基于em+影像的喀拉稻米河克里雅河流內(nèi)流區(qū)冰雪邊界提取

基于em+影像的喀拉稻米河克里雅河流內(nèi)流區(qū)冰雪邊界提取

青藏高原覆蓋世界陸地面積的11%，占淡水儲(chǔ)量的80%。同時(shí)，冷杉也是環(huán)境變化的敏感指示器。因此，冷杉監(jiān)測(cè)已成為世界變化和區(qū)域環(huán)境研究的重要組成部分。冷藏變化的遙感監(jiān)測(cè)方法可分為兩類：基于視覺(jué)翻譯的信息提取和計(jì)算機(jī)分類。雖然視覺(jué)翻譯是穩(wěn)定的，但需要時(shí)間和工作，但精度要求很高。劉世銀等利用這一方法對(duì)西藏布宜蘭河西部近30年的冰川變化進(jìn)行了研究。李震等人對(duì)20世紀(jì)初以來(lái)西藏布卡瑪流域冰川變化進(jìn)行了分析。雖然計(jì)算的分類相對(duì)簡(jiǎn)單，但精度在不同地區(qū)是不同的，并且無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化。李震等人使用雪蓋指數(shù)的實(shí)地分類方法和景觀分類進(jìn)行了分析。青藏高原布卡塔格峰1973年至1994年的冰川變化信息。高級(jí)冬輝等人將雪蓋指數(shù)的空間值與景觀分類相結(jié)合，研究了第32條河流的冰川變化現(xiàn)象。張世強(qiáng)等人定性分析了監(jiān)測(cè)分類、非監(jiān)測(cè)分類、固值區(qū)值法和雪蓋指數(shù)值法，并采用了評(píng)估內(nèi)在因素的方法。提取了卡隆巴庫(kù)爾高原現(xiàn)代藏語(yǔ)邊界的精度，并取得了最佳比值區(qū)值法。張明華提出，通過(guò)etm-圖像法提取西藏南加巴峰地區(qū)的海洋性信息。本文以喀拉米蘭河-克里雅河流內(nèi)流區(qū)為研究區(qū),以目視解譯結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),定量分析各種計(jì)算機(jī)輔助分類方法的精度,并選擇效果最好的方法提取流域內(nèi)的冰川邊界信息,并與1970年地形圖進(jìn)行對(duì)比分析冰川變化.1地質(zhì)及遙感影像特征喀拉米蘭河-克里雅河流內(nèi)流區(qū)位于昆侖山北坡,塔里木盆地南部,西接和田河內(nèi)流區(qū),東鄰車爾臣河內(nèi)流區(qū),其地理坐標(biāo)介于80°~85°E和35°~40°N之間,是昆侖山區(qū)較大的冰川作用區(qū)之一.該流域?qū)儆谒锬緝?nèi)陸水系,按照冰川編目,其編碼“5Y63”,按其干流和主要支流劃分為7個(gè)子流域,喀拉米蘭河(5Y631)、莫勒切河(5Y632)、安迪爾河(5Y633)、牙通古孜河(5Y634)、尼雅河(5Y635)、克里雅河(5Y636)、策勒河(5Y637),流域總面積為40010km2,共有895條冰川,冰川面積約1357.27km2,冰儲(chǔ)量為100.67km3.本區(qū)冰川平均面積較小,雪線高度較高,冰川呈星狀或羽狀分布(圖1).本次工作采用的數(shù)據(jù)有40多幅1970年航測(cè)的1∶100000的地形圖,6景分別為1999年9月15日、22日(2景)、10月22日和31日,以及2001年9月29日(部分地區(qū)1999年左右沒(méi)有好的影像)云覆蓋很少的LandsatETM+level4遙感影像(已經(jīng)過(guò)輻射糾正、幾何精糾正、地形校正,投影為UTM,橢球體為WGS84),以及昆侖山區(qū)(喀拉米蘭河—克里雅河內(nèi)流區(qū))冰川編目.圖像預(yù)處理主要是地形圖幾何糾正以及遙感影像投影轉(zhuǎn)換.2方法方法提取暴力網(wǎng)絡(luò)注射線的確定1970年的冰川邊界直接由地形圖數(shù)字化獲得,依據(jù)冰川編目對(duì)每條冰川編目.1999年冰川邊界由計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類獲得,通過(guò)抽樣調(diào)查的方式將監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、雪蓋指數(shù)域值法、圖像比值域值法以及主成分分析幾種方法的提取效果與目視解譯的效果進(jìn)行對(duì)比,并選用效果最好的方法提取1999年的冰川范圍.