应用MODIS反照率监测格拉丹东冰川变化

论文总字数：10999字

目 录

1 引言 5

2 国内外研究进展 5

2.1 冰川研究主要方法与现状 5

2.2 反照率研究主要方法与现状 6

2.3冰川与反照率关系的研究现状 7

3 研究区域及研究数据 8

3.1 研究区概况 8

3.2 数据与方法 9

3.2.1 反照率数据 9

3.2.2 冰川识别 9

3.2.3 研究方法 9

4 结果与分析 10

4.1 冰川范围监测 10

4.2 冰川变化 14

4.3 一致性 15

5 结论与展望 16

参考文献 17

致谢......................................................................................................... 18

应用MODIS反照率数据监测格拉丹东冰川变化

陈海琴

, China

Abstract: In response to the condition of global warming, the glacier have been melting and shrinking gradually, so the monitor of glacier change plays a significant role in the global climate change. This paper tried to use the MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Albedo product MCD43A3 to monitor the range and variation trend of the Geladandong glacier on the Tibet Plateau during July and August, which was made a comparison with the result of the MODIS Daily Snow Cover product. The result shows that the area of Geladandong glacier has shown a slowly decreasing trend from 2001 to 2014 as a whole, but in some certain years the glacier remained relatively stable or even expanded. The scope of glacier resulted from MCD43A3 and that resulted from MOD10A1 are in good consistency, and the agreement rate is about 70%. The approach of using albedo data to monitor the glacier is practicable, the threshold of which requires specific analysis combined with the research objects.

Keyword: Geladandong glacier, albedo, MODIS, climate change

1 引言

全球气候变化会对农业、水资源、生态等方面造成很大的影响，也可以给人类以及生态系统带来巨大的灾难：极端天气、冰川消融、海平面上升、珊瑚礁死亡、旱涝灾害、致命热浪等。气候变化是人类所面临的一个共同问题，吸引着国内外学者进行研究，国际间合作也得以展开。共同应对全球气候变化，必须进行深入的研究。

在气候变化过程中，冰冻圈最易受影响，它对全球变暖的响应非常迅速也最为明显，尤其是冰川[^[1]]，被称为天然的气候变化指示器^[[2]]。气候变化引起的冰川消融量和累计量的变化会导致雪线以及冰川高度的升降，最终导致冰川面积变化、末端退缩或前进。开展对冰川变化的研究，可以认识冰川变化与全球气候变化的关系，加深对全球气候变化的理解^[[3]]。

冰川对于太阳入射辐射有很强的反射作用，它作为一种特殊的下垫面极大增强了地表的反照率，通过地表反照率特征可以分辨出冰川和其他地物，利用反照率可以反映冰川的范围。但积雪的反照率和冰川相差很小，难以分辨，故本文选择7-8月份进行对冰川范围的监测，该时间段太阳辐射强、冰面温度上升、积雪融化强烈，有利于消除季节性积雪的影响。

2 国内外研究进展

2.1 冰川研究主要方法与现状

早期，冰川资料的获取仅能通过野外考察、航空影像、地形图等来实现，再以经验公式来获得冰川面积的变化[^[4]]。冰川海拔一般较高，地形复杂，气候条件恶劣，实地考察难以实施，航空影像方法耗费大量的时间、人力、物力、财力，并且观测资料的范围以及时空分辨率难以满足研究要求。20世纪60年代以来，卫星遥感技术逐渐成熟，利用遥感手段研究冰川的特征及其变化成为逐渐成为主流[^[5]][^[6]]^[[7]]。

冰川信息的提取方法主要有以下几种：目视解译[^[8]]、阈值统计[^[9]]、比值阈值[^[10]]、雪盖指数阈值 (NDSI)[^[11]]、非监督分类[^[12]][^[13]]、监督分类[^[14]]等。

1. 目视解译法

目视解译精度最高，经常会采用这种方法，但是工作量很大，费时耗力，例如中国历时22年才完成中国第一次冰川编目；其余方法均为计算机自动分类法，该方法能迅速获取大范围的冰川信息，但其受影像分辨率、季节、冰川表面干净程度等因素影响较大，需要配合以目视解译法来提高精度。

（2）阈值统计法

阈值统计法是利用冰川与其他地物的反射特性存在差异，从而确定冰川在图像上一个特定的亮度阈值，计算机自动判定冰川区和非冰川区。这种方法简单易行，但是精度不高，尤其是在污化雪和冰川末端部分很难将两者区分出来[^[15]]。

（3）雪盖指数阈值法 (NDSI)

雪盖指数阈值法又称归一化是植被指数的延伸，其运算公式为：

NDSI=（CH_n-CH_m）/( CH_n CH_m) (1)

式中n和m为近红外或可见光波段号，常用TM的2波段和5波段。该方法比阈值统计法准确可靠，但是在阈值设定上很难准确选取。上官冬辉等[^[16]]根据遥感影像数据、地形图等运用雪盖指数法提取玉龙喀什河源区冰川的变化，结果表明雪盖指数法很难识别冰川的表碛分布区以及冰雪覆盖区，还是需要辅以目视解译法来进行校正。

