基于MODIS资料的积雪亚像元制图算法研究

发布时间：2020-04-18 06:48

【摘要】：随着遥感技术的发展,卫星遥感数据已成为积雪动态监测不可缺少的资料,在积雪监测和雪灾评价等研究中发挥着重要的作用。MODIS遥感影像因其具有较高的空间分辨率和时间分辨率,被广泛的运用于积雪的面积比例算法研究中,为积雪的定量分析提供了基础。青藏高原地区是我国重要的积雪分布区之一,同时也是对全球气候变化具有重要影响的区域之一。由于其复杂的地形条件,准确提取该区内的积雪面积比例具有相当难度。积雪消融为人类提供宝贵的淡水资源,其分布状况与全球气候变化密切相关。因此,利用MODIS遥感资料对青藏高原地区进行积雪亚像元制图算法研究具有重要意义。以青藏高原地区作为研究对象,针对MODIS逐日积雪面积比例产品(MOD10A1)存在精度较差等问题,本研究基于NDSI阈值法的原理,利用分段建模的思路发展出一种适合计算青藏高原地区积雪面积比例的改进算法(NDSITR),并对混合像元分解法的端元提取过程进行改进,采用全约束最小二乘混合像元分解(FCLS)、全约束梯度下降混合像元分解(FCSGM)、稀疏回归混合像元分解(SPARSE)和基于多项式的非线性混合像元分解(POLY)4种算法进行解混,生成了精度更高的积雪比例产品,将较高分辨率的Landsat遥感资料作为验证真值对这5种积雪亚像元制图算法进行了精度评价,比较分析了包括MOD10A1在内的共6种积雪比例产品在研究区内的模拟效果及适用性。同时,结合地形因子对这些产品进行了系统性的误差分析。研究结果表明：(1) NDSITR相比MOD10A1能够更加精确且全面地进行青藏高原地区的积雪亚像元制图,尤其在积雪分布的边缘区域、积雪区与非积雪区的过渡区域以及破碎化积雪较多的区域,NDSITR对积雪的提取能力更强,漏分现象较少,他们的负向平均误差分别为-0.255和-0.201,说明NDSITR的多分现象较为严重。同时,NDSITR、MOD10A1产品与Landsat真值之间的均方根误差分别为0.146和0.209,相关系数为0.824和0.77,说明NDSITR在准确度、精度和稳定性上都有较大改进。(2)以Landsat积雪比例图作为真值,对这6种积雪比例产品进行精度评价的结果表明,反演精度最高、效果最好的为SPARSE,其次是FCLS和POLY,效果较差的为NDSITR和FCSGM,而MOD1OA1标准产品的反演效果最差,这些产品的均方根误差依次为0.14、0.147、0.15、0.162、0.166以及0.191,相关系数依次为0.784、0.761、0.76、0.751、0.708和0.59。NDSITR的平均误差为负值,故其倾向于高估积雪面积比例,多分现象较严重。(3)针对目前混合像元分解法在进行长时间序列的积雪亚像元制图时,存在耗时长、效率低等问题,发展出基于先验知识的时间序列光谱库建立方法。这是一种新的积雪亚像元制图思路,能够有效地筛选出目标端元,同时解混产品具有较高的精度,与真值之间的相关系数可达0.8,可用于开展过去及未来几年的积雪亚像元制图工作,为遥感影像的定量动态分析提供基础。(4)在复杂地形条件下,6种积雪亚像元产品受海拔的影响最为显著,可以推断海拔是误差产生的主要原因,其次是坡度,最后为坡向。总体来说,各混合像元分解法的反演精度较好,其中,SPARSE效果最好,FCSGM效果最差。同时,MOD1OA1和NDSITR在特殊条件下具有一定的优势,NDSITR在高海拔地区(5700m以上)的均方根误差最小,积雪反演能力最强；MOD1OA1在低海拔地区具有不错的反演效果。
【图文】：

数字高程图,卫星遥感数据,高原

２５７万ｋｍ２邋（张德钮等，２００２）。在我国境内的主体部分包括西藏自治区和青海省逡逑全部地区，及四川省西部、新疆维吾尔自治区南部、甘肃省与云南省部分地区逡逑（图２－１）。青藏高原素有＂世界屋脊＂和＂世界第Ｈ极＂之称（孙鸿烈，１９９６），逡逑是亚洲许多大江大河的发源地，长江、黄河、怒江、雅鲁藏布江Ｗ及塔里木河等逡逑都发源于此，水力资源非常丰富，同时境内湖泊众多，较为出名的有青海湖、纳逡逑木错、羊卓雍错等。青藏高原地区周围高山环绕，海拔跨度大，区内气候多Ｗ高逡逑寒性气候为主，总体气温较低，是我国最大的冰川和积雪分布区（李培基，１９９６）。逡逑此外，青藏高原对全球气候变化影响深远。研究表明，青藏高原的地形地势对降逡逑水、季风和大气环流影响重大，从而导致全球气候发生巨大变化，研究青藏高原逡逑地区的气候变化响应机制一直是各领域关注的热点之一（朱玉祥，２００９；徐丽娇逡逑等

雪被,遥感影像,影像,反射率

３．１数据处理逡逑下载无云覆盖的Ｌａｎｄｓａｔ遥感影像，日期分别为２０１３年４月口日、２０１３年逡逑１１月１４日、２０１４年６月３日，，共兰幅，其在青藏高原的具体位置如图３－１所示。逡逑同化下载与Ｌａｎｄｓａｔ遥感影像的时间和位置相匹配的ＭＯＤＩＳ遥感影像，进行逡逑如下数据处理过程：逡逑（１邋）Ｌａｎｄｓａｔ资料预处理：使用ＥＮＶＩ４．８对Ｌａｎｄｓａｔ遥感资料进行福射定标、逡逑几何校正、影像配准等处理，最后得到Ｌａｎｄｓａｔ反射率影像。砍雪在可见光波段逡逑具有很高的反射率，而在短波红外波段其反射率会陡然降低，Ｈａｌｌ和Ｒｉｇｇｓ（邋１９９５）逡逑利用这两个波段之间的反射特性和反射差发展出了邋ＳＮＯＷＭＡＰ方法，对遥感影逡逑像进行雪被提取。利用公式３－１计算Ｌａｎｄｓａｔ影像的归一化雪被指数ＮＤＳＩ，其中逡逑Ｂａｎｄ邋２、Ｂａｎｄ邋５代表ＴＭ影像在第２、５波段的反射率值（对应ＯＬＩ影像的第３、逡逑６波段），根据青藏高原的积雪特征，设定ＮＤR%阔值为０．３５邋（王讳，２０１０），认逡逑为当某一像元的ＮＤＳＩ值大于或等于０．３５时
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P407

【参考文献】