基于星載激光雷達(dá)ICESat-2的雪深監(jiān)測(cè)方法研究

李旭冰，黃曉東，劉愛利

（1.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020）

0 引言

積雪是地球表面覆蓋的重要組成成分［1］。積雪作為全球氣候系統(tǒng)中重要的要素之一，在北半球的中、高緯度及高山地區(qū)廣泛分布，因其高活躍度和敏感度，充當(dāng)著全球氣候變化指示器的角色［2］。積雪持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短及覆蓋范圍的大小，將直接影響地表輻射與熱量平衡，影響地氣系統(tǒng)的能量交換［3］。在干旱和半干旱地區(qū)，融雪水是十分關(guān)鍵的水資源，對(duì)干旱區(qū)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)有直接影響。北疆位于我國(guó)西北地區(qū)的干旱和半干旱區(qū)，是季節(jié)性積雪長(zhǎng)期穩(wěn)定分布的地區(qū)之一，該地區(qū)的生產(chǎn)、生活和淡水補(bǔ)給都高度依賴融雪。隨著氣候的持續(xù)變暖，積雪量減少且持續(xù)時(shí)間縮短，融雪水資源和河川徑流季節(jié)分配發(fā)生了明顯變化，導(dǎo)致該地區(qū)洪澇災(zāi)害頻發(fā)［4］。

積雪深度是積雪研究的重要方向之一，也是預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)、警示融雪性洪澇災(zāi)害的重要因素［5］。雪深觀測(cè)的主要方法包括地面觀測(cè)和遙感數(shù)據(jù)觀測(cè)。其中，地面觀測(cè)效率低，數(shù)據(jù)疏散且代表性差，無法滿足大面積積雪深度信息的觀測(cè)要求［6］。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感技術(shù)從宏觀角度對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行全天候和多時(shí)段反復(fù)觀測(cè)，可獲取大范圍、多時(shí)相、周期性的積雪信息，為積雪研究提供了豐富的資料，已成為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)雪深的必要手段。國(guó)內(nèi)有學(xué)者嘗試?yán)霉鈱W(xué)遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建雪深反演模型，但缺乏內(nèi)在的物理機(jī)制［7］。目前，被動(dòng)微波數(shù)據(jù)是積雪深度和雪水當(dāng)量反演最主要的數(shù)據(jù)源，如AMSR-E［8］、FY3BMWRI［9］、SSM/I［10］、AMSR2［11］等。然而，被動(dòng)微波數(shù)據(jù)空間分辨率太粗，受混合像元及復(fù)雜地形的影響，在雪深和雪水當(dāng)量反演中存在較大的不確定性。主動(dòng)微波遙感特別是合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）以其更高的空間分辨率在積雪深度反演中具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以反演干雪的深度，也可以反演不同干濕狀態(tài)下積雪的濕度信息［12］。

ICESat（ice，cloud，and land elevation satellite）是地球觀測(cè)系統(tǒng)中一顆激光雷達(dá)測(cè)高衛(wèi)星，主要用于測(cè)量冰蓋質(zhì)量平衡、云和氣溶膠高度、以及地形和植被特征［13］。在極地研究中，ICESat獲取的高精度高程數(shù)據(jù)可用于確定海冰干舷、海冰厚度和海冰粗糙度［14］；另外，ICESat數(shù)據(jù)已被多次證明能夠準(zhǔn)確估計(jì)森林結(jié)構(gòu)特征［15］。在地形測(cè)量方面，ICESat獲取的地面高程數(shù)據(jù)是評(píng)估數(shù)字高程模型垂直精度和水位的重要數(shù)據(jù)源［16］。ICESat提供了云和氣溶膠層分布的垂直剖面，為研究全球尺度的云層高度和厚度提供了重要參考［17］。

國(guó)外已有學(xué)者嘗試?yán)迷摂?shù)據(jù)提取區(qū)域尺度的積雪深度信息，如Kern等［18］利用ICESat冬春兩季的高程差計(jì)算雪深，并與AMSR-E雪深產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)ICESat獲取的雪深與實(shí)際雪深數(shù)據(jù)更為一致。Treichler等［19］以挪威南部的斯堪的納維亞山脈為研究區(qū)，利用ICESat進(jìn)行積雪深度提取，結(jié)果證明ICESat在雪深提取方面具備一定的潛力。2018年9月ICESat-2衛(wèi)星正式啟動(dòng)，不同于ICESat使用的全波形仿真系統(tǒng)，ICESat-2配備的是先進(jìn)的地形激光測(cè)高儀系統(tǒng)（advanced terrain laser altimeter system，ATLAS），該系統(tǒng)采用的是多光束微脈沖激光技術(shù)。李龍等［20］發(fā)現(xiàn)ICESat-2更加密集的激光足跡，相比ICESat可將湖泊觀測(cè)數(shù)據(jù)增加至兩倍以上，該數(shù)據(jù)未來將被廣泛應(yīng)用于湖泊水位監(jiān)測(cè)領(lǐng)域［21］。Kwok等［22］利用2018年10月至2019年4月的ICESat-2數(shù)據(jù)與CryoSat-2數(shù)據(jù)的高度差，對(duì)北極雪層的厚度進(jìn)行估算，經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)在雪深估算方面效果良好。

