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MODIS雪深反演數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證及分析_傅華 (1)55

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DO I : 10 . 13826 / j. cnki . cn65 1103 / x. 2007 . 06 . 025

第 30 卷 　第 6 期 V o l . 30　N o . 6 　 　　　　　　　　　　　 　　 　　　　　　　　　　 2007 年 11 月 A R I D 　L A N D 　G E O G R A P HY N o v . 　 2007

干旱區(qū)地理

①

M O D I S 雪深反演數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證及分析

傅 　華 , 　李三妹 , 　黃 　鎮(zhèn) , 　沙依然 , 　李 　聰 , 　紀(jì) 　良

1 2 1 1 1 1

( 1　新疆環(huán)境氣象業(yè)務(wù)中心 , 新疆 　烏魯木齊 　 830002; 　 2　國(guó)家衛(wèi)星氣象中心 , 北京 　 100081)

摘　 要: 　 在 M O D I S 衛(wèi)星遙感積雪監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上 , 利用雪深反演數(shù)學(xué)模型 、 積雪指數(shù) N D S I 和多光 譜閾值等相結(jié)合的方法 , 對(duì) 2004 年以來(lái)新疆北疆地區(qū)的積雪分布狀況進(jìn)行了反演和計(jì)算 , 并利用 2004年 11月 ～ 2005 年 3月冬季北疆地區(qū)氣象臺(tái)站雪深數(shù)據(jù)和 2004 年 12 月 ～ 2006 年 1月加密野 外實(shí)測(cè)雪深數(shù)據(jù) , 對(duì)反演雪深數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證及分析 , 北疆各地除塔城地區(qū)反演精度為 83. 2%以 外 , 其它地區(qū)反 演精度達(dá) 85. 2%以上 , 平均反演精度達(dá) 86. 2 %; 野外實(shí) 測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證反演 精度達(dá) 92 % 以上 。

關(guān) 鍵 詞: 　MO D I S 　數(shù)學(xué)模型 　雪深反演 　驗(yàn)證 中圖分類號(hào) : 　T P 79　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 　　　文章編號(hào) : 1000 -6060( 2007) 06 -0907 -08( 907 ～ 914)

　　 西北干旱區(qū)為我國(guó)地表水資源 最為匱乏的地 區(qū) 。 在極其有限的地表水資源中 , 季節(jié)性積雪是其 中一個(gè)重要的組成部分 , 而新疆積雪水資源占全國(guó) 總量的三分之一

〔1〕

土地覆蓋類型數(shù)據(jù)作為積雪遙感監(jiān)測(cè)的重要因子 , 實(shí)現(xiàn)了新疆積雪面積 、覆蓋率 、 深度 、雪水當(dāng)量等數(shù) 據(jù)的實(shí)時(shí)獲取 , 為提高新疆積雪監(jiān)測(cè)能力和決策服 務(wù)能力 , 打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。

, 是積雪集中分布的地區(qū) 。 新疆

冬季積雪時(shí)間長(zhǎng) , 雪量豐沛 。 新疆農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)與季 節(jié)性積雪有著十分密切的關(guān)系 , 土壤墑情和春季灌 溉都高度依賴于積雪融水 。 因此積雪研究在新疆顯 得尤其重要 。 在新疆積雪監(jiān)測(cè)研究中 , 用氣象站點(diǎn)的觀測(cè)資 料研究積雪分布 、 雪深及雪密度等 , 常常由于氣象監(jiān) 測(cè)站點(diǎn)稀少 , 站點(diǎn)分布不均勻 ( 大部分位于城鎮(zhèn)附 近) , 難以真實(shí) 地反映新疆地區(qū)積雪覆蓋變化和尤 其是氣候條件惡劣的山區(qū)和牧區(qū)覆蓋狀況 。 衛(wèi)星資 料能夠較客觀地反映大范圍積雪覆蓋的變化狀況 , 是分析大范圍積雪和雪情信息的唯一有效手段 。 為 了充分利用美國(guó)地球觀測(cè)衛(wèi)星監(jiān)測(cè) 積雪的覆蓋變 化 , 我們 從 M O D I S 衛(wèi) 星資料云和雪 的光譜特征入 手 , 開(kāi)展了多通道 、多光譜云雪判識(shí)方法的研究 , 并 且通過(guò)遙感數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和云 、雪 、地表 、水體等的自 動(dòng)判識(shí)分類 , 結(jié)合 2002 2003 年冬季地面積雪實(shí)測(cè) 數(shù)據(jù) , 建立了雪深反演數(shù)學(xué)模型 。 同時(shí) , 還考慮了多 種復(fù)雜下墊面條件 , 包括地表粗糙度 、 海拔高度以及

