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山地冰川被视为气候变化的敏感响应因子之一,为了能探寻气候变化和冰川变化间的关系和响应,需要对冰川进行有效的测量和监测。山地冰川的分布区域通常处于高海拔、低温度等恶劣环境,使得实地的考察与测量具有很高的难度,同时仅凭野外实验获取的数据范围很小,很难全面地了解区域性的变化特征。对于流域尺度的冰川变化研究,无论是获取全球冰川变化信息、进行冰川编目基础数据调查,还是针对典型区域的单条冰川变化研究,遥感方法的运用必不可少,空间观测技术能为传统的冰川学领域提供大量的基础数据信息。雷达遥感具有全天候、全天时的数据获取能力,在山地冰川研究中具有很大的优势。 本文的重点是针对合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)在山地冰川监测中的方法与应用研究。基于SAR数据的技术手段的实验与分析,提出面向山地冰川信息提取的改进思路。针对冰川学研究最常用的两种参数——冰川运动特征和冰川空间分布特征,开展了冰川表面流速提取技术与冰川边界提取与分类方法的研究,并对典型冰川区西昆仑山与慕士塔格峰冰川区,进行了冰川运动与空间分布信息的提取研究与特征分析。 论文的主要研究内容和创新成果包括: (1)首先从SAR成像原理和图像特征出发,重点讨论了SAR图像在山地冰川研究中存在的相应问题,并分析了SAR应用于山地冰川研究中前期重要的数据处理步骤,包括对图像的地理编码、SAR与光学图像的配准方法、以及滤波操作。 (2)详细分析了山地冰川流速研究中的位移跟踪算法,针对与该算法能力密切相关的特征点匹配方法和配准偏移量拟合算法这两个方面,提出了改进的思路。论文利用基于傅里叶域相位的亚像元匹配算法,代替传统的时域互相关匹配操作。同时,利用薄板样条模型代替二次多项式来拟合配准残余偏移量。通过对山地冰川区的实验分析,讨论了结果的精度、误差和方法的稳定性。分析表明本文提出的改进的位移跟踪方法,在山地冰川运动特征提取中具有较高的精度和鲁棒性。 (3)本文针对冰川流速提取的另一项常规手段D-InSAR方法,详细分析了该方法应用于山地冰川实验区时存在的相关问题。利用雷达原理及其在山地冰川成像时的几何关系,讨论了适应于山地冰川流速分解的模型。同时综合讨论了干涉技术和位移跟踪方法各自的优势与局限性,提出了结合应用这两种手段进行较大规模冰川群流速提取的研究思路,并在实验中分析了这一技术流程的准确性和稳定性。 (4)论文针对遥感手段提取冰川空间信息进行了研究,包括基于光学影像和SAR影像的分类方法,通过论述两种方法的基本原理、应用特征和存在的问题,提出面向山地冰川空间信息提取的优化思路。基于山地冰川的遥感影像特征,提出了基于SAR和光学影像融合的分类方法,最大程度的利用两种遥感影像在冰川区域的信息,并与传统的方法进行结果对比,分析并总结了改进方法对山地冰川提取方面的能力与适用条件。该方法对云覆盖区域的信息补足,冰碛覆盖冰川的探测制图,以及减小积雪覆盖影响等方面,都有较好的效果。 (5)基于详细的理论研究与算法分析,文章给出了面向山地冰川研究的有效的SAR技术路线,同时以西昆仑山东部冰川区与慕士塔格峰冰川区作为实验区,进行山地冰川运动特征和空间分布信息的提取研究。