遙感方法在風(fēng)積沙地貌判釋中的應(yīng)用

孫渤鏮，葉唐進(jìn)，李豪

(1.西藏大學(xué)理學(xué)院，拉薩 850000；2.西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩 850000；3.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，大連 116024)

受喜馬拉雅山脈的影響，風(fēng)積沙地貌在雅江河谷從林芝朗縣—山南貢嘎縣—日喀則薩嘎均有大量分布，貢嘎機(jī)場(chǎng)附近特別嚴(yán)重。除每年的6月和8月以外，全年均有風(fēng)沙產(chǎn)生，約為300～400次/a，尤其是冬春季發(fā)生最為頻繁,分別占沙塵暴總次數(shù)的58.5%和38.3%[1]，常常影響飛機(jī)的正常起降和公路的正常營(yíng)運(yùn)，也導(dǎo)致空氣質(zhì)量的下降，影響當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉa(chǎn)生活。

目前，針對(duì)高原風(fēng)積沙的研究主要集中在青海、西藏、甘肅等地，中科院蘭州寒旱研究所的學(xué)者進(jìn)行科考和統(tǒng)計(jì)分析[2]。而針對(duì)西藏風(fēng)沙或風(fēng)積地貌的研究相對(duì)較少，且主要集中在雅江河谷的山南市、日喀則市以及定結(jié)縣至定日縣等地[2][3]。2007年，陶仕珍[4]等人在研究西藏貢嘎機(jī)場(chǎng)周邊風(fēng)沙災(zāi)害成因的同時(shí)簡(jiǎn)略介紹了西藏地區(qū)的風(fēng)積沙特征。其研究方法和對(duì)象主要為風(fēng)積沙與氣候的關(guān)系[5]，形成原因[6]，時(shí)空分布特征[7]以及防治措施[8]等。

在遙感技術(shù)研究風(fēng)沙及風(fēng)積沙地貌中，2010年，Chris H. Hugenholtz[9]等人結(jié)合前人在遙感技術(shù)研究風(fēng)積沙的方法做了階段總結(jié)與展望，提出遙感手段在當(dāng)代沙丘的特征與量級(jí)分析研究中的潛力。2015年，Chen Du[10]等人利用Landsat 8數(shù)據(jù)反演研究了地表溫度的變化, 對(duì)于陸地的地表溫度反演相當(dāng)準(zhǔn)確，故引用該方法對(duì)風(fēng)積沙地貌的反演分析。2019年，LIU Yong[11]等人對(duì)雅魯藏布江河谷的風(fēng)沙地貌的空間分布及其形成機(jī)理做過(guò)研究，利用風(fēng)沙為黃灰色、質(zhì)地細(xì)膩、反照率高特征，對(duì)雅魯藏布江河谷沿線的風(fēng)成沙粗略分布形態(tài)進(jìn)行判斷。因此，可以得出風(fēng)沙或風(fēng)積沙的研究主要集中在成因、分布、治理等方面，利用遙感技術(shù)研究識(shí)別風(fēng)積沙時(shí)空分布、風(fēng)積沙的變化和變遷依然較少，成果不多。

本文將以雅江河谷地區(qū)為例，選擇美國(guó)陸地資源衛(wèi)星 Landsat 8 OLI_TIRS遙感影像作為提取地表溫度反演的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用遙感技術(shù)并結(jié)合溫度反演，研究遙感影像反演的地表溫度與風(fēng)積沙地貌的關(guān)系，從而解決遙感技術(shù)在風(fēng)積沙時(shí)空分布規(guī)律、變化和變遷的識(shí)別問(wèn)題。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

雅江河谷地區(qū)位于青藏高原喜馬拉雅北坡河谷，位于北半球，處于中緯度高原氣候區(qū)，海拔在3 500～4 000 m之間，大部分地區(qū)的氣候類型為高原山地氣候，受喜馬拉雅山脈的影響，降水量偏少，由于高海拔帶來(lái)的低氣溫與強(qiáng)日照，導(dǎo)致蒸發(fā)量極大，年溫差較小，日溫差較大，屬于典型的高原寒旱氣候，冬春季風(fēng)力強(qiáng)勁，風(fēng)沙災(zāi)害十分明顯，每年約300～400次風(fēng)沙災(zāi)害，因此風(fēng)積地貌大量分布于雅江河谷。圖1位于拉薩市貢嘎機(jī)場(chǎng)附近的典型風(fēng)積沙地貌，其經(jīng)緯度坐標(biāo)為29°20′13″N，90°53′28″E。

