基于遥感数据AlamChal地区冰川积雪制图

基于遥感数据AlamChal地区冰川积雪制图

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

摘要：利用遥感数据特性来判读冰雪信息是获得水文参数的新方法。为了获取冰雪信息的特性，目前用于观测的气象台站的数量是远远不够的。本文通过使用远程遥感数据来消除这些缺陷。冰雪具有不同于绝大多数地物的光谱反射率特性，但是也有类似于云的反射特性。这可以用中红外波段来区分它们。本文主要论述了雪盖面积的提取，遥感影像积雪的判读等方面的研究。在这项研究中，我们使用地球资源卫星图像资料。

关键词：水文学  遥感技术  积雪制图  信息提取  雪盖面积

1 引言

通常，水文学家都想知道在某一山地有多少水以雪的形式存储，有多少水以液态形式储存。一般来说，这些指标都是难以被定量测量的，尤其是在山区（Najafzadeh，Abrishamchi，Tajrishi，2004年）。但是随着科技的进步，遥感技术正被广泛的用于各种极端天气下积雪的测量。遥感（RS）和地理信息系统（GIS）是两个正在越来越多地被用在冰雪研究的新技术。它们可用于观测积雪变化，通过结合气象资料分析，进行必要的向上或向下扩展研究，提出水文变化的反演模型。遥感提供了诸如提取雪盖面积和积雪水量的估测等方面的数据获取的优势。而这些数据对于融雪径流实时预报来说具有决定因素。

我们应该知道利用雪和冰在不同波段的反射来获取水文参数的遥感技术。为了利用遥感技术在水文上的应用，研究的资料应采用合适的图像。因此，我们应该界定标准，来选择一个合适的传感器。

据了解，将遥感、地理信息系统和适当的水文模型综合应用能够进行有效的水资源管理，能源生产和防洪减灾准确的估计（Tekel，2005年）。

在本文中，我们研究了遥感在获取水文所需参数方面的能力。为了达到这个目的，首先，考虑冰和雪的电磁波谱反射率的特性。其次，选择合适的标准传感器的解释。最后，对结果进行讨论。

2 冰雪的电磁波谱特性

考虑到积雪在电磁波谱的特性，在研究冰雪变化中，使用水资源遥感数据。在积雪研究波段的选择中，主要以可见光，红外和微波为主。

2.1 可见光和近红外波段

人们眼睛看到的新雪是白色的。这是因为雪在人眼敏感的波长范围（大概在0.4µm-0.65µm）具有较高的反射率。当新雪的反射率在可见光波段和红外波段下降时说明雪开始变老，而反射率的降低主要是由于诸如灰尘、花粉和大气气溶胶粒子等污染物的影响。在研究积雪中，通常使用可见光和近红外遥感数据的好处是因为图像较容易被解译。不过尽管积雪在一定程度上可以容易的被提取出来，但关于雪的含水量信息却很难获得(Tekel ,2005)。

2.2 热红外波段

热红外遥感数据相对于其他波段遥感数据目前很少被用于来测量积雪特性。因为我们应该认识到积雪的辐射光谱，以确定雪的温度。尽管收到一些限制，但是热红外遥感数据在判读有雪区和无雪区的边界时是很有用处的（Rezaei,2004年）。而像可见光和近红外遥感图像一样，云会对热红外图像的可用性造成影响。但是如果有云的话，云上的气温也可被测量的（Tekel,2005）。

2.3 微波波段

微波波段和微波传感器的大多数应用程序都对气候条件敏感。事实上，积雪的物理特性决定了它的微波性能。从性质影响的积雪微波响应包括：深度和水当量、液态水含量、密度、，颗粒大小和形状、温度、各层的地表覆盖物。由于积雪响应与它的状态变化有关，因此定期监测可被允许。从天气条件和测量时间上看，微波成像方面的优势是明显的，微波具有全天时全天候成像的特点。

在大流域，微波图像已被用来分析积雪和深度。然而，它们较低的空间分辨率降低了其在山区流域的可用性（Tekel,2005年）。

此外，微波的感应器可以穿透大雪，并获取有关它的信息，这是光学传感器不具备的能力。主动微波的传感器（例如合成孔径雷达）比被动微波传感器具有更好的空间分辨率，但需要更多的设备支持。

3 遥感传感器的选择

在降低成本和大覆盖范围水文应用中使星载遥感是比较受欢迎的选择（Samantha, 2004）。卫星平台的选择主要标准是空间、时间分辨率，盆地面积和气候条件等。利用遥感技术在进行积雪监测时，获取一个无云天气情况下的遥感图像是非常重要的优势。从这个意义上说，地球资源卫星和NOAA卫星图像比飞机数据要好的多。尽管现在NOAA卫星可以在小规模的地区分析，但由于其具有的空间分辨率，已经存在着许多成功的应用。陆地卫星也可用于小流域地区。然而，无论诺阿和地球资源卫星，它使用可见光和近红外波段的电磁频谱时，云的影响都是主要问题。虽然热红外波段不能穿透云层，但它们可被用于在夜间获取无云图像的可能性。

一种解决云问题方法是用被动或主动的微波数据。这两者都可以在夜间或白天获取。然而即使云问题被解决了，遥感图像的解译则是比光学图像更加困难的问题。微波图像判读困难主要是由于这些图像是从某一高度获得的地表或地下地物属性。

4 研究区概述

AlamChal冰川位于伊朗北部附近的马赞达兰省。AlamChal冰川是伊朗一座重要的冰川，其高程范围在3700m到4250m之间，其最大长度达到4.5km，最大宽度为2.25km。

5 研究方法与资料

在本文是基于ENVI软件利用陆地卫星数据及IRS_LISS图像进行积雪研究的。IRS_LISS影像波段不能反映积雪反射率，因为其使用的波段中没有合适的。但是利用陆地卫星的遥感数据，可以进行区分有雪区边界和无雪区边界。要获取积雪信息，我们通过使用归一化积雪指数NDSI进行提取。归一化积雪指数计算公式如下：

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

式中，b4（545-564μm）和b6（1638-1652μm）为MODIS数据的可见光和短红外波段。

而且我们可以通过使用K-means非监督分类方法获取冰雪覆盖区面积。从陆地卫星数据上我们计算得到积雪覆盖面积为4.6km²。

5.1 新雪的提取

如上所述，雪在可见光区的高反射率而连续的新雪在红外波段的高反射率。要获得新雪信息，利用陆地卫星数据的第2和第4**的积雪的光谱反射率进行积雪识别。如下图所示，红色区域显示的即为新雪。

5.2 积雪的解译

如前所述，积雪在位于陆地卫星数据第4波段和第5波段中有个积雪反射率非常低的区域。我们选择第4波段和第5波段具有反射率低的成雪区域进行解译。如下图所示，绿色区域显示的即为成雪。

6 结果分析

获取遥感积雪数据最重要的参数是雪盖面积（SCA）。只是通过地面观测来估计雪盖面积是非常困难的，但是运用遥感影像数据则比较容易获取。

（1）卫星图像在计算雪盖面积以及山区和其他地区的冰川水文参数时具有很高的性能。

（2）对大规模流域的积雪进行监测时，MODIS和NOAA卫星图像是合适的。但对小规模流域积雪进行监测时，陆地卫星的影像是合适的，因为它的分辨率高于MODIS和NOAA卫星图像的空间分辨率。

（3）为了从光学图像上提取积雪特征，通常选择可见光波、近红外和热红外段的遥感影像，这是因为在这些波段，雪的反射率有不同于其他波段的地方。

（4）在水文中的应用有很多，如长短期径流预报，对于干雪的被动遥感制图等。