雪線提取方法研究

摘 要：文章闡述了雪線提取的重大意義并分析了影響雪線高低的各類影響因素，運(yùn)用閾值法對TM遙感影像中的積雪邊界線進(jìn)行自動提取，重點(diǎn)研究了遙感影像中云與雪的區(qū)別辦法；文章最大特點(diǎn)是將兩種雪線提取方法相結(jié)合，從不同路徑，不同數(shù)據(jù)，運(yùn)用多種方法得出某一地區(qū)的雪線分布。

關(guān)鍵詞：雪線；自動提取；提取方法

引言

雪是一種特殊的地表形態(tài)，在可見光波段具有較高的反射率。然而雪在全球大面積覆蓋，因此積雪變成了全球輻射平衡的重要決定性因子。同時(shí)，積雪也是區(qū)域和全球氣候影響的一個(gè)重要因子。制作高精度的積雪圖，不斷完善積雪觀測系統(tǒng)，建立起準(zhǔn)確和長期的積雪產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫有相當(dāng)重要的意義。雪線的變化會影響極地或高山、高原草場和森林的興衰，冰雪融水徑流量的變化，還會影響山岳冰川區(qū)的水力發(fā)電等。因此雪線提取具有重要意義。

文章利用遙感圖像，從TM遙感圖像中自動判別提取雪線。主要利用祁連山脈TM遙感影像中各地物反射率之間的差異，從地物光譜儀測定的積雪、落葉林、草、土壤和水的光譜曲線中分析，發(fā)現(xiàn)各地物在不同波段反射率不同，判斷雪線邊界，自動提取雪線獲取雪線圖。

1 雪線影響因素

1.1 雪線的定義

在山區(qū)，多年積雪區(qū)和季節(jié)積雪區(qū)的界限就叫雪線。（或者說高山地區(qū)降雪量與消融量相等的平衡線叫雪線。）

雪線是反映氣候現(xiàn)象的一種空間概念，是年固體降水量和消融量相等的零平衡線，是地球上許多個(gè)積雪區(qū)的最低界限。在雪線以下，氣溫相對較高，全年冰雪的補(bǔ)給量要小于消融量，不能積累多年冰雪，只能形成季節(jié)性積雪區(qū)。一個(gè)地方的雪線位置不會固定不變，季節(jié)變化就會引起雪線的升降，這種臨時(shí)現(xiàn)象就叫季節(jié)雪線。在雪線附近，年降雪量與年消融量相等，達(dá)到動態(tài)平衡。

1.2 雪線的影響因素

地球上各地區(qū)雪線的分布高度都不同，其主要取決于地貌與氣候因素的綜合作用，大氣環(huán)境改變等因素也會對雪線高度產(chǎn)生影響[1]。

雪線高低與氣溫成正相關(guān)，即溫度高時(shí)雪線也高。因?yàn)榈乇須鉁貜牡途暥认蚋呔暥冗f減，雪線分布高度的總體趨勢也從低緯度向高緯度遞減。從山體走勢上看，陡峻的山地，積雪容易下滑，不利于積雪保存，因此雪線偏高；坡度較緩的山地，有利于積雪沉積，雪線相對偏低。然而全球變暖可能會使雪線向更高海拔地區(qū)推進(jìn)。臭氧層空洞使得到達(dá)地表的太陽紫外線驟增，使雪線急劇上升。而沙漠化造成氣候變干，導(dǎo)致局部地區(qū)雪線有所上升。