從研究區(qū)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與其周邊環(huán)境對(duì)比分析(圖2)，風(fēng)積沙地貌的遙感影像特征主要體現(xiàn)在：(1)風(fēng)積沙區(qū)域溫度高于周邊非風(fēng)積沙地貌區(qū)域；(2)風(fēng)積沙堆積厚度與地表溫度呈現(xiàn)出正相關(guān)性；(3)地表溫度分布與風(fēng)積沙分布形態(tài)基本一致。

圖1 風(fēng)積沙地貌衛(wèi)星影像

圖2 含等高線衛(wèi)星影像圖

1.2 數(shù)據(jù)獲取原理

(1) 地表溫度反演算法

數(shù)據(jù)來(lái)源利用美國(guó)陸地資源衛(wèi)星 Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，選取了雅江河谷貢嘎機(jī)場(chǎng)附近的風(fēng)積沙地貌，并運(yùn)用Landsat 8 地表溫度反演軟件對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，具體算法如下：

(1)

其中，ε和Δε分別表示兩個(gè)通道的發(fā)射率均值與差值，取決于地表分類與覆蓋度；Ti和Tj為兩個(gè)通道的觀測(cè)亮溫，bi(i= 0,1…7)為各項(xiàng)系數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)、大氣參數(shù)數(shù)據(jù)以及大氣輻射傳輸方程進(jìn)行分析，其反演的精度與大氣柱水汽含量系數(shù)bi有關(guān)[10]。

(2) 大氣水汽含量

為了減少對(duì)外界大氣條件的依賴，發(fā)展的新算法從熱紅外圖像本身數(shù)據(jù)估算水汽。首先利用MODTRAN和TIGR大氣廓線建立兩個(gè)劈窗通道大氣透過(guò)率比值τj/τi與大氣水汽含量wv的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，然后利用在一定大小的滑動(dòng)窗口內(nèi)兩個(gè)通道亮溫(Ti和Tj)之間的協(xié)方差與方差的比值來(lái)估算透過(guò)率比值[12]，即：

wv=a+b·(τj/τi)+c·(τj/τi)2

(2)

(3)

1.3 研究方法

首先利用Landsat 8 地表溫度反演軟件對(duì)Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演。然后將所得反演所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件ENVI內(nèi)，套用公式(b1/100)-273.15進(jìn)行波段運(yùn)算，從而得到包含溫度信息的影像。最后，再將包含溫度信息的影像導(dǎo)入軟件ArcGIS 10.3中進(jìn)行調(diào)整與分析。在軟件ArcGIS 10.3中可以計(jì)算地表溫度與地貌的相關(guān)性，分析風(fēng)積沙地貌的時(shí)空分布規(guī)律、面積變化與變遷，并將其與實(shí)地踏勘采集面積進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)遙感技術(shù)分析判釋，能夠初步從溫度的高低判釋風(fēng)積沙地貌的存在。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 反演溫度分區(qū)判釋

由于地表溫度受氣象條件、植被覆蓋率、地下水、巖土比熱容、地形地貌、海拔高度以及太陽(yáng)輻射時(shí)長(zhǎng)等因素影響，在風(fēng)積沙地貌判釋中需要分區(qū)逐一進(jìn)行對(duì)比。因此，本文結(jié)合溫度區(qū)間，將研究區(qū)劃分為5個(gè)區(qū)域分別判釋(圖3)。

圖3 不同地表溫度的分區(qū)圖

現(xiàn)結(jié)合風(fēng)積沙分區(qū)和野外勘察核實(shí)對(duì)其進(jìn)行逐一判釋如下：

風(fēng)積沙高溫A區(qū) ，該區(qū)一年四季均為高溫區(qū)域，溫度在22 ℃～55 ℃，與風(fēng)積沙E區(qū)相比，溫差在20 ℃以上。分析其原因是A區(qū)處于坡地，坡體含水量極低，只受風(fēng)沙比熱容影響，因此溫度較高。

北部基巖裸露B區(qū)，西側(cè)為27.45 ℃～33.25 ℃；而東側(cè)溫度相對(duì)較高，為33.25 ℃～36.15 ℃。雖然該區(qū)海拔較高，但地表巖土體裸露，植被覆蓋率趨近于0，受巖土體比熱容影響，使其溫度與E區(qū)北部溫度相近；同時(shí)該區(qū)B區(qū)西側(cè)存在一個(gè)沖溝，因此受太陽(yáng)照射時(shí)長(zhǎng)和地下水的影響，溝谷與周圍溫度低了3 ℃～6 ℃。

