南京大学国际地球系统科学研究所陆应诚教授团队与国家卫星海洋应用中心团队针对国产海洋水色业务卫星（HY-1C/D星）海岸带成像仪（CZI）数据，开展了南极普里兹湾冰山出水高度的提取与评估，初步探讨了国产自主海洋光学卫星数据在该领域的应用潜力。论文发表在Geo-SpatialInformationScience期刊2024年第3期“中欧龙计划”专辑（https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/10095020.2024.2360525）。
冰山出水高度（Icebergfreeboard）是测量冰山厚度和体积的一个重要物理参数，定义为冰山表面与海平面之间的高度差，是定量评估冰山对海洋的淡水输入量的重要参量。南极地区太阳高度角相对较低，冰山在平坦的海冰表面可形成较大规模的阴影，阴影长度由冰山高度和观测角度共同决定。光学遥感影像可根据上述几何关系，对冰山出水高度进行提取。此外，由于消融的影响，冰山的出水高度是变化的，利用以上方法对同一冰山进行重复观测，可对冰山的融化进行评估。为阐明国产海洋水色业务卫星HY-1C/D（Haiyang-1C/D）高空间分辨率CZI数据在该领域的应用潜力，本研究以南极普里兹湾（PrydzBay）为研究区（图1），设计了一种归一化的阴影像元指数（Normalizedshadow pixelindex，NSPI），对阴影像元进行准确提取和长度计算；根据太阳、卫星角度、阴影长度和冰山出水高度间的几何关系，建立阴影测高模型；利用多期遥感影像，提取冰山出水高度，并对冰山融化进行评估。以上方法已成功应用于国产海洋水色业务卫星HY-1C/D星数据，与欧空局Sentinel-2卫星影像与激光高度计（例如ICESat-2）测量结果相比，具有较好的测量精度（图2和3）。此外，通过重复观测发现，2022年12月初，研究区内冰山出水高度约为56米，并在2个月内下降了1.9米（图4）。本方法为冰山出水高度的提取和变化评估提供了新的参考。
图1.研究区域.(a)普里兹湾的HY-1DCZI（R：650nm，G：560nm，B：460nm）和Sentinel-2MSI（R：665nm，G：560nm，B：490nm）真彩色合成影像。(b)-(d)雪龙船、冰山阴影、中山站的局部增强影像。
图2.CZI与MSI提取结果对比.(a)CZI与MSI影像提取的冰山出水高度分布。(b)不同分辨率图像不同太阳高度角下单个纯阴影像元的理论测高精度。(c)CZI与MSI影像提取结果的绝对差值分布。(d)CZI与MSI影像提取结果的交叉对比。
图3.ICESat-2对比验证.(a) 2022年11月19日至2022年12月15日间研究区内ICESat-2轨道覆盖。(b)和(c)ICESat-2与CZI、MSI影像提取结果对比。
图4.冰山出水高度变化.(a)和(b)2022年12月6日和2023年1月25日影像中的同名冰山。(c)冰山出水高度变化。
国产自主海洋水色业务卫星HY-1C/D星具有覆盖范围广、时间-空间分辨率高等优点，在全球海洋与极地遥感研究中正发挥重要的数据支撑作用。该研究得到了国家重点研发项目课题资助，第一作者为南京大学博士生锁子易，合作作者包括南京大学陆应诚教授（通讯作者），国家卫星海洋应用中心原副主任刘建强研究员等。参考文献：“Suo,Z., Lu, Y., Liu, J., et al. (2024). Extracting iceberg freeboardusing shadow length in high-resolution optical images. Geo-SpatialInformation Science, 27(3), 892–901.https://doi.org/10.1080/10095020.2024.2360525”
