多光谱遥感

《多光谱遥感对全球陆地冰空间监测的贡献》阅读报告

一、摘要翻译

全球陆地冰空间监测组织（Global Land Ice Measurements from space：GLIMS）是一个以获取全球冰川卫星遥感影像，对获得影像加以分析以获得冰川范围和变化信息，并对变化的数据对人类和环境的影响与意义加以评估为目的而建立起来的国际组织。尽管GLIMS利用了多种不同的遥感系统，ASTER

（Advanced Spaceborne Thermal Emission and reflection Radiometer：先进热发射与反射辐射计）系统是对于许多的观测任务而言最优的系统，这些任务包括冰川边界制图、物质表面监测、冰川表面动态监测（例如流动矩形区域和冰湖演化）。GLIMS研发的软件适合于多种冰川监测工作，包括：对净雪和对岩屑覆盖冰川的制图；地形分类（强调雪、冰、水、冰与岩屑混合物的区分）；多时态变化分析；影像与派生数据的可视化；派生数据的解译和存档。一个全球冰川数据库已由国家雪冰数据中心

(National Snow and Ice Data Center: NSIDC, Boulder, Colorado)设计；相关的参数由全球冰川目录（World Glacier Inventory: WGI）扩展而来并与之相兼容。相应的技术工作将在本文中得到概略介绍，细节则讲在其他地方加以介绍。在本文中我们所展示的内容从属于一个大的问题：ASTER与其他卫星多光谱遥感数据如何被用于制图、监测和发现冰川状态和动态的特征，如何通过这些特征理解冰川变化对20世纪及21世纪全球气候变化的反映？我们所列举的示例结果在冰川学和气候学上并不是有充分代表性的。我们的初步的结果，在展现问题的复杂性的同时，在整体上与冰川学学术界的结论（气候变化引起了全球冰川的反应，主要表现为冰川的退缩）是相一致的。无论单个的冰川个体是前进抑或退缩，整体的综合的冰川变化的结果必然是由气候变化所引起的，而其他非气候因素的偏离是可以综合消除的。我们在研究中发现了冰川（对气候变化）响应行为的区域空间模式；这些模式可以被归因于气候变化差异和不同地区冰川在大小和响应时间上的差异。在许多情况下，冰川长度变化从较低的程度上反映了冰川消融，因为冰川变薄（有时并不伴随有即时的长度变化）也是相当重要的。扩展的系统化且统一的针对更多冰川的分析对于今后的工作是必须的，这些工作包括：分离冰川响应中对气候变化响应和对非气候的偏离的响应组分；对冰川变化区域间差异的定量分析；对未来区域冰川变化（特别是与水资源，冰川灾害和全球海平面变化）的预测。我们期望这些完整的监测与评估（将逐步完成）会帮助我们区分成功的气候变化模型（能够解释近期的冰川变化和变化模式，并且能够对未来的变化加以描述）和不成功的模型。

二、引言

1、问题的提出

现有的研究表明，全球范围而言，冰川处于退缩中。研究表明，许多小冰川已经消失，即使是两极的冰盖也出现了大范围的消退。通过对冰川变化状态的监测和研究，可以加强对冰川灾害的监控，为干旱地区的水资源的认识利用和管理提供基础数据，促进对全球海平面变化的研究，并且对于全球气候变化和气候模型的构建有着重要的意义。

目前对与冰川研究的方法主要是野外实地观测数据和一些遥感卫星数据的分析。但是就目前为止，还只有较少的冰川得到比较完整的监测、研究与分析。现有的数据并不足以很好的支持对全球冰川变化状态的研究。到目前为止的利用多光谱卫星影像数据，特别ASTER 数据对冰川的变化进行研究，并且构建全球冰川数据库的工作及其进展是本篇论文将要介绍的。

2、研究现状

（1）冰川变化的复杂性

通过对全球冰川变化综合数据的统计学分析，我们可以得出结论目前全球冰川物质平衡处在负平衡状态上。但是对单独一个冰川而言，其变化状态可能是前进抑或是退缩的。由于气候变化的非均一性，以及不同冰川间环境、变化过程和其他冰川属性的差异，冰川变化的状态是非常复杂的。在没有对全球冰川进行完整的统一的监测，并对其变化进行评估前，凭借目前的冰川数据并不足以在冰川演化与气候变化间构建一个特定的联系。