①收稿日期 :2006 -09 18; 　修訂日期 :2007 02 -24

1　M O D I S 積雪深度反演方法

1. 1　積雪深度反演原理 根據(jù)科學(xué)家們的研究 , 積雪深度與可見(jiàn)光波段 的反射率 之間有著較好的相關(guān) 性

〔 2〕

。 積雪 深度與

反照率的關(guān)系是當(dāng)積雪深度小于 20 c m時(shí) , 雪面的 反照率隨著積雪深度的增加而增加 , 二者之間有著 較好的線性關(guān)系 , 當(dāng)積雪深度大于 20 c m 時(shí) , 雪面的 反照率隨深度增加緩慢 , 當(dāng)積雪達(dá)到一定深度時(shí) , 雪 面的反照率趨于飽和 。 在短紅外波段 , 積雪深度的 變化對(duì)雪面在該波段的反射率影響不如可見(jiàn)光波段 明顯 , 但同樣也有一定的反應(yīng) , 這種情況對(duì)于深度在 20 c m 以內(nèi)的雪面較為明顯 。 因此 , 考慮到積雪深度與可見(jiàn)光波段和短紅外 波段反射率二者之間都存在復(fù)雜關(guān)系 , 綜合這兩種 反射率的歸一化積雪指數(shù) N D S I , 該積雪指數(shù)能較好 的反映出積雪深度的變化特征 ( 圖 1) 。 其中 N D S I

基金項(xiàng)目 : 中國(guó)氣象局推廣資助項(xiàng)目 “ M O D I S 雪深反演數(shù)學(xué)模型與應(yīng)用 ”和中國(guó)沙漠氣象研究基金項(xiàng)目 “暖濕化背景下新疆季節(jié)性積雪的影 響研究 ”資助 作者簡(jiǎn)介 : 傅華 ( 1957 ) , 女 , 高級(jí)工程師 , 主要從事衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究

　 　　　　　　　　　　　　　　　　干 　 旱　 區(qū)　 地　 理 　　　　　　　　　　　　　　　30 卷 定義為 : 　N D S I= ( R R /( R 可見(jiàn)光波段 短紅外波段 ) 可見(jiàn)光波段 + R 　, 短紅外波 段 ) ( 1) 合于平原地區(qū)的積雪深度計(jì)算公式 , 對(duì)于山區(qū)則會(huì) 帶來(lái)較大的誤差 , 因此在反演積雪深度時(shí) , 還必須考 慮地表的粗糙度差異對(duì)于積雪深度的影響 。 1975 年 O 'B r i e n 和 M u n i s 等人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) , 雪面 反射率還隨積雪性質(zhì)不同而不同

〔 3〕

R O D I S 通道 可見(jiàn)光波段 即可見(jiàn)光波段的反射率 , 可用 M 1 或通道 5 的數(shù)據(jù) , R 短紅外波段 即 短紅外波 段的反射 率 , 可以用 M O D I S 通道 6或通道 7的數(shù)據(jù)

〔3〕

。 新雪和舊雪 ,

干雪和濕雪 , 不同密度的雪 , 即將融化的雪和凍結(jié)的 雪等在反射特性上都存在一定的差異 。 實(shí)際上 , 這 些差異是由于積雪隨時(shí)間變化過(guò)程中帶來(lái)了積雪粒 子的物理結(jié)構(gòu)差異進(jìn) 而造成反射率的差異

〔4, 5〕

。

,從

而影響到積雪深度與反射率之間的關(guān)系 。 因此 , 在 反演積雪深度時(shí) , 必須考慮到積雪性質(zhì)的差異 , 不同 性質(zhì)的積雪采用不同的深度計(jì)算模式 。 基于上述原理 , 在考慮下墊面條件和積雪性質(zhì) 等各種條件的情況下 , 利用 M O D I S 資料和積雪深度 實(shí)測(cè)資料 , 反演計(jì)算 20 c m以內(nèi)的積雪深度參量是 完全可行的 。 根據(jù)多年的積雪資料以及我國(guó)西北地

圖 1　下墊面為草地時(shí) , 積雪深度與歸一化積雪 指數(shù) ( N D S I ) 之間的散點(diǎn)圖 F i g . 1　S c a t t e r p l o t i m a g eb e t w e e ns n o w d e p t ha n dN D S I f o r t h eu n d e r n e a t hc o n d i t i o no f g r a s s l a n d

