研究背景

南极冰盖是全球海平面变化的重要潜在贡献者之一。21世纪以来南极物质损失逐渐加剧，使得开展高精度、全覆盖、持续性的变化监测愈发迫切。我国第二代极轨气象卫星风云三号D星（FY-3D）搭载的中分辨率光谱成像仪（MERSI-II）具备250米空间分辨率和5分钟的高频观测能力，为南极环境监测提供了重要的数据支持。然而，受制于南极内陆地面控制点稀缺以及冰架前缘位置随潮汐和冰川运动剧烈变化的影响，传统的基于控制点或海岸线特征的评估方法难以适用，导致MERSI-II在南极地区的在轨几何定位性能尚未得到系统评估。

研究内容

本研究设计了一种针对250 m空间分辨率MERSI-II数据的亚像元地理定位精度的评估方法。首先，选取南极冰盖位置固定、光谱特征一致且不受冰川运动影响的裸岩区域作为匹配特征，并以经过严格校正的Landsat 8-OLI Tier 2月度合成影像作为高精度基准参考数据。其次，基于频率域互相关技术（Frequency-domain Cross-correlation）提取MERSI-II影像相对于参考影像的亚像元级几何位移。随后，使用非参数核密度估计的GLAFT质量评估与离群森林（Isolation Forest）算法，剔除由云层、阴影及地形效应引起的异常匹配。最后，采用平均绝对位移（MAD）指标表征误差幅度，以避免正负偏移相互抵消造成的低估。本研究选取埃默里冰架、南极半岛、毛德皇后地及罗斯岛周边四个典型区域，对2019-2024年的MERSI-II数据开展长时序、系统性地理定位精度评估。

图 1 南极冰盖主要裸岩区域分布示意图。（底图：LIMA；红色区域：裸岩；黑色实线：接地线；标注区域：（a）南极半岛，（b）毛德皇后地，（c）罗斯岛，（d）埃默里冰架

图 2 FY-3D MERSI-II几何定位精度评估流程图

研究结果

研究结果揭示了FY-3D MERSI-II在南极地区的几何定位误差的主要特征：

( 1 )亚像元级定位精度: MERSI-II在南极冰盖上的沿轨几何定位误差为87.5 m，跨轨为82.5 m，小于1/2像元的比例分别为96.1%和99.5%，达到了亚像元级别，整体呈现沿轨负偏/跨轨正偏的方向性特征。

( 2 )长期稳定性：2019-2024年总体未呈现显著的年际退化趋势，表明传感器在轨几何定位性能整体保持稳定。

( 3 )与其他中分辨率传感器定位性能比较：MERSI-II的几何定位精度较其前代MERSI传感器实现了显著提升，与国际主流中分辨率遥感传感器（如MODIS、VIIRS等）的性能基准相比，MERSI-II展现出的几何定位精度已达可比的亚像元水平。

图3 2019-2024年南极裸岩区域MAB时序与分布图。（a）埃默里冰架；（b）南极半岛；（c）罗斯岛；（d）毛德皇后地。左侧时序图中蓝色和红色实心圆点分别代表沿轨和跨轨MAB，误差棒范围为一倍标准差；右侧小提琴图展示偏移量的概率密度分布；图中橙色虚线标记1/2 IFOV上限，绿色虚线标记1/3 IFOV上限。

表1 南极裸岩区域MAD位移的统计分析

图 4 2019-2024年南极裸岩区域MAD时间序列的Mann-Kendall趋势分析

表2 中分辨率传感器地理定位精度比较

发表信息

研究成果于2026年3月发表在国际期刊《Geo-Spatial Information Science》，题为 “Evaluating the geolocation accuracy of FY-3D MERSI-II satellite image in Antarctica based on Landsat 8-OLI reference imagery”。中山大学遥感科学与技术学院极地与海洋遥感团队李腾副教授为论文第一作者，程晓教授为通讯作者，硕士生高艺荣、尹子成以及梁琦副教授、郑雷教授、刘冲副教授、王绍银副教授和国家卫星气象中心鲁文强高级工程师为文章合作作者。本研究得到国家自然科学基金（42206249，42306256）、教育部先导项目（JYB2025XDXM803）以及南方海洋科学与工程广东省实验室创新团队建设（311021008）的支持。

论文地址：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/10095020.2026.2642551

代码开源：https://github.com/GaoYirong/Evaluating-the-geolocation-accuracy-of-FY-3D-MERSI-II-satellite-image-in-Antarctica-based-on-Landsat