樣本數(shù)為176條冰川,其中大、中、小型冰川均占據(jù)一定比例.2.1假彩色合成非監(jiān)督分類是根據(jù)影像上地物光譜特征的分布規(guī)律將其自動(dòng)分類.在GEOIMGE3.1軟件環(huán)境下,將遙感影像采用4,3,2波段組合進(jìn)行假彩色合成.考慮冰川信息提取的準(zhǔn)確性,確定分類的地物類別數(shù)為4類最合適.2.2目的地分類設(shè)計(jì)監(jiān)督分類是使用者對(duì)遙感影像上地物類別已明確,使用者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將其有目的地分類.分類過(guò)程中僅將地物分為2個(gè)類別:冰川和非冰川(包括基巖、河流、湖泊等).冰川區(qū)的訓(xùn)練樣本選擇了40個(gè),非冰川區(qū)選擇了20個(gè),分類器選擇了最大似然法.2.3冰的特性分析比值運(yùn)算可以在一定程度上消除同物異譜現(xiàn)象,這里主要是為了識(shí)別陰影區(qū)冰川,比值波段根據(jù)各種地物的譜間關(guān)系來(lái)選擇,各地物具有不同的光譜亮度曲線(圖2),利用冰雪在可見(jiàn)光波段的強(qiáng)反射率和在短波紅外波段強(qiáng)吸收的特性可以將它與其他地物區(qū)分開(kāi).可以用可見(jiàn)光波段比短波紅外波段,這里選擇了3波段比5波段.直方圖是灰度分布的直觀體現(xiàn),所以域值的選取可以根據(jù)比值圖像的直方圖,如圖3(a).直方圖上有兩個(gè)分離的集中區(qū)域,其中一個(gè)就是冰雪的范圍,選取域值2.6~14.2.2.4m強(qiáng)反射波號(hào)hm雪蓋指數(shù)是植被指數(shù)的應(yīng)用推廣,是基于雪在某一波段的強(qiáng)反射與另一波段的強(qiáng)吸收特性,計(jì)算公式如下:NSVI=(CH(n)?CH(m))/(CH(n)+CH(m))(1)ΝSVΙ=(CΗ(n)-CΗ(m))/(CΗ(n)+CΗ(m))(1)式中:n為強(qiáng)反射的光譜波段號(hào);m為強(qiáng)吸收的光譜波段號(hào).LandsatETM+影像一般選用2波段和5波段.經(jīng)雪蓋指數(shù)處理后的圖像直方圖被拉伸,從而達(dá)到了將冰雪與其它地物分離的目的.域值的選取一般依據(jù)直方圖,如圖3(b),據(jù)此域值選擇了0.46~0.89.2.54影錯(cuò)成冰的裝置4種方法與目視解譯結(jié)果比較對(duì)比表明(表1):非監(jiān)督分類為最簡(jiǎn)單方便,幾乎不需要人為干涉,但是精度最低,適用于無(wú)云、無(wú)表磧覆蓋、雪蓋較少的冰川;實(shí)施監(jiān)督分類時(shí),如果訓(xùn)練區(qū)選擇的好,精度要比非監(jiān)督分類高,但是無(wú)法處理陰影問(wèn)題;雪蓋指數(shù)域值法是根據(jù)雪在可見(jiàn)光波段的強(qiáng)反射與近紅外波段的強(qiáng)吸收特性來(lái)分類的,可以處理一些陰影問(wèn)題,精度也比前幾種方法要高,但會(huì)把陰影錯(cuò)分成冰雪;比值域值法是尋找可以將冰雪與其它區(qū)分的比值波段,但是對(duì)于區(qū)分表磧覆蓋問(wèn)題目前只有通過(guò)目視解譯方法.在4種方法中,在該地區(qū)效果最好的方法是比值圖像域值法,精度高達(dá)98.32%.同時(shí),由于該區(qū)的圖像質(zhì)量很好,云蓋、雪蓋以及陰影的影響都很少,<4%,所以其它方法的精度也不錯(cuò).比值圖像法自動(dòng)提取得效果如圖4(a).對(duì)于帶表磧的地方,可以采用自動(dòng)分類與目視解譯結(jié)合的方法以提高分類精度,目視解譯后的效果如圖4(b),表磧的識(shí)別主要根據(jù)冰川運(yùn)動(dòng)作用留下的紋理,如流線的形態(tài)及曲面等如圖4(e).