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乌鲁木齐河源区冰川粒雪线遥感提取方法比对研究

赵彦军  
【摘要】:山地冰川被作为研究气候变化的指示器,冰川物质平衡提供了冰川对气候变化的直接响应。物质平衡监测需要大量物力人力保证和技术支撑,仅用几条冰川监测的物质平衡资料很难代表整个山系冰川的物质平衡状态。因此需要替代方法来确定山系的冰川是增长还是退缩。近些年用遥感手段提取粒雪线的相关研究结果表明,消融季末的粒雪线高度可以用于指示平衡线高度,甚至有些年份消融季末的粒雪线高度可以用于近似替代平衡线高度。但上述研究结果是用不同的遥感方法在不同冰川上获取的,可比较性差,用不同的遥感方法在同一冰川提取粒雪线高度值的研究比较少见,特别是在包括新疆在内的高亚洲地区。中纬度大陆型冰川粒雪线高度是否可以指示或近似替代物质平衡线高度仍存在争议。本文主要选取Landsat TM/ETM+/OLI影像、HJ-CCD影像和高分一号WFV影像,SRTM DEM数据,通过遥感影像预处理(影像配准、辐射定标、FLAASH大气校正、地形校正、窄-宽波段转换反演反照率),利用目视解译法、雪盖指数法、单波段阈值法、反照率遥感反演法和随机森林法,基于DEM提取消融期末粒雪线高程值,以乌源1号冰川为试验区,比对上述不同方法提取乌鲁木齐河源1号冰川粒雪线的精度和特点,分析误差产生的原因,并利用其中最优方法提取2002—2019年乌鲁木齐河源区冰川粒雪线高程值,分析其时序变化特征,讨论气温、降水对乌鲁木齐河源区冰川粒雪线高度的影响,以及影响粒雪线高度的不确定性因素。基于以上研究,主要得出如下主要结论:(1)目视解译法、反照率遥感反演法和随机森林法具有较强的适应性,提取的粒雪线精度高,雪盖指数法次之,单波段阈值法较差。(2)归一化积雪指数法提取乌河源区粒雪线时NDSI阈值设为0.60~0.98较宜。单波段阈值法阈值的设定应视具体研究区域确定。反照率遥感反演法提取冰川粒雪线时,根据反演的冰川表面反照率分布特征划分即可获取冰川粒雪线,随机森林法先要确定粒雪样本,可快速获取冰川粒雪线,在五种粒雪线遥感提取方法中自动化程度和效率最高,适应性最强。(3)除去物质平衡极端负值的年份,消融季末冰川雪线高度对平衡线高度具有较好的指示意义。在遥感影像选取时间为消融季末且物质平衡较小负值的年份,冰川雪线高度高于平衡线高度13m~18m;物质平衡为正值的年份,冰川雪线高度低于平衡线高度13m~23m。物质平衡较小负值和正值的年份,消融季末的雪线高度可以用于近似替代平衡线高度。(4)五种方法获取的粒雪线高程值在大多数年份均不同程度低于实测物质平衡线高度,物质平衡极端负值出现的年份加大了绝对误差。受可利用影像获取时间的影响,遥感获取的粒雪线大多数情况下不是冰川物质平衡年内理论上的最高粒雪线高度,这是影响冰川粒雪线提取精度的重要原因。(5)2002—2019年乌鲁木齐河源区冰川粒雪线高度的变化主要受暖季气温控制,粒雪线高度有上升趋势。(6)遥感获取冰川粒雪线高度的精度受DEM分辨率和DEM精度、影像种类、影像配准精度和影像分辨率、影像成像时间等的影响。本研究DEM分辨率和DEM精度对粒雪线高度的不确定性分别为±30m和±20m,影像种类不同造成的不确定性约11~16m;影像配准精度和影像分辨率对粒雪线高度的不确定性为-56m~56m,成像日期导致的粒雪线高度的不确定小于61m。


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