1.3 山地雪線判讀一般規(guī)律

（1）緯度低時(shí)，雪線海拔高；緯度高時(shí)，雪線海拔低。但全球雪線位置最高的地方，卻不在赤道附近，是在副熱帶高壓帶，因其降水量比赤道附近少。

（2）陽坡雪線較高，陰坡雪線較低；迎風(fēng)坡雪線較低，背風(fēng)坡雪線較高。由于降水的影響，也有另外的情況，如喜馬拉雅山。

（3）對于同一座山體，夏季雪線比冬季雪線高。

2 從遙感圖像中提取雪線

2.1 研究區(qū)域概況

祁連山脈位于中國青海省東北部與甘肅西部邊境，山地寬達(dá)400公里，是由7條以上的山脈組成的山系。山峰海拔多在4000米以上，最高峰疏勒南山團(tuán)結(jié)峰海拔6305米。本次研究區(qū)域是祁連山脈中的一部分，地理位置在97°E～100°E，37°N～39°30′N間分布，東西寬約850km，南北長約250～300km，東志烏鞘嶺，西臨阿爾金山，北至河西走廊，南達(dá)柴達(dá)木盆地，山脈積雪屬于季節(jié)性穩(wěn)定高山積雪。

2.2 雪線提取

由地物光譜儀測定的積雪、落葉林、草、土壤和水的光譜曲線可知，各地物反射波長從0.4μm到2.5μm，在T2、T3、T4波段（0.52μm～0.9μm），雪的反射率很高，而其他地物反射率很低，根據(jù)這一特性，可輕易地將積雪與氣他地物區(qū)分開來。云在這3個(gè)光譜波段上也是一個(gè)高反射的物體，反射率都超過50%，它們反射特性很相似，反射率都很高，準(zhǔn)確區(qū)分存在困難。而在T5波段（1.55μm～1.75μm），由于云仍保持較高的反射率，而積雪的反射率則驟降，因此，可通過一個(gè)閾值就能從TM5波段圖像上區(qū)分積雪與云。

由上得：

（1）雪在可見光波段具有較高的反射率，在短波紅外波段具有較強(qiáng)的吸收特性；（2）大多數(shù)的云在可見光波段具有較高的反射率，在短波紅外波段的反射率依然很高。

基于雪與云的這種特性，決定采用歸一化積雪指數(shù)（NDSI）法區(qū)分。但使用NDSI方法識別雪像元時(shí)，需要選取一個(gè)NDSI閾值。對該閾值合理性進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，研究區(qū)域多在北美和歐洲，我國還未有過閾值驗(yàn)證。因此，在我國用NDSI方法進(jìn)行區(qū)域積雪雪線提取時(shí)仍需對NSI閾值的選擇的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用TM資料提取雪蓋信息，NDSI=（TM2-TM5）/（TM2+TM5），通過分析TM積雪光譜特征可以知道積雪的NDSI大于0其他則小于0，積雪指數(shù)將雪很明顯的從圖像中分離出來，因此可以利用閾值0自動的提取積雪區(qū)域。

雪線提取原理：通過閾值判斷將圖像二值化，1代表雪，0代表其他，這時(shí)，01交界處即為雪線。這時(shí)就會出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤，即在有云的情況下，會把云雪交界的邊界當(dāng)做雪線，這時(shí)偽雪線，實(shí)際上它并不是雪線，這時(shí)錯(cuò)誤必須消除，其方法是可以在圖像二值化的過程中通過與之判斷將云標(biāo)記為2，則在提取雪線時(shí)就可以看出0、1交界是雪線，0、2交界處則是偽雪線，這樣就很容易的消除錯(cuò)誤。提取到真正的雪線。

提取步驟：

Step1：地物判別；

Step2：圖像二值化；

Step3：噪聲濾除；

Step4：雪線提取；

Step5：邊界跟蹤；

Step6：邊界細(xì)化。

3 結(jié)束語

結(jié)合上述知識，可先利用T2、T3、T4波段對云雪與其他地物進(jìn)行區(qū)分，再利用T5波段對云雪進(jìn)行區(qū)分，這樣就可達(dá)到對提取積雪的目的。提取積雪后，再確定積雪邊界——雪線。

參考文獻(xiàn)

[1]紹興寶.雪線分布成因探究[J].科教文匯，2007，12（2）：255.

[2]郝曉華，王建，李弘毅.MODIS雪蓋制圖中NDSI閾值的檢驗(yàn)[J].冰川凍土，2008，30（1）：133-135.

[3]孫家.遙感原理與應(yīng)用（第一版）[M].武漢大學(xué)出版社，2003：64-65.