基于遙感數(shù)據(jù)AlamChal地區(qū)冰川積雪制圖

N. Roshani , M. J. Valadan Zouj , Y. Rezaei , M.Nikfar

摘要：利用遙感數(shù)據(jù)特性來(lái)判讀冰雪信息是獲得水文參數(shù)的新方法。為了獲取冰雪信息的特性，目前用于觀測(cè)的氣象臺(tái)站的數(shù)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本文通過(guò)使用遠(yuǎn)程遙感數(shù)據(jù)來(lái)消除這些缺陷。冰雪具有不同于絕大多數(shù)地物的光譜反射率特性，但是也有類似于云的反射特性。這可以用中紅外波段來(lái)區(qū)分它們。本文主要論述了雪蓋面積的提取，遙感影像積雪的判讀等方面的研究。在這項(xiàng)研究中，我們使用地球資源衛(wèi)星圖像資料。

關(guān)鍵詞：水文學(xué) 遙感技術(shù) 積雪制圖 信息提取 雪蓋面積

1 引言

通常，水文學(xué)家都想知道在某一山地有多少水以雪的形式存儲(chǔ)，有多少水以液態(tài)形式儲(chǔ)存。一般來(lái)說(shuō)，這些指標(biāo)都是難以被定量測(cè)量的，尤其是在山區(qū)（Najafzadeh，Abrishamchi，Tajrishi，2004年）。但是隨著科技的進(jìn)步，遙感技術(shù)正被廣泛的用于各種極端天氣下積雪的測(cè)量。遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）是兩個(gè)正在越來(lái)越多地被用在冰雪研究的新技術(shù)。它們可用于觀測(cè)積雪變化，通過(guò)結(jié)合氣象資料分析，進(jìn)行必要的向上或向下擴(kuò)展研究，提出水文變化的反演模型。遙感提供了諸如提取雪蓋面積和積雪水量的估測(cè)等方面的數(shù)據(jù)獲取的優(yōu)勢(shì)。而這些數(shù)據(jù)對(duì)于融雪徑流實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)具有決定因素。

我們應(yīng)該知道利用雪和冰在不同波段的反射來(lái)獲取水文參數(shù)的遙感技術(shù)。為了利用遙感技術(shù)在水文上的應(yīng)用，研究的資料應(yīng)采用合適的圖像。因此，我們應(yīng)該界定標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)選擇一個(gè)合適的傳感器。

據(jù)了解，將遙感、地理信息系統(tǒng)和適當(dāng)?shù)乃�文模型綜合應(yīng)用能夠進(jìn)行有效的水資源管理，能源生產(chǎn)和防洪減災(zāi)準(zhǔn)確的估計(jì)（Tekel，2005年）。

在本文中，我們研究了遙感在獲取水文所需參數(shù)方面的能力。為了達(dá)到這個(gè)目的，首先，考慮冰和雪的電磁波譜反射率的特性。其次，選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)傳感器的解釋。最后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論。

2 冰雪的電磁波譜特性

考慮到積雪在電磁波譜的特性，在研究冰雪變化中，使用水資源遙感數(shù)據(jù)。在積雪研究波段的選擇中，主要以可見(jiàn)光，紅外和微波為主。

2.1 可見(jiàn)光和近紅外波段

人們眼睛看到的新雪是白色的。這是因?yàn)檠┰谌搜勖舾械牟ㄩL(zhǎng)范圍（大概在0.4µm-0.65µm）具有較高的反射率。當(dāng)新雪的反射率在可見(jiàn)光波段和紅外波段下降時(shí)說(shuō)明雪開(kāi)始變老，而反射率的降低主要是由于諸如灰塵、花粉和大氣氣溶膠粒子等污染物的影響。在研究積雪中，通常使用可見(jiàn)光和近紅外遙感數(shù)據(jù)的好處是因?yàn)閳D像較容易被解譯。不過(guò)盡管積雪在一定程度上可以容易的被提取出來(lái)，但關(guān)于雪的含水量信息卻很難獲得(Tekel ,2005)。

2.2 熱紅外波段

熱紅外遙感數(shù)據(jù)相對(duì)于其他波段遙感數(shù)據(jù)目前很少被用于來(lái)測(cè)量積雪特性。因?yàn)槲覀儜?yīng)該認(rèn)識(shí)到積雪的輻射光譜，以確定雪的溫度。盡管收到一些限制，但是熱紅外遙感數(shù)據(jù)在判讀有雪區(qū)和無(wú)雪區(qū)的邊界時(shí)是很有用處的（Rezaei,2004年）。而像可見(jiàn)光和近紅外遙感圖像一樣，云會(huì)對(duì)熱紅外圖像的可用性造成影響。但是如果有云的話，云上的氣溫也可被測(cè)量的（Tekel,2005）。

2.3 微波波段

微波波段和微波傳感器的大多數(shù)應(yīng)用程序都對(duì)氣候條件敏感。事實(shí)上，積雪的物理特性決定了它的微波性能。從性質(zhì)影響的積雪微波響應(yīng)包括：深度和水當(dāng)量、液態(tài)水含量、密度、，顆粒大小和形狀、溫度、各層的地表覆蓋物。由于積雪響應(yīng)與它的狀態(tài)變化有關(guān)，因此定期監(jiān)測(cè)可被允許。從天氣條件和測(cè)量時(shí)間上看，微波成像方面的優(yōu)勢(shì)是明顯的，微波具有全天時(shí)全天候成像的特點(diǎn)。