以上研究表明，ICESat以其高精度的測(cè)高能力，在積雪深度模擬方面具備一定的潛力。然而，已有研究大多在高緯度且積雪深度較厚的極地、北歐等地區(qū)開展。而我國(guó)積雪深度相對(duì)較淺，星載激光雷達(dá)在我國(guó)的積雪深度探測(cè)能力還未得到驗(yàn)證，因此，本文擬發(fā)展一套基于ICESat-2的雪深反演方法，以北疆為研究區(qū)，探索星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在中國(guó)地區(qū)雪深模擬中的應(yīng)用潛力。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

北疆地處我國(guó)天山山脈以北、阿爾泰山脈以南，中間是準(zhǔn)噶爾盆地，地貌單元豐富，海拔落差大［23］。該地區(qū)冬季積雪豐富，是我國(guó)三大積雪區(qū)之一，也是我國(guó)穩(wěn)定積雪區(qū)分布的主要區(qū)域（圖1）。由于地處干旱區(qū)，積雪作為重要的水資源，是該區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)以及生活用水的重要補(bǔ)給。ICESat衛(wèi)星采用近極地非太陽(yáng)同步重復(fù)軌道，因?yàn)楸苯貐^(qū)緯度較高，可在該地區(qū)獲取較為密集的ICESat軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)。北疆冬季漫長(zhǎng)，降雪豐富，積雪季較長(zhǎng)，積雪空間分布不均，是發(fā)展和驗(yàn)證激光雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)雪深反演方法的理想場(chǎng)所。

圖1 北疆地區(qū)積雪深度地面觀測(cè)站點(diǎn)及ICESat-2軌跡點(diǎn)（部分）空間分布圖Fig.1 Distribution of the snow depth observations and ICESat-2 footprints（segment）in northern Xinjiang

1.2 數(shù)據(jù)介紹

1.2.1 ICESat

ICESat即冰、云和陸地高程衛(wèi)星，2003年由美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）發(fā)射，為全球第一個(gè)激光測(cè)高衛(wèi)星，搭載了地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)（geoscience laser altimeter system，GLAS），于2009年停止收集數(shù)據(jù)［24］。ICESat-2作為ICESat的后續(xù)衛(wèi)星搭載了先進(jìn)的地形激光測(cè)高儀系統(tǒng)（advanced topographic laser altimeter system，ATLAS）［25］。ICESat-2用 于數(shù)據(jù)采集的多波束光子計(jì)數(shù)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)在于激光儀以極高的重復(fù)頻率（10 kHz）運(yùn)作，極大地提高了沿軌道的分辨率，并提供更密集的數(shù)據(jù)覆蓋范圍和更高精度的數(shù)據(jù)集［26］，為雪深模擬提供更豐富的軌跡點(diǎn)高程數(shù)據(jù)（表1）。本文所需數(shù)據(jù)來自美國(guó)國(guó)家雪冰數(shù)據(jù)中心的陸地和植被高度數(shù)據(jù)集ATL08（https：//nsidc.org/data/atl08/），時(shí)間范圍為2018年10月14日至2019年9月6日。

表1 ICESat-2與ICESat參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison between ICEsat and ICESat-2

1.2.2 被動(dòng)微波雪深數(shù)據(jù)集

因很難獲取ICESat-2軌跡的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)反演雪深進(jìn)行精度評(píng)估，本文首先利用地面雪深觀測(cè)資料評(píng)估目前流行的被動(dòng)微波雪深反演產(chǎn)品，選擇精度最可靠的被動(dòng)微波雪深產(chǎn)品與本研究發(fā)展的ICESat-2雪深反演數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。雖然二者的空間分辨率相差較大，分別為17.5 m和25 km，但是被動(dòng)微波雪深產(chǎn)品在雪深空間差異的模擬方面具有一定的可信度，因此可以間接反映激光雷達(dá)數(shù)據(jù)雪深探測(cè)的效果。

