青藏高原札達地區多年凍土遙感技術圈定方法與應用

李曉民， 張焜， 李冬玲， 李得林， 李宗仁， 張興

(1.青海省青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室，西寧 810012；2.青海省地質調查院，西寧 810012)

青藏高原札達地區多年凍土遙感技術圈定方法與應用

李曉民1，2， 張焜1，2， 李冬玲1，2， 李得林1，2， 李宗仁1，2， 張興1，2

(1.青海省青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室，西寧 810012；2.青海省地質調查院，西寧 810012)

為了更好地了解青藏高原札達地區多年凍土的分布情況，歸納總結了凍土下限的遙感解譯標志； 利用不同類型的遙感數據源對凍土的下限位置進行了圈定，并分別與高程模型和溫度模型的圈定結果進行了對比。結果表明: 該區多年凍土區面積為17 148.93 km2； 3種模型相互補充參考，可以提高大比例尺多年凍土制圖精度，此方法應用結果在區域上作為參考資料前期使用，可大大縮小相關項目前期工作量，提高效率； 因此，利用遙感技術圈定多年凍土的應用價值較高，可以更好地為青藏高原區域地質、水文地質、工程地質及氣候變化等研究提供更加詳實的資料。

青藏高原； 多年凍土； 多年凍土下限； 地溫反演； 凍土地貌； 遙感解譯

0 引言

凍土是指在氣候寒冷地區含有冰的土層或巖層。多年凍土是指地下持續2 a以上保持凍結狀態的一類特殊巖土，多年凍土也稱永久凍土。多年凍土下限為多年凍土層的下底面，其上溫度多年處于0℃以下，其下溫度多年處于0℃以上[1]。確定了多年凍土下限的位置，就可以掌握多年凍土的分布范圍。隨著國家經濟持續發展，工程建設、水資源利用等都要接觸到凍土地區。在這些項目論證和設計時，要充分全面了解項目所在地區的凍土分布及其影響作用，從而需要對該地區凍土范圍進行調查，為工程建設、水資源利用等提供科學依據。

從目前國內外凍土的研究現狀來看，凍土空間分布制圖經歷了從上世紀的簡單勾繪多年凍土范圍，逐漸向以 GIS 技術支持為主的大尺度、多元化、多方面地建立復雜地球科學模型的過程。無論是經驗統計模型，還是過程模型，都是基于對實地高山多年凍土分布狀況的一種近似模擬，因而，或多或少地會存在一定的誤差。宏觀尺度的凍土模擬能夠表現凍土的宏觀規律和特征，其局限性在于忽視了凍土細部特征及區域性因素的影響，使中小尺度凍土模擬受到一定的限制。從各種高山凍土模型與制圖的發展過程來看，多年凍土模型與制圖的未來研究呈現出多元化研究和細化研究的趨勢[2-5]。凍土大多分布在高海拔環境惡劣區，導致凍土調查難度大、時間長、工作量大，不能滿足社會發展需要。近年來高分辨率及多光譜遙感技術的不斷發展，其快速、高效、節約成本等優勢越加突出，在多年凍土制圖和凍土監測中發揮了越來越重要的作用，顯示出具有很大的潛力。

本研究在高程模型和溫度模型的基礎上利用遙感模型對多年凍土下限位置進行較為精細的大比例尺解譯和圈定，對3種模型進行了相互印證與補充，確定了研究區多年凍土分布范圍，為區域水文地質、工程地質及氣候變化等研究提供基礎參考資料。

1 研究區概況

研究區位于青藏高原西藏自治區西南部,地理坐標為E78°30′～82°30′，N30°30′～32°30′,行政隸屬阿里地區。區內交通以公路為主，219國道(葉城-拉孜)橫貫該區北部，獅泉河-普蘭、獅泉河-札達公路與219國道相接。喜馬拉雅山及其北麓氣候受喜馬拉雅山脈大氣環流屏障作用影響較大，屬高原亞寒帶干旱氣候區，山勢磅礴，冰川巍峨，景象萬千，氣候干燥而寒冷,雖日照充足但氣溫低、溫差大、無霜期短、降水少、大風多。總之，區內自然條件惡劣，以高寒缺氧、低氣壓、干旱，以及雷暴、冰雹、沙暴多發為特點。

