基于模拟多光谱的木孜塔格峰冰雪信息提取与变化分析

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冰雪是冰冻圈的主要组成成分,在全球水循环、气候变化、海平面上升和人类活动中发挥着重要作用。随着全球气候波动性变暖,冰雪普遍处于退缩消融状态,随之衍生冰崩、冰湖溃决、泥石流等一系列自然灾害。在全球变暖背景下,研究冰雪变化规律受到前所未有的重视,如何准确高效的提取冰雪信息是冰雪变化监测的基础。基于多光谱遥感数据开展冰雪信息提取是当前研究热点之一,但多光谱数据波段少、光谱分辨率低,冰雪信息细节丢失严重,冰雪提取与监测精度不高,而高光谱遥感影像能提高地物光谱分辨能力,实现冰雪细分识别,但高光谱数据匮乏、难以获取,数据量大,处理效率低下。因此,结合高光谱与多光谱数据优势开展冰雪研究工作,对传统方法冰雪提取精度的提升具有重要意义。本研究以东昆仑山西段-木孜塔格峰冰雪为研究对象,通过Hyperion高光谱数据预处理及冰雪端元光谱提取,利用光谱响应函数将高光谱影像冰雪端元光谱模拟为多光谱,在此基础上提取研究区冰雪信息,与传统多光谱、高光谱冰雪信息提取方法作对比,验证基于模拟多光谱冰雪信息提取方法的可行性,并将此方法应用于冰雪变化监测中。本文的主要研究内容与成果如下:(1)通过对Hyperion高光谱数据进行波段去除、坏线修复及条纹去除、大气校正等一系列处理,获得了研究区真实反射率图像,提取了研究区冰雪端元光谱。分析积雪和冰川光谱特征可知,积雪的光谱反射率明显高于冰川,且新雪光谱反射率高于老雪,纯净冰光谱反射率则高于污化冰,积雪和冰川在可见光波段内反射率较高,在近红外波段内反射率整体呈下降趋势。(2)利用Landsat ETM+、OLI光谱响应函数,将Hyperion高光谱影像冰雪端元光谱等效模拟为Landsat-7、Landsat-8多光谱。结果表明,模拟多光谱波段与Landsat影像波段范围完全对应,波段反射率变化趋势一致,与高光谱相关性较高,保留了高光谱的主要波谱信息。(3)基于模拟多光谱数据,采用完全约束最小二乘丰度反演方法提取研究区冰雪信息,并将提取结果与传统多光谱冰雪信息提取方法(比值阈值法、雪盖指数法、最大似然法和神经网络法)以及高光谱遥感影像混合像元分解法冰雪提取结果相比较。结果表明,传统多光谱方法冰雪提取效果不佳,高光谱冰雪提取结果精度较高,但实用性不强,而基于模拟多光谱的冰雪信息提取方法结合高光谱与多光谱遥感影像数据特点,能较好的区分冰川和积雪,且能通过设置阈值来避免整个冰湖被误分为冰川,冰雪提取精度在传统多光谱提取方法的基础上有了较大的提升。(4)运用模拟多光谱冰雪信息提取方法对2004年、2013年、2020年共6景Landsat影像进行了冰川和积雪信息提取。从对冰川时空变化分析结果中得出,冰川在2004-2020年总体呈现退缩趋势,冰川面积共退缩36.58km2,年均退缩率为0.34%/a,冰川的退缩主要发生在5400~6200m高程范围内,且南坡向冰川退缩速率高于北坡向。从对积雪覆盖年度变化分析结果中得出,2020年研究区内积雪覆盖变化显著,季节性变化明显,积雪面积最小为6月,最大为12月,积雪主要分布在5400~6000m高程范围内,且受太阳辐射和冷空气影响,积雪在不同月份不同坡向上分布均有差异。
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