1. 非监督分类法

非监督分类法是依据不同地表覆盖类型的光谱特性不同来对其进行自动的分类，此方法最方便快捷，不需要人为干涉[^[17]]；但是其精度较低，在云量较大、有积雪存在或者有表碛覆盖的区域，非监督分类法是无法辨别冰川的，因此较少研究采用这种方法。监督分类法是研究者已经确定影响上某一区域的地表覆盖类别，根据这些样本区域的特征参数建立判别函数，以此判别函数来对其他像元进行分类[^[18]]。李震等^[[19]]研究青藏高原冰川范围变化时比较了非监督分类法和监督分类法，结果表明后者的精度明显高于前者，但监督分类法也存在辨别不出积雪、岩石的缺陷。

（5）比值阈值法

比值阈值法是通过不同的波段进行比值生成比值图像，再设置一个阈值来提取冰川信息，比值可以由不同波段图像的数字数值（DN值）作比值运算，也可以使用经大气校正过的行星反射率来计算。其基本原理是利用冰川在可见光波段的强反射率与在近红外的强吸收性。Paul等^[[20]]选取不同方案提取冰川边界，最终发现比值法提取的冰川边界效果最好，精度最高，该方法受到国内外学者的广泛认可。但是比值阈值法对于其阈值的选取，没有一个固定的值，不同研究者在不同的研究者选取的阈值不尽相同。Shangguan等^[[21]]运用比值阈值法提取东帕米尔地区现代冰川的变化时选取TM3/TM5波段组合，阈值设定为2.1；而在做中国西昆仑山的现代冰川调查时将波段组合调整为TM4/TM5，阈值设定依然保持2.1[^[22]]。Bolch[^[23]]运用比值法研究中国天山的气候变化与冰川退缩时选用TM4/TM5组合，设定阈值为2。曹泊等[^[24]]在中国祁连山东段冷龙岭的现代冰川变化研究中阈值设定为2.3。Paul等[^[25]]在挪威Svartisen地区提取冰川边界时运用比值法，选取TM3/TM5组合,设定阈值为2.6。虽然不同研究的阈值设定不一样，但是都是略大于2，相差不大。在有云雪干扰的情况下，冰川的地表反照率与晴空状态下的反照率是不一样的，不同季节下的冰川地表反照率各不相同，另外大陆性冰川和海洋性冰川的地表反照率也各不相同存在差别，因此，冰川区域遥感影像的波段DN值会有所不同，比值设定需要结合研究对象具体分析。

2.2 反照率研究主要方法与现状

反照率是反射辐射通量与入射辐射通量之比，它反映了地表对太阳辐射的吸收能力。通过反照率可以反演很多地表参数。反照率产品中有黑空反照率和白空反照率，分别代表在太阳完全直射和完全漫射条件下的反照率，也就是完全晴空与完全阴天情况下的地表吸收太阳辐射能力。

以前，青藏高原地表反照率的研究主要是通过对辐射资料的分析^[[26]]。但是，这些研究大都只限于短时间，或者大都只计算出一个平均值，缺乏更细致、深入的研究。格拉丹东地区环境恶劣，地势险峻，测站稀少，基本是空白区，实地观测困难重重，其分辨率较低，区域代表性也欠佳，完全不能满足冰川变化监测的要求，利用其他资料弥补其不足势在必行。遥感技术凭借其监测范围广、空间分辨率高、经济安全的优势，成为更好的选择。但是通过遥感数据反演地表反照率存在一定的困难。

于是，研究者开始通过对卫星资料的分析研究青藏高原格拉丹东地区的地表反照率。其中一种是统计反演法，即找出通过行星反照率与地表反照率的统计关系，该方法误差较大，仅仅是将地表假设为各项同性的朗伯体就会带来超过40%的误差^[[27]][^[28]]，不满足气候模式的需要。另外一种是二向反射率函数BRDF (Bi-directional Reflectance Distrtibution Function)反演法，即通过反演地表的BRDF参数来计算地表反照率。随着对BRDF模型的研究越来越深入，二向反射分布函数对各向异性的描述已经很准确。BRDF法需要获得对地观测的多角度数据，随着卫星遥感技术的逐渐成熟，已有很多传感器可以提供多角度观测数据，如多角度成像光谱辐射计MISR (Multi-angle Imaging Spectro Radiometer)和地球反射率极化和方向性探测器POLDER (Polarization and Direction of Earth Reflectances)等。在地表状态保持一段时间内不变的假设条件下，可以利用美国NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)改进的甚高分辨率辐射计AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)、美国地球观测系统EOS(Earth Observing System)中分辨率成像光谱辐射计MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectro Radiometer)等探测器多次过境时卫星—地表—太阳相对位置的变化(尤其卫星天顶角的变化)获得多角度对地观测数据。近些年来，利用美国公开发布的反照率产品MOD43反演地表反照率，时空分辨率都明显提高。MOD43产品的空间分辨率可达500m，有利于反演地表反照率复杂的时空变化。

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