2 研究方法

本次工作在總結前人多年凍土研究成果的基礎上，選擇高程模型、溫度模型、遙感模型進行研究區多年凍土下限位置的調查，確定研究區多年凍土區范圍，具體思路為： 參照前人資料及凍土模型等得出的本區多年凍土下限結論，利用DEM數據處理提取多年凍土下限，并使用熱紅外波段進行地表溫度反演，參照高程模型和溫度模型完成的結果，利用處理完成的遙感影像進行多年凍土下限精細解譯圈定，最終完成全區多年凍土下限位置確定(圖1)。

圖1 多年凍土下限圈定流程圖

Fig.1 Flow charts of permafrost depth delineation

2.1 遙感數據源選擇

本文選擇Landsat8 OLI(簡稱OLI)、資源一號02C星(簡稱ZY-1 02C)和高分一號(簡稱GF-1)數據,其詳細參數見表1。

表1 Landsat8，ZY-1 02C和GF-1衛星數據主要參數對比表

DEM選用ASTER衛星數據制作的分辨率30 m的數字高程模型數據，進行多年凍土的下限圈定研究。OLI數據的時相為2013年6—10月； ZY-1 02C數據的時相在2012年6—12月之間； GF-1衛星數據的時相為2014年6月26日。

2.2 圖像處理

為了滿足本次調查的需要，選用如下方法進行數據處理： OLI數據的模擬真彩色融合，進行RGB-ISH-RGB色度空間轉換。通過對各波段組合統計分析，結合各波段波譜特征，經人機對話對比，選擇OLI 7,5,2,8波段組合制作遙感影像圖； ZY-1 02C星PMS數據全色波段與多光譜波段間成像同步性較差。本次處理采用ERADS軟件的AutoSync來實現影像配準。波段組合方案為2(R)3(G)1(B)，該方案能最大化地體現地質體特征。在上述影像配準的前提下，對研究區PMS多光譜數據與全色數據進行融合，采用乘積變換融合方法； GF-1衛星數據在ERDAS中采用“DEM+RFM+GCP”的方法分別對多光譜和全色原始數據進行正射糾正。利用全色增強融合算法(Pansharp)選擇B3，B2，B1進行波段組合并與全色波段進行融合處理。

2.3 全區凍土下限的提取(高程模型)

目前遙感應用中，坡度、坡向大多是通過數字高程模型計算得到的，主要的方法有數值分析法、局部曲面擬和法、空間矢量法、快速傅里葉變換法等[6-7]。本次調查利用ArcGIS軟件中的高級分析工具，把已經校正好的DEM數據進行高差、坡度、坡向的處理工作，再根據研究區范圍，在ArcGIS工具中選擇重分類選項，坡向[45°，135°)為東坡，坡向[135°,225°)為南坡，坡向[225°,315°)為西坡，坡向[315°,360°]與[0°,45°)為北坡。將東西坡歸為一類，分別提取北坡、東西坡以及南坡所對應的區域范圍。利用南卓銅、李昆、王紹令等[8-10]的研究結果(多年凍土分布主要受海拔的控制，同時又服從于緯度地帶性，多年凍土下界高程隨緯度減少而升高，平均緯度每降低1°，下界升高約130 m)，確定研究區多年凍土下限高程標準(闕值)東西坡為海拔5 000 m、北(陰)坡下界為5 100 m、南(陽)坡下界為4 950 m，分別提取多年凍土下限值的等高線范圍，并分別制作研究區的地勢高差圖、地勢坡度圖、地勢坡向圖，再綜合形成研究區臨時多年凍土下限分布圖，為下一步工作提供依據。

2.4 地表溫度反演(溫度模型)

熱紅外遙感是獲取地表熱狀況信息的一種非常重要的手段，利用衛星數據演算地表溫度，已經成為遙感科學的一個重要研究領域[11]。常用的地表溫度反演方法有單窗算法、劈窗算法、分類窗算法、單通道算法等[12-13]。本文在ENVI軟件下用Landsat8的第10和11波段數據，采用單窗算法[14]進行研究區地表溫度反演。反演結果用ArcGIS工具重分類選項進行操作，將地表溫度0℃作為分界線進行閾值分割，為下一步圈定多年凍土下限提供依據。

2.5 多年凍土下限遙感解譯圈定(遙感模型)

遙感影像是以光譜特征、輻射特征、幾何特征及時相特征來反映地物信息，解譯時必須運用地學相關分析方法，綜合影像的色調、亮度、飽和度、形狀、紋理和結構等特征，并結合已有資料和野外工作經驗知識判定地物類型[15]。在使用大比例尺遙感影像地質解譯過程當中，采用二維影像與三維影像共同解譯的方法多角度地進行地質構造及地貌、巖性的識別，很大程度上提高了地物邊界的可分辨程度，加快了解譯進度，也提高了解譯成果的精度。本次工作在圈定多年凍土下限范圍的過程中，充分利用不同衛星數據的特點，展開了不同尺度、不同角度的解譯，取得了較好效果。