東部山脊低溫C區(qū)，溫度在18.75 ℃～27.45 ℃。該區(qū)域風(fēng)積沙面積為0，由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集時(shí)間為當(dāng)?shù)?4：29，受太陽(yáng)照射時(shí)長(zhǎng)和地形地貌的影響，該區(qū)的最低溫度向西偏移，而未出現(xiàn)在海拔較高的山脊或山脊東面。

溝谷植被覆蓋低溫D區(qū)，溫度在21.65 ℃～27.45 ℃。該區(qū)域處于溝谷地帶，風(fēng)積沙面積為0，植被茂密，地下水較為豐富，受太陽(yáng)輻射相對(duì)較少，因此該區(qū)域呈現(xiàn)出低溫狀態(tài)。

低洼的風(fēng)積沙E區(qū)，溫度在33.25 ℃～39.15 ℃。該區(qū)是風(fēng)積沙地貌的核心區(qū)，全部為風(fēng)積沙區(qū)域，由于地勢(shì)平坦低洼，沙層含水量增加，與同為風(fēng)積沙的A區(qū)相比，該區(qū)地表溫度有著明顯降低。

結(jié)合風(fēng)積沙分區(qū)和野外勘察核對(duì)可知，風(fēng)沙堆積區(qū)溫度均比非堆積區(qū)高，但是少部分區(qū)域溫度還受氣象條件、植被覆蓋率、地下水、巖土比熱容、地形地貌、海拔高度以及太陽(yáng)輻射時(shí)長(zhǎng)等因素影響，因此在風(fēng)積沙遙感技術(shù)分析中，不僅需要采用多種手段，還需要進(jìn)行實(shí)地踏勘加以校正。

2.2 季節(jié)對(duì)比

受印度洋暖濕氣流的影響，雅江河谷夏秋季節(jié)云量與雨量較多，尤其是每年的6～8月份，無(wú)法獲取較為準(zhǔn)確而完整的遙感影像數(shù)據(jù)，因而夏季風(fēng)積沙遙感數(shù)據(jù)反演解釋的缺失。因此選取同年春秋冬三季節(jié)進(jìn)行對(duì)比分析，從而研究風(fēng)積沙在不同季節(jié)的溫度變化規(guī)律。

從遙感影像反演出的地表溫度等值線圖來(lái)看，不同季節(jié)上的地表溫度變化十分明顯，如圖4、圖5與圖6所示。

圖4 2016年春季遙感反演的地表溫度圖

圖5 2016年秋季遙感反演的地表溫度圖

圖6 2016年冬季遙感反演的地表溫度圖

(1) 春季

從春季遙感影像反演的溫度分布圖來(lái)看，該研究區(qū)溫度在14 ℃～50 ℃，其中水體表面溫度均在20 ℃以下。由于強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射和無(wú)植被覆蓋風(fēng)積沙比熱容共同作用，風(fēng)積沙地表溫度為20 ℃～40 ℃。最高溫度點(diǎn)甚達(dá)50 ℃以上，風(fēng)積沙與周圍巖土溫度不易區(qū)別，不易于判釋。

(2) 秋季

從秋季遙感影像反演的溫度等值線分布圖來(lái)看，該研究區(qū)溫度在15 ℃～44 ℃，與春季相比，地表溫度有所下降，但是仍有高溫比較突出的區(qū)域，最高可達(dá)44 ℃。風(fēng)積沙地貌區(qū)溫度異常較為明顯突出，完全可以分辨出風(fēng)積沙與巖土體之間的分界線，易于判釋，是風(fēng)積沙遙感數(shù)據(jù)最理想的季節(jié)。

(3) 冬季

從冬季遙感影像反演的溫度等值線分布圖來(lái)看，該研究區(qū)溫度在8 ℃～32 ℃，水體表面溫度接近11 ℃，普通地表溫度為11 ℃～20℃。而風(fēng)積沙的地表溫度普遍為20 ℃～26 ℃，最高點(diǎn)也只能達(dá)到32 ℃。風(fēng)積沙與周圍巖土溫度區(qū)分度不高，也不利于判釋。