在大流域，微波圖像已被用來(lái)分析積雪和深度。然而，它們較低的空間分辨率降低了其在山區(qū)流域的可用性（Tekel,2005年）。

此外，微波的感應(yīng)器可以穿透大雪，并獲取有關(guān)它的信息，這是光學(xué)傳感器不具備的能力。主動(dòng)微波的傳感器（例如合成孔徑雷達(dá)）比被動(dòng)微波傳感器具有更好的空間分辨率，但需要更多的設(shè)備支持。

3 遙感傳感器的選擇

在降低成本和大覆蓋范圍水文應(yīng)用中使星載遙感是比較受歡迎的選擇（Samantha, 2004）。衛(wèi)星平臺(tái)的選擇主要標(biāo)準(zhǔn)是空間、時(shí)間分辨率，盆地面積和氣候條件等。利用遙感技術(shù)在進(jìn)行積雪監(jiān)測(cè)時(shí)，獲取一個(gè)無(wú)云天氣情況下的遙感圖像是非常重要的優(yōu)勢(shì)。從這個(gè)意義上說(shuō)，地球資源衛(wèi)星和NOAA衛(wèi)星圖像比飛機(jī)數(shù)據(jù)要好的多。盡管現(xiàn)在NOAA衛(wèi)星可以在小規(guī)模的地區(qū)分析，但由于其具有的空間分辨率，已經(jīng)存在著許多成功的應(yīng)用。陸地衛(wèi)星也可用于小流域地區(qū)。然而，無(wú)論諾阿和地球資源衛(wèi)星，它使用可見(jiàn)光和近紅外波段的電磁頻譜時(shí)，云的影響都是主要問(wèn)題。雖然熱紅外波段不能穿透云層，但它們可被用于在夜間獲取無(wú)云圖像的可能性。

一種解決云問(wèn)題方法是用被動(dòng)或主動(dòng)的微波數(shù)據(jù)。這兩者都可以在夜間或白天獲取。然而即使云問(wèn)題被解決了，遙感圖像的解譯則是比光學(xué)圖像更加困難的問(wèn)題。微波圖像判讀困難主要是由于這些圖像是從某一高度獲得的地表或地下地物屬性。

4 研究區(qū)概述

AlamChal冰川位于伊朗北部附近的馬贊達(dá)蘭省。AlamChal冰川是伊朗一座重要的冰川，其高程范圍在3700m到4250m之間，其最大長(zhǎng)度達(dá)到4.5km，最大寬度為2.25km。

5 研究方法與資料

在本文是基于ENVI軟件利用陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)及IRS_LISS圖像進(jìn)行積雪研究的。IRS_LISS影像波段不能反映積雪反射率，因?yàn)槠涫褂玫牟ǘ沃袥](méi)有合適的。但是利用陸地衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行區(qū)分有雪區(qū)邊界和無(wú)雪區(qū)邊界。要獲取積雪信息，我們通過(guò)使用歸一化積雪指數(shù)NDSI進(jìn)行提取。歸一化積雪指數(shù)計(jì)算公式如下：

NDSI = [CH(b4)-CH(b6)]/[CH(b4)+CH(b6)]

式中，b4（545-564μm）和b6（1638-1652μm）為MODIS數(shù)據(jù)的可見(jiàn)光和短紅外波段。

而且我們可以通過(guò)使用K-means非監(jiān)督分類方法獲取冰雪覆蓋區(qū)面積。從陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)上我們計(jì)算得到積雪覆蓋面積為4.6km2。

5.1 新雪的提取

如上所述，雪在可見(jiàn)光區(qū)的高反射率而連續(xù)的新雪在紅外波段的高反射率。要獲得新雪信息，利用陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)的第2和第4**的積雪的光譜反射率進(jìn)行積雪識(shí)別。如下圖所示，紅色區(qū)域顯示的即為新雪。

5.2 積雪的解譯

如前所述，積雪在位于陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)第4波段和第5波段中有個(gè)積雪反射率非常低的區(qū)域。我們選擇第4波段和第5波段具有反射率低的成雪區(qū)域進(jìn)行解譯。如下圖所示，綠色區(qū)域顯示的即為成雪。

6 結(jié)果分析

獲取遙感積雪數(shù)據(jù)最重要的參數(shù)是雪蓋面積（SCA）。只是通過(guò)地面觀測(cè)來(lái)估計(jì)雪蓋面積是非常困難的，但是運(yùn)用遙感影像數(shù)據(jù)則比較容易獲取。

（1）衛(wèi)星圖像在計(jì)算雪蓋面積以及山區(qū)和其他地區(qū)的冰川水文參數(shù)時(shí)具有很高的性能。

（2）對(duì)大規(guī)模流域的積雪進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，MODIS和NOAA衛(wèi)星圖像是合適的。但對(duì)小規(guī)模流域積雪進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，陸地衛(wèi)星的影像是合適的，因?yàn)樗�的分辨率高于MODIS和NOAA衛(wèi)星圖像的空間分辨率。

（3）為了從光學(xué)圖像上提取積雪特征，通常選擇可見(jiàn)光波、近紅外和熱紅外段的遙感影像，這是因?yàn)樵谶@些波段，雪的反射率有不同于其他波段的地方。

（4）在水文中的應(yīng)用有很多，如長(zhǎng)短期徑流預(yù)報(bào)，對(duì)于干雪的被動(dòng)遙感制圖等。

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