3 多年凍土下限圈定方法與應用

3.1 多年凍土下限的遙感解譯標志

多年凍土的直接和間接的遙感解譯標志[16-19]共分為6大類，典型影像如圖2所示。

1)色調色彩。由于區域海拔、溫度、風速、巖土結構及含水量的不同，多年凍土區與季節性凍土區對太陽電磁波有不同的反射、吸收和發射特征，體現在遙感影像圖上色調色彩有所差異，尤其細粒巖土體、導熱率低、不易透水、含水性高的巖石在OLI影像上色調差異尤為明顯。巖石影像色調的深淺與其類型、顆粒大小、孔隙度等有關(圖2(a))。

2)植被發育。在植被發育區，由于多年凍土區氣候嚴寒，植被是以苔蘚、地衣為主組成的苔原植被，草本植物和灌木很少，隨著多年凍土上限深度增加，高寒草甸草地的覆蓋度和生物生產量均顯著減少，植被的類型和覆蓋度與季節性凍土相比差異性明顯。遙感影像上植被色調分布明顯，易于判斷，界線分明(圖2(b))，也可采用NDVI指數進行間接判斷。

3)冰雪覆蓋。若某一個地區多年被冰雪覆蓋，則該區可能也存在多年凍土。OLI影像上冰雪的色調呈蛋清色、白色，表面光滑。可通過多期數據前后對比，確定冰雪覆蓋的范圍(圖2(c))。

4)水系特征。在永凍區，地下水長期處于冰凍狀態，地表水系沿多年凍土邊緣的多邊形裂隙流出，形成密集的樹枝狀水系； 有時受凍土阻擋，匯集形成小型池塘(圖2(d))。

5)泉點發育。一般凍土邊緣由于斷裂或地形切割等因素作用，致使凍結層上水在重力作用下流出地表形成泉水。在遙感影像上呈點狀、蝌蚪狀等圖案顯示(圖2(e))。

(a) 色調色彩(OLI影像) (b) 植被發育(OLI影像)(c) 冰雪覆蓋(OLI影像)

(d) 水系特征(2Y-1 02C影像) (e) 泉點發育(2Y-1 02C影像) (f) 凍土地貌(OLI影像)

圖2 多年凍土下限的遙感解譯標志

Fig.2 Permafrost depth of remote sensing interpretation mark

6)凍土地貌。在寒冷氣候條件之下，凍融作用使巖石遭受破壞，松散沉積物受到干擾和分選一級凍土層發生變形等。多年凍土與季節性凍土區邊緣由于季節性消融作用，在遙感影像上多呈模糊拉伸狀影紋(圖2(f))。

3.2 凍土地貌遙感解譯標志

在高分影像上季節凍土區可見凍脹丘、泥流舌、泥流階地、熱融滑塌、石環及石河等凍土微地貌，可作為季節凍土與多年凍土的劃分依據。建立的微地貌解譯標志主要有6種(圖3)。

(a) 熱融地形(ZY-1 02C影像) (b) 石海石河(ZY-1 02C影像)(c) 泥流階地(ZY-1 02C影像)

(d) 凍融夷平面(ZY-1 02C影像)(e) 熱融滑塌(GF-1影像) (f) 融凍泥流(GF-1影像)

圖3 凍土地貌遙感解譯標志

Fig.3 Frozen soil landform of remote sensing interpretation mark

1)熱融地形。溫度周期性地發生正負變化，凍土層多次消凍形成，包括淺洼地、熱融滑塌等。在遙感影像上可見反復作用形成的凍融區，巖土體明顯感覺有個拉伸空間(圖3(a))。

2)石海石河。基巖經劇烈的凍融風化破壞，巖石裂解，產生大量的巨石、角礫，堆在平緩的地面上，尤其在邊部巖石顆粒越大，磨圓度越小，遙感影像上呈疙瘩狀、橢圓形，與周圍界線明顯(圖3(b))。

3)泥流階地。也稱土溜階坎，融凍泥流在向下蠕動過程中產生的臺階狀堆積地貌, 遙感影像上階地層次明顯，在寬谷處尤為發育(圖3(c))。

4)凍融夷平面。山體受凍融作用的剝蝕和均夷，把融凍巖屑不斷地搬用走，使山坡后退，平緩較寬的地面形成夷平面，遙感影像上紋形與周圍明顯不一致，表面較光滑(圖3(d))。