對(duì)于季節(jié)性雪斑的處理,比值圖像采用了下列方法處理:由于整個(gè)比值圖像是浮點(diǎn)型的,而計(jì)算機(jī)最多可以顯示256級(jí)的灰度,為了獲得更好的顯示效果將比值圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分級(jí)處理(DataScaling),從而將整個(gè)圖像顯示在直方圖集中的范圍.圖4(c),(d)表示比值圖像分級(jí)前后的對(duì)比,數(shù)據(jù)分級(jí)前由于整個(gè)區(qū)域的冰川顏色都顯示在一個(gè)灰度級(jí)白色上,因而看不到冰川的紋理特征,經(jīng)過(guò)分級(jí),突出顯示直方圖集中的范圍使得冰川一些細(xì)節(jié)得以顯示.依據(jù)分級(jí)后影像中冰川的流體特性,如流線性以及整體性等來(lái)區(qū)分,而季節(jié)性雪斑沒(méi)有黏力呈現(xiàn)松散狀,并且沒(méi)有什么紋理特征如圖4(f).3冰川可轉(zhuǎn)換結(jié)果及結(jié)果分析3.1冰儲(chǔ)量km3的算算在地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)支持下,利用地形圖數(shù)字化后得到1970年全流域的冰川面積為1374.18km2,與冰川編目資料記載的1357.27km2相比,誤差為1.2%,本文以數(shù)字化量算的數(shù)據(jù)為對(duì)比依據(jù).冰儲(chǔ)量(km3)的計(jì)算采用LiuShiyinetal.的計(jì)算公式:V=0.04S1.35(2)V=0.04S1.35(2)式中:V為冰川體積即冰儲(chǔ)量(km3);S為冰川面積(km2).據(jù)此,1970年的冰川儲(chǔ)量為97.09km3,1999年的冰川面積和儲(chǔ)量分別為1334.91km2、94.08km3.3.2小型雪線5y336根據(jù)面積將1970年冰川分為9個(gè)等級(jí)來(lái)計(jì)算其數(shù)量、面積以及冰儲(chǔ)量在流域中所占的比例(圖5),面積≤20km2的冰川數(shù)量、面積、冰儲(chǔ)量分別占99.44%、90.05%、81.79%,而>20km2的冰川僅有5條,最大的面積39.91km2,面積在10~20km2的只有19條,并且面積占了28.23%.因而,該區(qū)是中小型冰川占優(yōu)勢(shì).冰川的條數(shù)、面積和冰儲(chǔ)量取決于雪線以上的山體流域面積和冰川作用正差(流域最高高度與雪線高度之差),山體高出其雪線愈高,冰川發(fā)育的規(guī)模就越大,高出300~500m的山地一般發(fā)育著小冰川,而山脊或山峰高出雪線600~700m以上的山體,就有可能發(fā)育山谷冰川,其中高差在1000m就有可能發(fā)育長(zhǎng)度10km的山谷冰川.據(jù)冰川編目,本區(qū)最大的冰川(5Y636J69)發(fā)育在烏斯滕塔格山,其高差也只有1120m,因此雪線的相對(duì)高度和絕對(duì)高度都較高是本區(qū)發(fā)育中小型冰川的重要原因之一.3.3冰川變化率的標(biāo)準(zhǔn)差該區(qū)7個(gè)子流域冰川變化情況如表2,每個(gè)流域都處在萎縮狀態(tài),但是萎縮的幅度都很小,只有尼雅河和克里雅河流域變化比較大,并且消失的冰川都在克里雅河流域,其中變化較大冰川是:5Y636J0037(19%)、5Y636N0014(16%)、5Y635E0045(26%)、5Y636E0013(33%)等.整個(gè)流域有353條冰川萎縮,面積占整個(gè)面積的46.39%,萎縮量52.75km2,其中完全消失的冰川有5條,且面積都很小,最大的只有0.12km2.117條冰川面積增加,面積只占19.69%,并且增加幅度很小,僅13.38km2.