速度降低, 形成消融异常区。

图4 消融异常区域Fig.4 Abnormal recessional area

通过对火星北半球得到的分类结果分析发现, 在春季开始时冰盖消融曲线基本沿着同一纬线圈, 不同区域的地形对冰盖消融的影响不大。随着时间推移, 消融曲线呈现出不规则的形状, 随着纬度的升高, 太阳高度角变小, 地形起伏产生的阴影成为影响冰盖消融的主要因素, 因此推断随时间的推移地形对冰盖消融起到了主要作用。对每个时间段的冰盖面积进行统计, 得到的结果叠加到火星北极极区底图上, 如图 5 所示。不同时间段的冰盖面积统计见表 2。对冰盖面积和太阳经度进行曲线拟合, 得到图 6所示拟合曲线, 冰盖面积与太阳经度近似呈线性关系。

图5 冰盖面积统计Fig.5 Statistics for ice cap area

表2 不同时间段的冰盖面积统计 Tab.2 Statistics for ice area in different time periods

图6 冰盖面积与太阳经度的关系Fig.6 Relationship between the area of ice capand solar latitude

从图 6中可以得出北半球季节性冰盖的消融速度大约是106 km2/10° 。当太阳经度到达90° 时, 冰盖面积保持稳定, 由图 5也可以观察到冰盖消融到80° N时基本不再消融, 剩余的冰盖到达夏季仍未消融, 作为永久性冰盖存在。

2.2 基于HiRISE影像的冰盖变化验证

从HiRISE高分辨率相机影像上直观得到的冰盖随时间的变化规律, 可以验证利用高光谱影像进行地物分类的正确性。(70° N, 103° E)区域不同时间序列的HiRISE红光波段影像如图 7所示。

图7 位于(70° N, 103° E)处不同时间序列的HiRISE红光波段影像Fig.7 Different time series of HiRISE red band images at(70° N, 103° E)

从图7中可以看到LS在37° ~48° 时开始有裸露土地(纹状线间的黑色斑块)出现, 白色物质与周围地物对比明显, 随着时间推移, 白色物质越来越少, 因此推断白色物质即为冰盖。在LS=55° 时, 冰盖基本消失, 只是在地表缝隙处存在较明显的冰盖, 可能是在地表缝隙中由于太阳直射较少影响冰盖挥发, 在图 3(c)中LS=30° 时可以发现北纬70° 附近为冰盖, 在图 3(d)中LS=70° 时北纬70° 附近已经没有冰盖, 与图 7中冰盖的变化一致。在图 7所示区域LS=55° 时只是在表面的大缝隙中存在少量冰盖, 但在图 8和图9不同地区的假彩色影像中LS=78° 时在大的缝隙中仍存有冰盖, 而相同时间图 7所示区域已经看不到冰盖的存在。由此可以得出: 纬度越高, 冰盖消融的越慢; 同时发现沙丘坡度较缓的一侧冰盖消融速度要快于坡度较陡的一侧; 冰盖的消融与太阳光照有关。

图8 位于(75° N, 94° E)处不同时间序列的HiRISE假彩色影像Fig.8 Different time series of HiRISE false color images at(75° N, 94° E)

图9 位于(76° N , 89° E)处不同时间序列的HiRISE假彩色影像Fig.9 Different time series of HiRISE false color images at(76° N, 89° E)

2.3 对比分析

Cantor等[10]和James[26]利用MOC影像在可见光范围描绘出的季节性冰盖的变化规律图像, 与本文中的实验结果对比, 在LS=20° 和LS=70° 时对应的消融边界基本吻合, 同时发现在经度范围E210° ~270° 之间的消融速度明显快于E315° ~30° 范围的冰盖消融速度。这是由于在E210° ~270° 区域的海拔高于E315° ~30° [27], 海拔越高气压越低, 冰盖的升华点随压强的减小而逐渐降低, 即相同光照条件下, 气压越低冰盖越容易挥发[28]。

Appé ré 等[20]通过OMEGA影像的1.429 μ m和1.500 μ m波段得到的深度信息研究冰盖的消融边界。图 10展示了利用MOC, OMEGA和MARCI影像得到的冰盖消融边界变化。通过图 10中多元数据实验结果对比分析, 本文得到的北半球季节性冰盖的边界与使用其它数据和方法得到的结果基本一致, 验证了本文方法的可靠性。

图10 不同火星年北半球冰盖消融变化规律Fig.10 Recessional law of Martian north hemisphere at different MY

3 结论

依据火星季节性冰盖与裸地的不同光谱特征, 选取火星快车的OMEGA高光谱影像, 利用监督分类的方法提取季节性冰盖的消融曲线, 探讨了冰盖边界线随时间的变化关系, 以此推断出冰盖消融速度为每隔太阳经度10° 冰盖面积变化106 km2。由HiRISE高分辨率影像直观地展示了火星北半球季节性冰盖在春季消融的现象, 对不同时刻的影像所展示的冰盖消融现象与拟合的冰盖消融曲线做对比分析, 验证了冰盖消融曲线的正确性。通过研究季节性冰盖消融规律, 能够更好地了解火星冰盖变化的规律, 为进一步探究火星大气变化以及全球气候变化对比研究奠定了基础。如果结合激光高度计数据测量的冰盖变化量, 可以进一步更精确地计算消融的体积及质量, 为火星气候环境模拟提供数据支撑。

The authors have declared that no competing interests exist.

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