浅谈基于noaa数据的北亚冻土变化研究

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1、浅谈基于NOAA数据的北亚冻土变化研究　摘要：冻土是高纬度高海拔地区普遍存在的一种特殊土体。分为永久性冻土和季节性冻土，它们约占北半球面积的79%，作为世界上面积最大的国家，俄罗斯的冻土面积占有相当大的比重。从20世纪70年代至今，卫星遥感技术的使用促进了冻土研究的快速发展。主要针对俄罗斯亚洲部分的NOAA遥感影像进行预处理，根据AVHRR数据的波段特性使用分裂窗算法对地表温度进行计算，解译出永久性冻土和季节性冻土，并统计其冻土面积的变化，得出了俄罗斯北亚地区的永久性冻土正在逐年退化为季节性冻土的结论，并对其产生的原

2、因及危害进行了分析。　　关键词：俄罗斯；冻土；分裂窗算法；地表温度　　中图分类号：P208；P931.8　3冻土的遥感解译　　3.1解译方法　　冻土在解译的过程中，要根据不同纬度、不同海拔解译，比较复杂。但是冻土的主要特点就是与地温关系密切，地温在0℃以下时，就会形成冻土，根据地温的不断降低，冻土的厚度在不断增长。AVHRR数据有5个波段，利用这5个波段的特性，利用分裂窗算法对地温进行计算，利用地温来解译永久性冻土和季节性冻土。AVHRR的波段范围及主要用途，见表1。　　通道序号[]波长范围/μm[]主要用途

3、　　1[]0.8～0.68[]白天图像、植被、冰雪、气候　　2[]0.725～1.00[]白天图像、植被、水/路边界、农业估产、土地利用调查　3[]1.58～1.64[]白天图像、土壤湿度、云雪判识、干旱监测、云相区分　　4[]10.30～11.30[]昼夜图像、海表和地表温度、土壤湿度　　5[]11．50～12.50[]昼夜图像、海表和地表温度、土壤湿度　　分裂窗算法在近十几年来演算地表温度方面被广泛应用，国际上已经提出了十多种分裂窗算法。主要利用AVHRR的两个热通道（通道4和通道5）数据，将热辐射数据转化为亮度

4、温度，从而演算出地表温度。分裂窗算法的一般表达式如下：　　Ts=A0+A1T4+A2T5(1)　　式中：Ts—地表温度（K）（绝对温度）；T4和T5—AVHRR热通道4和5的亮温度（K）；A0、A1、A2—由大气状况，观测角及地表比辐射率所决定的系数。　　[JP3]Becker和Li提出的辐射率算法被广泛的运用到实践中，该算法是根据热辐射传导的地方性特征而提出的。其公式如下：[JP]　　Ts=1.274+P(T4-T5)／2+M(T4+T5)/2(2)　

5、　其中，P和M的求法如下：　　P=1+0.15616(1-ε)/ε+0.482Δε/ε2(3)　　M=6.26+3.98(1-ε)/ε+38.33Δε/ε2(4)　　其中，ε是两个热通道的平均辐射率：　　ε=(ε4+ε5)/2(5)　　通过以上算法得出的地温数值，永久性冻土常年地表温度在-1℃～5℃之间，而季节性冻土在7月上旬地表温度接近0℃或大于0℃。以-1℃为界，并结合实地考察及人工判别，解译出俄罗斯的永久性冻土范围及季节性冻土范围。　　3.2解译结果　　根据冻土的解译原理，分别

6、解译出1989年、1999年、2009年三个时相的俄罗斯（北亚）地区冻土专题图，如图3所示。　　从图3中可以看出，冻土的总范围变化不大，但是永久性冻土和季节性冻土在1989年到2009年间有了较为明显的变化。从图中可以发现，俄罗斯（北亚）地区的永久性冻土整体退化明显，尤其是西部和中部地区，永久性冻土的边界在不断向高纬度地区移动，东部地区的突出部分面积也明显减少。也就是说，永久性冻土在不断的退化为季节性冻土。　　在ArcGIS中，将专题分类图转为矢量图，利用面图层的交集、差集即可提取变化图斑，从从表2中可以看出，冻

7、土的总面积变化不大，有增长的趋势，但是总的规律并不明显。面积统计表证实了永久性冻土正在退化，并转变为季节性冻土。将计算出的永久性冻土和季节性冻土的面积，生成柱状变化图，见图4。　　由图4可以看出，永久性冻土的面积以每年约1%速度不断的减少，而季节性冻土的面积则以每年约1%的速度不断增加，虽然冻土的总面积变化不大，但是永久性冻土退化转变为季节性冻土的速度令人担忧，按照目前的速度来看，如果人类不采取有效的措施，到21世纪末，永久性冻土将全部消失。　　4北亚冻土变化的原因　　俄罗斯冻土产生变化的最主要原因是全球气温升高

8、。近几十年来，由于人们焚烧化石矿物以生成能量或砍伐森林并将其焚烧时产生的二氧化碳等多种温室气体，这些温室气体对来自太阳辐射的可见光具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，能强烈吸收地面辐射中的红外线，导致全球气候变暖。气候变暖给全球许多地方带来了变化，冻土也不例外。据统计，俄罗斯变暖的速度是世界其他国家的1.5倍，按这个发