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《西北师范大学》 2018年
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基于MODIS数据的高原湖泊冰情遥感监测方法研究

李晓锋  
【摘要】:作为地球的第三极和泛第三极的主要组成部分,青藏高原拥有着独特的地质-地理-生态环境,对毗邻区域的气候、植被等产生重要影响。在全球变暖背景下,青藏高原地理环境变化已成为广大学者共同关注的问题。青藏高原湖泊众多,受高海拔影响,湖区温度在冷季低于冰点,从而周期性形成湖冰。湖冰作为冰冻圈的要素之一,对局部乃至全球气候变化响应强烈,其长时间序列变化可作为气候研究的代用资料。本文基于Terra MODIS数据和Landsat TM/ETM+/OLI影像,在分析湖冰、湖水等相关地物在可见光-红外波谱段上的反射率差异基础上,结合归一化差分雪指数(NDSI)构建一种新的湖冰遥感识别算法——湖冰指数(Lake Ice Index,LII),并对青藏高原主要湖泊开展湖冰遥感自动监测和湖冰物候特征分析,研究表明:(1)湖冰与湖水反射率最大差值位于红光波段,基于NDSI和红光波段构建的湖冰指数能有效扩大湖冰与湖水间的光谱差异。以纳木错为例,湖冰指数方法较其它湖冰监测方法具有更好的监测效果,其最大错分像元面积不超过湖冰总面积的3.5%,但各方法对薄冰的监测能力均相对较弱;在不同的湖泊冰情期,利用湖冰指数方法提取的湖冰数据精度存在明显差异,呈现封冻期优于消融期而冻结期最差的特点,其中湖面薄冰的存在是造成这一差异的主要原因。在所有样例湖泊(包括玛旁雍错、纳木错、扎日南木错和依布茶卡4个湖泊)中,利用湖冰指数提取的湖冰面积与其“真值”相差皆小于5%,表明本文所构建的湖冰指数方法具有较好的适用性,可用于快速监测湖冰。(2)青藏高原湖泊(面积≥100 km2)的冻结-消融过程模式大致可归为3类,分别为冻结-消融过程完整-稳定型(如青海湖)、完整-不稳定型(如鄂陵湖)以及不完整型(如佩古错)。青藏高原主要湖泊开始冻结与完全冻结时间主要集中于每年的11月和12月,冻结过程平均持续约20 d;湖冰开始消融与完全消融时间主要集中于4月和5月,消融过程平均持续约22 d;湖泊完全封冻期平均持续约119 d。湖冰开始冻结期、完全冻结期、开始消融期以及完全消融期在空间上尽管存在较大差异,但仍表现出一定的规律性,即湖泊湖冰开始冻结与完全冻结期以藏北高原和可可西里地区为中心向四周逐渐推迟,而湖冰开始消融和完全消融期与前者呈相反的变化趋势。湖泊各冰情期持续时间存在明显的空间差异,冻结持续时间和消融持续时间并无明显规律,而湖泊完全封冻期却表现出较为明显的空间分布规律,即大致以可可西里和藏北高原为中心向高原边缘逐渐缩短。(3)2001-2016年期间,青藏高原主要湖泊湖冰开始冻结期平均每年推迟约0.23 d,湖冰完全冻结期平均每年推迟约0.10 d,发生提前的湖泊数量约占湖泊总数量的38%,其余湖泊皆发生了不同程度的延迟;湖冰平均开始消融期每年平均推迟约0.42 d,其中发生推迟的湖泊占湖泊总数量的63%,发生提前的湖泊则占37%;湖冰平均完全消融期每年平均推迟约0.35 d,发生推迟的湖泊占湖泊总数量的48.3%,发生提前的湖泊占总51.7%。根据湖冰物候特征对气候变化的指示作用,发现2001-2016年青藏高原在秋季与冬季处于一个变暖态势的同时,也表现出了明显的空间差异,其中高原南部、东北部以及可可西里自然保护区周围湖区,气候呈现一个变暖的趋势,可可西里自然保护区中心地带以及高原西北部地区,气候呈现一种变冷的趋势。在春季和夏初时节,整个青藏高原平均处于一个变冷的态势,其中,青藏高原南部以及可可西里湖-乌兰乌拉湖-吐错-格仁错一线以东的高原东部湖区,呈现一种变暖的趋势,在高原的其它地区,尤其以可可西里自然保护区中心地带以及高原西北部为代表的的地区,呈现一种变冷的趋势。
【学位授予单位】:西北师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:P332;TP79

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