區(qū)的氣候特征研究分析表明 , 西北非常年積雪區(qū)冬 季積雪深度一般多在 30 c m以內(nèi) 。 使用上述方法 , 深度在 30 c m以內(nèi)的雪面在可見(jiàn)光波段的反射率與 深度之間同樣存在著較好的線性關(guān)系 。 1. 2　積雪深度判識(shí)依據(jù) 根據(jù)上述積雪深度反演原理 , 用逐步回歸判別 與 B a y e s 判別數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法

〔 6〕

本文的積雪深度反演正是基于 M O D I S 積雪深 度與可見(jiàn)光波段的反射率以及 ( 1) 式 , 利用 M O D I S 相應(yīng)通道值以及積雪深度實(shí)測(cè)資料 , 建立積雪深度 與上述通道數(shù)據(jù)之間的線性關(guān)系 。 當(dāng)積雪深度小于 20 c m 時(shí) , 雪的下墊面會(huì)影響到雪面在各個(gè)波段尤 其是可見(jiàn)光波段的反射率 , 這是因?yàn)楫?dāng)積雪深度小 時(shí) , 太陽(yáng)輻射一部分能透過(guò)雪面到達(dá)下墊面 , 而下墊 面的反射一部分也能透過(guò)雪面與雪面本身的反射一 起到達(dá)衛(wèi)星傳感器 , 因此 , 衛(wèi)星接收到的反射輻射包 含了兩部分 , 一部分是雪面的反射輻射 , 另一部分是 下墊面的部分反射輻射 。 當(dāng)積雪深度逐漸增大時(shí) , 能透過(guò)雪面到達(dá)下墊面的太陽(yáng)輻射逐漸減小 , 雪面 的反射輻射逐漸增加 , 因此總的反射輻射增加 。 對(duì) 于深度在 20 c m 以內(nèi)的積雪 , 當(dāng)深度相同時(shí) , 下墊面 為沙漠積雪像元 , 其反射率要高于下墊面為草原或 者農(nóng)田的積雪像元 ; 當(dāng)下墊面為林地時(shí) , 由于樹(shù)木的 遮擋以及葉綠素對(duì)可見(jiàn)光波段的吸收作用 , 相同積 雪深度的積雪像元反射率要遠(yuǎn)低于草地和沙漠中的 積雪像元 。 因此 , 利用 M O D I S 資料對(duì)新疆地區(qū)進(jìn)行 積雪深度反演時(shí) , 必須考慮到下墊面的差異 。 另外 , 由于地面高程的差異 , 山區(qū)由于山的陰影等影響 , 適 908

, 建立積雪深度與影

響因子之間的線性關(guān)系如下 : 　　S = a a a …a a 1x 1 + 2x 2 + 3x 3 + nx n+ n +1 　, ( 2)

其中 S 為積雪深度 , x 1, … , x n為影響因子 , a 1 , …, a n+1為回歸系數(shù) 。 在考慮影響因子時(shí) , 按照地表粗 糙度 ( 平坦區(qū) 、丘陵區(qū) 、 山區(qū) ) 、 土地覆蓋類型 ( 林地 、 荒漠 、 草地等 ) 以及積雪性質(zhì) ( 新雪 、舊雪 、正在融化 的雪 、 凍結(jié)的雪等 ) 等將因子分為若干類 , 每一類單 獨(dú)進(jìn)行回歸計(jì)算 。 對(duì)于丘陵區(qū)和山區(qū) , 同時(shí)考慮地 形對(duì)積雪分布以及反射率的影響 , 結(jié)合坡度 、 坡向等 進(jìn)行訂正 。 這樣 , 對(duì)于一個(gè)區(qū)域的積雪深度反演 , 按 性質(zhì)大體相同的分類原則將雪面就分成了若干類 , 對(duì)應(yīng)于若干類 組進(jìn)行積雪深度 回歸方程計(jì)算 。 例 如 , 平坦地區(qū)荒漠里的新雪為一類 , 既考慮了地形和 土地覆蓋類型等外部特征 , 還考慮了積雪本身的性 質(zhì) , 由于雪面特征大體相同 , 這樣各因子對(duì)深度的影 響也大體一致 , 因而對(duì)這一類積雪進(jìn)行回歸計(jì)算時(shí) 可以有效的得以訂正 , 有利于提高反演精度 。 利用北疆地區(qū) M O D I S 資料以及 2003 年 1 月 1

6 期 　　　　　　　　　　　　　　 　傅華等 : MO D I S 雪深反演數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證及分析 　　　　　 　　　　　　　　　 　

