基于MODIS积雪面积产品的我国干旱区积雪制图与时空分布特征研究

积雪是地表最活跃且具有多重属性的自然因素之一,对地球能量、辐射平衡和水文循环有重要影响.在广大的中国干旱区,对积雪范围进行长期的监测与制图,对积雪参数如积雪日数、初雪日期和终雪日期等,进行准确和及时地估算具有重要意义,它们不仅是许多融雪径流模型的输入参数,对干旱区水资源管理、水文预报和灾害防治研究有重要作用,而且其变化还反映了其对区域气候变化的响应.本文从MODIS积雪产品云去除的角度出发,结合AMSR-E被动微波资料,对比了多种多时相、多传感器数据融合的去云方法在中国干旱区的应用效果,分析了利用遥感方法进行积雪日数、初雪日期和终雪日期的制图精度,最后,对研究区积雪时空分布特征进行了详细分析.
针对MODIS积雪产品的云覆盖问题,多时相数据融合通过考虑云体在不同时相的位置差异获取时段内的最大积雪面积,可以很大程度的消除云覆盖;多传感器数据融合则利用被动微波遥感的穿云透雾能力,将MODIS积雪产品中被云覆盖的像元用被动微波观测结果替换,可以获取无云覆盖积雪产品.但是多时相数据融合和多传感器数据融合分别是以时间和空间分辨率的牺牲来获取云覆盖下的积雪信息,本文将多时相和多传感器数据融合的方法结合起来,分别从融合后产品的云雪覆盖度、分类精度和融合产品制图效果三个方面,对比了6种不同的云覆盖去除方法,其中包括多时相数据融合的方法三种:Terra/Aqua每日数据融合、灵活多日阈值法数据融合(最长四日、最长八日)两种;多时相与多传感器数据融合的方法也是三种,即三种多时相MODIS融合产品与AMSR-E产品的融合.融合产品间的对比结果显示:MODIS与AMSR-E多传感器的阈值法四日融合产品在融合算法效率、云去除效果和融合后保持较高分类精度方面均有较好表现,其融合后的无云产品在全天气条件下具有96%的整体分类精度、80%的雪分类精度和99%的陆地分类精度,大大高于研究区原MODIS Terra-Aqua每日融合积雪产品全天气条件下64%、32%和70%的整体、雪、陆分类精度;并且由其提取的积雪日数不仅在最大程度上保持了原MODIS产品高的空间分辨率,而且精度较高,对研究区积雪的空间分布状况有很好反映.
在积雪参数制图方面,利用多时相多传感器融合后的无云覆盖积雪产品,首先通过对遥感影像上积雪日数等参数的定义,获得了研究区逐年及多年平均的积雪参数制图,之后利用气象台站的积雪日观测资料对遥感方法的提取精度进行了验证,结果显示:遥感方法提取积雪参数的精度较高,与站点积雪参数相比,遥感方法积雪日数的提取误差大多在20日以内,并且主要表现为遥感方法的低估,初终雪日期的提取误差大多在10日以内,且遥感方法终雪日期的提前较为显著,初雪日期误差较大的站点较多,并且主要表现为初雪日期的延后.此外,遥感参数值与站点参数值的回归分析也同样表明,二者间积雪日数和终雪日期的回归效果较好,初雪日期的回归效果较差;二者相比遥感方法的积雪日数平均有6日的低估误差,终雪日期平均有8日的提前误差.验证结果的分析还表明,某些站点积雪参数提取误差较大的原因主要可能是由气象台点单点观测和遥感面状观测间的差异造成的.
在干旱区积雪时空分布特征分析方面,利用积雪日数、初雪日期和终雪日期的制图结果,结合积雪面积参数,对干旱区积雪2002-2009年积雪的年内及年际时空变化特征进行了分析,结果显示:除山地冰川和永久积雪外,天山和阿尔泰山山系间的北疆地区是研究区内季节性积雪最为丰富的地区,积雪日数一般在60-150日之间,初雪日期集中在11月上旬至12月上旬,终雪日期集中在2月下旬至3月下旬间,不过其积雪的分布不均匀,大体上从边缘山区向内部盆地中心,积雪日数递减,初雪日期延后,终雪日期提前.2002-2009年不同类型积雪面积的年际变化不同,不稳定积雪的年际变化较大,最大面积发生在2005和2007年,达130万km2左右,而在积雪面积较小的2004年和2006年,不稳定积雪面积仅在90万km2左右;稳定积雪面积变化相对较小,大体在60-80万km2内上下波动,不同地区其年际变化主要体现在积雪日数的增减和初终雪日期的变化上.时间上,在大多数年份,稳定积雪的积累在不同地区有一个渐变的过程,这个过程会一般需花上1到2个月的时间,而积雪的消融相对集中,一般在1个月以内.
最后,本论文对MODIS积雪产品云去除的方法进行展望,指出当前多时相、多传感器融合方法的不足之处主要在于它是一种基于产品的数据融合,并且融合产品对原MODIS产品的时空分辨率有一定的牺牲,无法满足当前实时雪灾监测和水文预报中的高时空分辨率要求,因此从光学和微波遥感积雪反演机理出发,发展更有效的积雪制图方法,是未来积雪监测的主要方向.此外,积雪遥感数据源方面,未来我国自主发射的各个卫星及传感器数据也将成为积雪研究的重要领域.在干旱区积雪变化与气候变化关系研究方面,未来还需要发展更长时间序列的积雪面积产品和积雪参数产品,并且进行积雪参数和大气参数间的联系研究.