（2）实地考察工作

实地的冰川考察能够提供最为完整的、最可信赖的冰川信息。但是由于冰川数量巨大，且都位于偏远的难于到达的地区，实地考察工作开展相当困难并且耗资巨大，因而不可能对所有的冰川都进行实地考察。结合实地考察结果与遥感数据是对全球陆地冰变化进行长期的完整的监测的主要手段。

（3）现有的基于遥感数据的冰川变化分析研究

A、现有的遥感冰川监测数据源简介

现有的遥感冰川监测中大量使用了星载多光谱可见光/近红外多光谱影像，例如ASTER、ETM+、和SPOT影像。同时机载或星载的雷达和激光雷达数据也在冰川遥感监测中发挥重要作用。

B、ASTER数据介绍

ASTER项目的主要目的是深入了解地球表面或近地面以及较低大气层发生的各种局部和区域尺度过程，其中包括地表和大气的相互作用。在ASTER主页上明确指出ASTER影像在冰川、水文、城市扩展、火山预报、蒸散/地表温度、地质等六个方面有着广阔的应用前景。

ASTER影像主要技术参数

波段序号波长范围（μm）地面分辨率（m）

1 0.52~0.60 15

2 0.63~0.69 15

3 0.76~0.86 15

4 1.60~1.70 30

5 2.145~2.185 30

6 2.185~2.225 30

7 2.235~2.285 30

8 2.295~2.365 30

9 2.36~2.43 30

10 8.125~8.475 90

11 8.475~8.825 90

12 8.925~9.275 90

13 10.25~10.95 90

14 10.95~11.65 90

比较ASTER与 TM不难发现：无论在可见光/近红外、短波红外还是在热红外部分，ASTER的光谱分辨率都高于后者，在近红外部分，ASTER的空间分辨率与光谱分辨率都高于TM、SPOT影像。ASTER的时间分辨率为1次/15天。与TM相比，ASTER数据的价格亦低。

ASTER影像数据具有同轨道立体观测能力，这一能力是其他的多光谱影像数据所缺乏的。利用ASTER数据中的 3N和3B波段，可以构建地面DEM。生成的地面DEM可以用于遥感影像的正射校正，对冰川湖、冰川终点和雪线进行监测与制图。生成的DEM也可以用于与已有的地形图对比，以对快速的冰川变薄现象进行评估。

ASTER的3个15米分辨率的可见光/近红外波段和六个30米分辨率的短波红外波段已经被用于对冰、水的监测中；而其6个90米的热红外波段也开始被尝试用于冰川遥感监测工作。

ASTER影像在冰川监测上也存在一些缺点。其垂直分辨率较低，因而不能使用多时相ASTER数据生成的DEM对比以进行冰川表面变化变化监测。ASTER数据也缺乏穿透云雨的能力。

C、目前遥感冰川监测中存在的问题

当前遥感冰川监测主要存在两个问题。

一是对于岩屑覆盖的冰川的分类。这类冰川具有非线性的光谱特征，传统的基于光谱统计的多光谱影像分类方法对此无能为力。例如，在冰川地区影像分类中，对于污化雪、浊水、覆盖有岩屑的冰川和冰碛，目前的多光谱影像分类方法无法进行自动分类。在当前的工作中，对于这些类型地物通常采用人工目视解译分类的方法。

二是对于冰川变薄的监测。就目前应用而言，对于冰川的长度变化，利用多光谱影像能够进行较好的观察与监测。但是对于冰川物质平衡变化而言同样重要的冰川厚度变化，利用多光谱影像难以进行直接的监测。目前只能对于某些特定地区，在特定条件下可以使用多光谱影像，通过对冰川湖泊或冰川表面等的观测间接监测冰川厚度的变化。

（4）GLIMS概述

全球陆地冰空间监测组织（Global Land Ice Measurements from space：GLIMS）是由世界冰川监测组织（World Glacier Monitoring Service）、世界冰川目录（World Glacier Inventory）和美国国家地质调查局世界冰川卫星影像图集项目