5)熱融滑塌。永凍層上部地下冰因融化而產生的滑塌，呈負地貌形態。在遙感影像上滑塌體顏色較淺，典型地表現為“箕”狀形態特征，受巖土體性質的影響，呈串珠狀連續發育，依此可判斷其規模、大小、滑動方向等(圖3(e))。

6)融凍泥流。飽和水的松散土層和凍融風化層解凍時，因具塑性，發生沿斜坡蠕動。遙感影像上呈疙瘩狀影紋，堆積物無分選性，缺乏層理(圖3(f))。

3.3 多年凍土下限對比分析

高程模型由于是以點帶面計算機自動生成的結果，往往忽視了多年凍土局部的差異性，在大比例尺成圖時會產生誤差。這種誤差可以在遙感模型中修正和消除。以研究區中晚侏羅世日松組(J3r)中多年凍土為例(圖4)，該巖組的巖性為中薄層狀細粒巖屑砂巖、長石石英砂巖與粉砂質泥巖，局部夾砂礫巖、白云質灰巖，OLI影像上多年凍土下限位置色調差異明顯(圖4(a))。由基礎地質圖(圖4(b))可見，多年凍土受構造、巖土體類型影響較小。其DEM數據生成處理的多年凍土下限位置(紫色線條)結果明顯與凍土實際范圍不吻合(圖4(c))，通過遙感解譯修正多年凍土下限界線位置(黃色線條)，可以消除DEM數據(主要受其精度限制)在坡向、高程等方面產生的誤差(圖4(d))，能更客觀地反映多年凍土區的分布情況。該應用實例證明，DEM數據處理與遙感解譯相結合，進行多年凍土下限的圈定，可以獲得良好的效果。

(a) 遙感影像圖 (b) 基礎地質圖

(c) 等高線圈定的多年凍土下限 (d) 遙感解譯修正后的多年凍土下限

圖4 多年凍土下限等高線圈定和遙感解譯圈定結果對比

Fig.4 Comparison of remote sensing interpretation of permafrost depth

經與地溫反演數據對比發現，夏秋季相的ETM+中熱紅外波段，尤其是Landsat8 的OLI 10和11波段數據的溫度反演結果可以作為多年凍土下限圈定的一個重要指示標志。圖5的底圖由OLI 10波段數據經地溫反演形成，溫度以0℃為界進行閾值分割，藍色區域為地溫0℃以下地段，與本文前述采用DEM數據處理與遙感解譯相結合圈定的多年凍土下限(粉紅色線條)吻合率較高。

利用高程模型、溫度模型和遙感模型調查研究區多年凍土下限位置時發現，高程模型只是計算機理論生成的一個固定值； 溫度模型受數據精度、溫度反演方法產生的誤差等限制，不同地段兩者所得到的多年凍土下限位置都存在或高或低的偏差； 而遙感模型由于圖像分辨率的大大提升，解譯精度大大提高，能更好地反映多年凍土的下限位置，故本次工作研究區多年凍土下限以遙感模型結果為準(表2)。研究區多年凍土下限在東西坡為海拔4 966 m、陽坡為5 083 m、陰坡則在4 940 m左右浮動，沒有確切的固定值。因此，多年凍土的下限用遙感模型參考高程模型和溫度模型的結果最終確定。

圖5 研究區地溫反演結果與解譯的多年凍土下限范圍對比

表2 研究區不同模型多年凍土下限值

3.4 多年凍土分布

結合前人資料[20]和本次調查結果，研究區凍土由多年凍土和季節性凍土組成，多年凍土區面積為17 148.93 km2，占全區面積的23.75%(表3和圖6)。

表3 本文調查的凍土面積

圖6 研究區凍土空間分布圖

高海拔與嚴寒干燥的氣候為本區多年凍土的形成和發育提供了有利的條件。高分辨率遙感影像顯示，研究區多年凍土的分布除前述垂直分帶性外，還具有強烈的地域分帶性，主要分布于古冰緣退化殘余區，如岡底斯山、喜馬拉雅山、瑪旁雍錯-公珠錯以北沿線。地形的坡向、河流、湖泊、植被等對凍土的分布有很大影響。