總之，對(duì)比以上3幅溫度反演圖和數(shù)據(jù)對(duì)比可知，春、冬兩個(gè)季節(jié)的遙感數(shù)據(jù)反演結(jié)果中，風(fēng)積沙與周圍巖土溫度區(qū)分度不高，也不利于判釋，而秋季風(fēng)積沙地貌區(qū)溫度異常較為明顯突出，完全可以分辨出風(fēng)積沙與巖土體之間的分界線，易于判釋。分析其原因，是含水量高低、植被以及太陽(yáng)輻射時(shí)間影響所致，因此秋季是風(fēng)積沙遙感數(shù)據(jù)最理想的季節(jié)。

2.3 風(fēng)積沙面積變化

通過(guò)ArcGIS 10.3軟件分析，可以得到本研究區(qū)域風(fēng)積沙地貌的總面積，以及進(jìn)一步細(xì)化后的有效地表溫度分層面積。研究區(qū)的風(fēng)積沙地貌面積為629 195.10 m2。風(fēng)積沙面積的變化和變遷受氣象和環(huán)境的影響十分明顯，因此可以利用不同年份秋季的遙感數(shù)據(jù)分析其時(shí)空分布變化規(guī)律。

圖7 2013年與2016年研究區(qū)影像對(duì)比

因此，本文選擇2013年9月與2016年9月的數(shù)據(jù)進(jìn)行的比較(圖7)，分析其風(fēng)積沙面積的時(shí)空分布變化規(guī)律。

從圖7也可以看出，無(wú)論是2013年還是2016年，風(fēng)積沙地貌主要區(qū)域均位于18 ℃～24 ℃層，能夠有效判釋，可以進(jìn)行風(fēng)積沙面積時(shí)空變化規(guī)律分析。下面將結(jié)合遙感反演，提取風(fēng)積沙的溫度區(qū)間和面積大小(表1)，并進(jìn)行對(duì)比。

從表1分析可知， 2013年風(fēng)積沙地貌面積為629 195.10 m2，而2016年為592 844.60 m2，短短3 a縮小的風(fēng)積沙地貌面積達(dá)35 696.38 m2。分析其原因?yàn)椋阂皇钱?dāng)?shù)卣块T加強(qiáng)了環(huán)境保護(hù)意識(shí)，大量植樹造林，使得風(fēng)沙減少；二是研究區(qū)修建了一棟建筑，使風(fēng)積沙地貌面積減少了654.12 m2，也說(shuō)明了雅江河谷環(huán)境得到了有效的改善。

表1 2013年與2016年的風(fēng)積沙面積比較

3 結(jié)論

本文采用遙感技術(shù)對(duì)風(fēng)積沙地貌的地表溫度進(jìn)行反演，得到了包含地表溫度信息的影像，并將其與等高線地形圖、實(shí)際影像圖以及實(shí)地踏勘進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 通過(guò)B區(qū)東部與E區(qū)對(duì)比分析，可知遙感技術(shù)雖然利用地表溫度反演初步推斷出風(fēng)積沙地貌的大致位置與其變遷，但部分裸露的巖土與風(fēng)積沙區(qū)分度不高，需要采用多種方法或踏勘進(jìn)行核實(shí)校正。

(2) 通過(guò)遙感技術(shù)和實(shí)地踏勘對(duì)比，發(fā)現(xiàn)氣象條件、地下水、植被覆蓋率、巖土比熱容、地形地貌、海拔高度以及太陽(yáng)輻射時(shí)長(zhǎng)等對(duì)分析結(jié)論均有影響，需要加以校對(duì)和處理。

(3) 通過(guò)對(duì)比一年四季風(fēng)積沙與周圍地表溫度的差異得出，秋季風(fēng)積沙地貌區(qū)溫度異常較為明顯突出，均高出3 ℃～9 ℃，完全可以分辨出風(fēng)積沙與巖土體之間的分界線，易于判釋。

(4) 對(duì)不同年份風(fēng)積沙地表溫度變化反演，得出2013年至2016年風(fēng)積沙面積減少了29 809 m2，可以初步判定風(fēng)積沙地貌的變化和變遷，環(huán)境的改變以及面積的增減等。

(5) 通過(guò)高精度遙感可以直接判釋，但是工作量大、效率低、誤差難以計(jì)量及人為影響因素大。而使用熱紅外遙感進(jìn)行判釋方法簡(jiǎn)單、效率高、人為影響因素較小、可程序化操作。