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基于星载激光雷达ICESat-2的雪深监测方法研究.docx
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基于星载激光雷达ICESat-2的雪深监测方法研究.docx
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积雪是地球表面覆盖的重要组成成分
[ 1]
。积雪作为全球气候系统中重要
的要素之一,在北半球的中、高纬度及高山地区广泛分布,因其高活跃度和敏
感度,充当着全球气候变化指示器的角色
[ 2]
。积雪持续时间长短及覆盖范围
的大小,将直接影响地表辐射与热量平衡,影响地气系统的能量交换
[ 3]
。在
干旱和半干旱地区,融雪水是十分关键的水资源,对干旱区农业和畜牧业有直
接影响。北疆位于我国西北地区的干旱和半干旱区,是季节性积雪长期稳定分
布的地区之一,该地区的生产、生活和淡水补给都高度依赖融雪。随着气候的
持续变暖,积雪量减少且持续时间缩短,融雪水资源和河川径流季节分配发生
了明显变化,导致该地区洪涝灾害频发
[ 4]
。
积雪深度是积雪研究的重要方向之一,也是预报、监测、警示融雪性洪涝
灾害的重要因素
[ 5]
。雪深观测的主要方法包括地面观测和遥感数据观测。其
中,地面观测效率低,数据疏散且代表性差,无法满足大面积积雪深度信息的
观测要求
[ 6]
。随着信息技术的飞速发展,遥感技术从宏观角度对目标地物进
行全天候和多时段反复观测,可获取大范围、多时相、周期性的积雪信息,为
积雪研究提供了丰富的资料,已成为动态监测雪深的必要手段。国内有学者尝
试利用光学遥感数据构建雪深反演模型,但缺乏内在的物理机制
[ 7]
。目前,
被动微波数据是积雪深度和雪水当量反演最主要的数据源,如 AMSR-E
[ 8]
、
FY3B-MWRI
[ 9]
、SSM/I
[ 10]
、AMSR2
[ 11]
等。然而,被动微波数据空间分辨
率太粗,受混合像元及复杂地形的影响,在雪深和雪水当量反演中存在较大的
不确 定 性。 主 动微 波 遥感 特 别是 合 成孔 径 雷达 ( synthetic aperture radar,
SAR)以其更高的空间分辨率在积雪深度反演中具有很大的优势,可以反演干
雪的深度,也可以反演不同干湿状态下积雪的湿度信息
[ 12]
。
ICESat(ice, cloud, and land elevation satellite)是地球观测系统中
一颗激光雷达测高卫星,主要用于测量冰盖质量平衡、云和气溶胶高度、以及
地形和植被特征
[ 13]
。在极地研究中,ICESat 获取的高精度高程数据可用于确
定海冰干舷、海冰厚度和海冰粗糙度
[ 14]
;另外,ICESat 数据已被多次证明能
够准确估计森林结构特征
[ 15]
。在地形测量方面,ICESat 获取的地面高程数据
是评估数字高程模型垂直精度和水位的重要数据源
[ 16]
。ICESat 提供了云和气
溶胶层分布的垂直剖面,为研究全球尺度的云层高度和厚度提供了重要参考
[ 17]
。
国外已有学者尝试利用该数据提取区域尺度的积雪深度信息,如 Kern 等
[ 18]
利用 ICESat 冬春两季的高程差计算雪深,并与 AMSR-E 雪深产品进行对
比,发现 ICESat 获取的雪深与实际雪深数据更为一致。Treichler 等
[ 19]
以挪
威南部的斯堪的纳维亚山脉为研究区,利用 ICESat 进行积雪深度提取,结果
证明 ICESat 在雪深提取方面具备一定的潜力。2018 年 9 月 ICESat-2 卫星正
式启动,不同于 ICESat 使用的全波形仿真系统,ICESat-2 配备的是先进的地
形激光测高仪系统(advanced terrain laser altimeter system, ATLAS),该
系统采用的是多光束微脉冲激光技术。李龙等
[ 20 ]
发现 ICESat-2 更加密集的
激光足迹,相比 ICESat 可将湖泊观测数据增加至两倍以上,该数据未来将被
广泛应用于湖泊水位监测领域
[ 21 ]
。Kwok 等
[ 22 ]
利用 2018 年 10 月至 2019
年 4 月的 ICESat-2 数据与 CryoSat-2 数据的高度差,对北极雪层的厚度进行
估算,经验证发现该数据在雪深估算方面效果良好。
以上研究表明,ICESat 以其高精度的测高能力,在积雪深度模拟方面具
备一定的潜力。然而,已有研究大多在高纬度且积雪深度较厚的极地、北欧等
地区开展。而我国积雪深度相对较浅,星载激光雷达在我国的积雪深度探测能
力还未得到验证,因此,本文拟发展一套基于 ICESat-2 的雪深反演方法,以
北疆为研究区,探索星载激光雷达数据在中国地区雪深模拟中的应用潜力。
1 研究区与数据
1.1 研 究 区 概 况
北疆地处我国天山山脉以北、阿尔泰山脉以南,中间是准噶尔盆地,地貌
单元丰富,海拔落差大
[ 23]
。该地区冬季积雪丰富,是我国三大积雪区之一,
也是我国稳定积雪区分布的主要区域(图 1)。由于地处干旱区,积雪作为重
要的水资源,是该区农牧业生产以及生活用水的重要补给。ICESat 卫星采用
近极地非太阳同步重复轨道,因为北疆地区纬度较高,可在该地区获取较为密
集的 ICESat 轨迹点数据。北疆冬季漫长,降雪丰富,积雪季较长,积雪空间
分布不均,是发展和验证激光雷达卫星数据雪深反演方法的理想场所。
图 1
图 1 北疆地区积雪深度地面观测站点及 ICESat-2 轨迹点(部分)空间分布图
Fig. 1 Distribution of the snow depth observations and ICESat-2 footprints
(segment) in northern Xinjiang
1.2 数 据 介 绍
1.2.1 ICESat
ICESat 即 冰 、 云 和 陆 地 高 程 卫 星 , 2003 年 由 美 国 国 家 航 空 航 天 局
(National Aeronautics and Space Administration, NASA)发射,为全球第
一 个 激 光 测 高 卫 星 , 搭 载 了 地 球 科 学 激 光 测 高 系 统 ( geoscience laser
altimeter system, GLAS),于 2009 年停止收集数据
[ 24]
。ICESat-2 作为
ICESat 的后续卫星搭载了先进的地形激光测高仪系统(advanced topographic
laser altimeter system, ATLAS)
[ 25]
。ICESat-2 用于数据采集的多波束光
子计数平台优势在于激光仪以极高的重复频率(10 kHz)运作,极大地提高了
沿轨道的分辨率,并提供更密集的数据覆盖范围和更高精度的数据集
[ 26]
,为
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