由圖7可見，夏季影像上由于多年凍土與季節性凍土的含水性不一致，色調差異明顯； 冬季影像上多年凍土與季節性凍土整體色調一致，因為那時候季節性凍土也處于凍結狀態。氣候變暖最直接的影響是凍土及冰川消融，從20世紀80年代末期開始,青藏高原多年凍土縮減了24萬km2。而同期冰川面積退縮了15%，退縮幅度相當于此前200 a之和，導致了區域性多年凍土區分布減少[21-22]。研究區多年凍土區位于人跡罕至的高海拔山區，由于條件有限，包括受遙感數據時相和精度的限制，此次工作圈定的多年凍土范圍雖有待做進一步的驗證，但從以上分析說明，所獲得的結果，可作為參考資料為區內相關工程項目的前期工作所采用，以大大減少工作量，提高工程效率。

(a) 夏季(時相2014-06-03)(b) 冬季(時相2014-12-28)

圖7 多年凍土與季節性凍土遙感影像差異(OLI影像)

Fig.7 Difference of remote sensing image between permafrost and frozen soil

4 結論

1)為充分發揮遙感優勢，在總結前人多年凍土研究成果的基礎上，選擇高程模型、溫度模型、遙感模型進行研究區多年凍土下限位置的調查，確定該區多年凍土區的面積為17 148.93 km2,主要分布于古冰緣退化殘余區。

2)總結了研究區多年凍土下限的解譯標志，包括色調色彩、植被發育、冰雪覆蓋、水系特征、泉點發育及凍土地貌6大類，其中對凍土地貌中的微地貌進行了進一步的描述。也從側面說明了國產ZY-1 02C和GF-1在凍土調查中的應用價值。

3)分別用高程模型、溫度模型對遙感模型的結果進行了對比，3種模型相互補充參考，提高了大比例尺多年凍土制圖的精度。但從以上對比結果說明，本次工作獲得的結果在區域上可作為重要的參考資料為相關工程項目前期所采用，以大大減少工作量，提高效率。由于條件有限，此次工作圈定的多年凍土范圍還有待進一步驗證。

4)隨著可見光、紅外及微波衛星遙感技術的發展，特別是我國高分衛星專項計劃的實施和一系列業務衛星的陸續發射，更為精確地確定多年凍土的下限位置將成為可能，可以為青藏高原區域地質、水文地質、工程地質及氣候變化等研究提供更加詳實的資料。

志謝： 感謝青海省地質調查院莊永成高級工程師在寫作過程中的指導和幫助。

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(責任編輯： 邢宇)

Remote sensing technology delineation method and its application to permafrost of Zhada area in the Tibetan Plateau

LI Xiaomin1,2, ZHANG Kun1,2, LI Dongling1,2, LI Delin1,2, LI Zongren1,2, ZHANG Xing1,2

(1.QinghaiProvinceNorthoftheQinghai-TibetPlateauGeologicalProcessandMineralResourcesKeyLaboratories,Xining810012，China; 2.InstituteofGeologicalSurveyofQinghaiProvince,Xining810012，China)

In order to obtain a better understanding of the spatial distribution of permafrost in Zhada area of the Tibetan Plateau, the authors used different remote sensing models to delineate the depth of permafrost and employed elevation model and temperature model to compare the results. According to the result, the study area covers 17 148.93 km2. The authors summarized the interpretation signs for the depth of permafrost in this area. A comparative study of the 3 models can improve the mapping accuracy for the large scale permafrost, greatly reduce related project preceding work and improve efficiency. It is concluded that the application value of the remote sensing technology delineation method is high. Therefore, the remote sensing technology delineation method is very useful in such fields as regional hydrogeology, engineering geology and climate change in the Tibetan Plateau.

Tibetan Plateau; permafrost; permafrost depth; LST retrieval; frozen soil landform; remote sensing interpretation

10.6046/gtzyyg.2017.01.09

李曉民，張焜，李冬玲,等.青藏高原札達地區多年凍土遙感技術圈定方法與應用[J].國土資源遙感,2017,29(1):57-64.(Li X M,Zhang K,Li D L,et al.Remote sensing technology delineation method and its application to permafrost of Zhada area in the Tibetan Plateau[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(1):57-64.)

2015-05-18；

2015-06-25

中國地質調查局地質調查項目“西北邊境地區國土資源遙感綜合調查”(編號： 12120113003300和12120114090601)資助。

李曉民(1988-),男,工程師,主要從事地質礦產遙感技術應用研究。Email： qhsrainly@qq.com。

TP 751.1

A

1001-070X(2017)01-0057-08