日 4 日的積雪深度實(shí)測(cè)資料 , 建立了一組 M O D I S 通道數(shù)據(jù)與積雪深度實(shí)測(cè)值相匹配的樣本表 , 利用 樣本表進(jìn)行回歸計(jì)算 , 生成一組不同性質(zhì)雪面的積 雪深度回歸方程 。 根據(jù)積雪深度反演原理 , 定義變 量 X 1 、X 2和 X 3 分別為 : 　　X ( R R /2　, 1 = c h 1 + c h 2) X (R R /(R 　, 2 = c h 1 c h 6) c h 1 +R c h 6) ( 3) ( 4)

根據(jù)上述回歸方程 , 利用 M O D I S 各通道數(shù)據(jù)可進(jìn)行 雪深計(jì)算 。

2　 積雪深度監(jiān)測(cè)方法

本文在 M O D I S 多通道積雪自動(dòng)判識(shí)基礎(chǔ)上 , 考 慮下墊面條件和積雪性質(zhì)差異 , 在積雪分類的基礎(chǔ) 上建立了雪深反演模型 , 用于 30 c m以內(nèi)的積雪深 度反演計(jì)算 , 并建立了一套適合于我國(guó)西北 ( 多雪 ) 地區(qū)使用的積 雪動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法 和流程 。 首 先利用 M O D I S 衛(wèi)星資料可見(jiàn)光和短紅外通道的 反射率及 遠(yuǎn)紅外通道的亮度溫度進(jìn)行云 、積雪 、水體 、晴空地 表等目標(biāo)物的自動(dòng)判識(shí)分類 ; 將判識(shí)提取的積雪信 息在積雪分類基礎(chǔ)上利用雪深反演模型進(jìn)行雪深反

X (R R /(R ,　 ( 5) 3 = c h 1 c h 7) c h 1 +R c h 7) R O D I S 通道 1的反射率 , R O D I S 通道 2 c h 1為 M c h 2為 M 的反射 率 , R O D I S 通道 6 的 反射 率 , R c h 6為 M c h 7為 M O D I S 通道 7 的反射率 。 雪深回歸方程為 : 　S = A A A A 1X 1 + 2X 2 + 3X 3 + 4 　, 根據(jù)不同下墊面可得如下一組回歸方程 : 平坦地區(qū)荒漠舊雪的回歸方程 : 　S 2. 122 45 X 1. 703 539 X 1. 617 484X 1 = 1 + 2 + 3 26. 872 15　, 平坦地區(qū)草地舊雪的回歸方程 : 　S 3. 739 822X 2. 949 741X 3. 609 386X 2 = 1 + 2 + 3 50. 333 36　, 山區(qū)林地舊雪的回歸方程 : 　S 3. 076 262X 2. 315 176X 1. 987 706X 3 = 1 + 2 + 3 31. 328　, ( 9) ( 8) ( 7) ( 6)

演計(jì)算 , 對(duì)反演的雪深進(jìn)行等級(jí)劃分 , 并對(duì)各層雪深 、 雪面積 、 覆蓋率 、 雪水當(dāng)量 、 最大積雪合成等參量進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)計(jì)算 , 同時(shí)對(duì)多天積雪動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行評(píng)價(jià)等 。 圖 2 是 2005 年 12 月 18 日 13 點(diǎn)監(jiān)測(cè)的北疆地 區(qū) M O D I S 衛(wèi)星資料 , 經(jīng)過(guò) ( 6) 式反演成 500 m分辨 率的積雪專題圖 ( 圖 3) 。 圖中顏色代表的信息見(jiàn)圖 例 。 圖 4 是伊犁地區(qū)積雪動(dòng)態(tài)變化 圖 。 通過(guò) 2006 年 2 月 9 日和 2 月 17 日兩天雪深反演數(shù)據(jù)的差值 計(jì)算 , 可以清楚地看到不同時(shí)間同一個(gè)地點(diǎn)各層積 雪深度 ( 16層 ) 是正變化還是負(fù)變化 。 綠色表示 積雪在增加 , 紅黃色表示積雪在減少 , ± 20 c m 以下 5c m 為一個(gè)級(jí)別 , > 20 c m 以上 10 c m 為一個(gè)級(jí)別 , 藍(lán)色表示積雪無(wú)變化 ( 詳見(jiàn)圖例 ) 。

圖 2　北疆地區(qū) M O D I S 衛(wèi)星影像圖 ( 2005 年 12 月 18 日 ) F i g . 2　MO D I Si m a g eo f n o r t hX i n j i a n g ( D e c18, 2005)

圖 3　 2005 年 12 月 18 日北疆地區(qū) MO D I S 積雪專題 圖 F i g . 3　T h e m a t i cma po f s n o wc o v e r o f n o r t hX i n j i a n g o nD e c18, 2005

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　 　　　　　　　　　　　　　　　　干 　 旱　 區(qū)　 地　 理 　　　　　　　　　　　　　　　30 卷

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