總體上該區(qū)冰川處于較穩(wěn)定狀態(tài),1970\_1999年間冰川面積、儲(chǔ)量分別萎縮了2.86%、3.10%,這與AAR(積累區(qū)比率)值的計(jì)算結(jié)果也相一致,該區(qū)AAR的平均值為0.76,遠(yuǎn)大于一般穩(wěn)定狀態(tài)冰川的0.60,因此本區(qū)大多數(shù)冰川屬于波動(dòng)較小的穩(wěn)定冰川.將面積萎縮的353條冰川根據(jù)面積等級(jí)(由于最后一級(jí)只有一條冰川,為了計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差故將最后兩個(gè)等級(jí)合并)統(tǒng)計(jì)出冰川變化情況如表3.從面積變化率看,一般隨著面積增大,面積減少率跟著減小,這也證明了小冰川對(duì)氣候的敏感性比大冰川大.但面積等級(jí)為15.01~20.00km2卻出現(xiàn)了減少率增大的情況,經(jīng)檢查,這主要是由編號(hào)為5Y636N0014的冰川引起.從ETM+影像上看,該冰川末端有厚表磧覆蓋,由于裸露冰區(qū)和厚表磧區(qū)消融深度的重大差別,經(jīng)過(guò)若干年后,裸露冰區(qū)與厚表磧區(qū)可以斷開(kāi),厚表磧覆蓋的冰川冰成為死冰,裸露冰區(qū)末端成為冰川末端而迅速后退.由于本區(qū)的冰川面積為15.01~20.00km2的冰川數(shù)量較少,導(dǎo)致了這一現(xiàn)象.分析面積變化率的標(biāo)準(zhǔn)差也可以得到相同的結(jié)論.標(biāo)準(zhǔn)差反映數(shù)據(jù)的離散程度,標(biāo)準(zhǔn)差越大說(shuō)明數(shù)據(jù)波動(dòng)越大,應(yīng)用到這里,說(shuō)明冰川變化的不一致性(波動(dòng)性),即冰川對(duì)外界條件的反應(yīng)差異性.從表上可以看出,冰川越小其面積減少率的標(biāo)準(zhǔn)差越大,但當(dāng)樣本數(shù)量太少時(shí)也會(huì)出現(xiàn)特殊情況,如15.01~20.00km2等級(jí).3.4氣候條件影響冰川退縮氣溫和降水分別影響冰川的消融和積累過(guò)程,是冰川發(fā)育氣候條件中最主要的因素.該區(qū)內(nèi)民豐氣象站40a來(lái)的降水氣溫變化情況如圖6,從其簡(jiǎn)單的線性趨勢(shì)來(lái)看,過(guò)去40a來(lái),氣溫和降水都有所增加.氣溫升高有利于冰川消融并促進(jìn)冰川退縮,降水的增加有利于冰川的積累.據(jù)秦大河等對(duì)天山\,祁連山\,唐古拉山和貢嘎山6條冰川的研究,在溫度不升高條件下,年降水量要增加260~340mm或40%~70%才能維持平衡線不變,如果再與蒸發(fā)增加相平衡,就不可能制止由溫度上升引起的冰川衰退.據(jù)蘇宏超等對(duì)新疆50a的氣溫變化研究表明,山區(qū)氣溫平均增長(zhǎng)率高于平原地區(qū),對(duì)于同一地區(qū)海拔愈高,升溫越明顯.因此,冰川區(qū)的升溫幅度可能要比民豐氣象站大,該區(qū)的冰川萎縮主要是由氣候變暖引起的.4積和冰儲(chǔ)量的自然影響以喀拉米蘭河-克里雅河流內(nèi)流區(qū)為研究區(qū),首先在流域中選取了176條冰川,以目視解譯結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),定量對(duì)比了4種計(jì)算機(jī)自動(dòng)冰川分類方法.利用比值域值法,結(jié)合部分目視解譯對(duì)1999年本流域的冰川邊界進(jìn)行了解譯,并與1970年的冰川邊界進(jìn)行了對(duì)比,獲得了冰川的長(zhǎng)度、面積和冰儲(chǔ)量的變化信息,得到如下結(jié)論:(1)與目視解譯結(jié)果定量對(duì)比非監(jiān)督分類、監(jiān)督分類\,雪蓋指數(shù)域值法和比值域值法提取冰川邊界的結(jié)果表明,該地區(qū)效果最好的方法是比值圖像域值法,精度高達(dá)98.32%.通過(guò)對(duì)比值圖像增強(qiáng)處理,可以有效提高對(duì)季節(jié)性雪斑的區(qū)分效果.但比值域值法