本研究使用2018年10月至2019年3月升軌（13：30 UTC）和降軌（01：30 UTC）的AMSR2雪深產(chǎn)品以及中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集。AMSR2數(shù)據(jù)來源于日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）G-Portal網(wǎng) 站（https：//gportal.jaxa.jp/gpr/index/index）。該數(shù)據(jù)包括0.1°和0.25°兩種空間分辨率［27］，為保證空間分辨率的一致性，本研究采用0.25°雪深產(chǎn)品。中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集（China_SD）是一套基于多傳感器的逐日被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)集，來自國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.tpdc.ac.cn/zhhans/）。該數(shù)據(jù)集的亮度溫度數(shù)據(jù)來自SMMR、SMM/I和SMMI/S這3個(gè)傳感器，經(jīng)過交叉訂正，以提高不同傳感器在時(shí)間上的數(shù)據(jù)一致性［28］。該數(shù)據(jù)在不同區(qū)域采用了不同的算法，在40° N以北的地區(qū)，算法在Chang算法的基礎(chǔ)上引入了森林覆蓋率，同時(shí)引入了動(dòng)態(tài)的反演系數(shù)；在40°N以南的地區(qū)則采用了Che算法［29］。

1.2.3 雪深地面觀測(cè)數(shù)據(jù)

雪深地面觀測(cè)數(shù)據(jù)包括研究區(qū)22個(gè)氣象臺(tái)站提供的積雪深度觀測(cè)數(shù)據(jù)以及研究時(shí)段獲取的49個(gè)野外地面積雪深度觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括2018年10月14日至2019年3月31日共計(jì)2 545個(gè)有效雪深觀測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證被動(dòng)微波雪深產(chǎn)品的精度。

1.2.4 數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）

數(shù)字高程模型來自飛船雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)（shuttle radar topography mission，SRTM）獲取的空間分辨率為90 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)（http：//www.usgs.gov）。該數(shù)據(jù)垂直精度約16 m，水平精度約20 m。由于ICESat-2激光雷達(dá)光子能量存在過飽和、且易受到云尤其是低云的干擾，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)存在較大的誤差。該誤差可以采用與數(shù)字高程模型對(duì)比，設(shè)置一定的閾值進(jìn)行誤差校正的方法，獲取較為可靠的地面高程測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)［30］。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用HDFView-3.1.0讀取ATL08/HDF5文件，使用Python語(yǔ)言對(duì)ATL08數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)提取，獲取時(shí)間（date）、經(jīng)度（longitude）、緯度（latitude）、高程（h_te_best_fit）四個(gè)字段，并以日期為文件名導(dǎo)出csv文件。剔除ICESat-2高程與SRTM DEM差值超過16 m的數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制［30］。圖1展示了ICESat-2經(jīng)過質(zhì)量控制后的部分沿軌跡分布的高程測(cè)量點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過質(zhì)量控制后的ICESat-2在地形復(fù)雜地區(qū)尤其是山區(qū)，出現(xiàn)了大量的數(shù)據(jù)空缺。本研究將2018年10月14日至2019年3月31日的數(shù)據(jù)作為積雪季數(shù)據(jù)，代表該階段的高程數(shù)據(jù)，以記錄來自積雪表面反射回的激光波束得到的高程值。2019年4月1日至2019年9月30日作為無積雪覆蓋的數(shù)據(jù)，代表無積雪覆蓋的陸地表面高程值。

2.2 空間插值

ICESat-2的重復(fù)周期是91 d，但重復(fù)軌道并不完全重合，軌跡點(diǎn)存在漂移，不能采用冬季的軌跡點(diǎn)直接與無積雪覆蓋的軌跡點(diǎn)求取高程差值進(jìn)行雪深提取。本研究首先利用研究時(shí)段無積雪覆蓋的所有軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域插值生成高程面，然后利用冬季的ICESat-2軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)與參考面相減獲取逐個(gè)軌跡點(diǎn)的高程差，即為雪深?？臻g插值包括精確插值和非精確插值，其中精確插值生成的曲面通過控制點(diǎn)，即控制點(diǎn)位置的數(shù)值不發(fā)生變化，為了保證重復(fù)軌跡高程之間的差值誤差達(dá)到最小，本研究最終采用反距離權(quán)重精確插值法（inverse distance weighted，IDW）對(duì)無積雪覆蓋的軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，距離權(quán)重設(shè)置為2，生成參考面。

2.3 雪深提取

基于空間插值的參考高程面，提取冬季ICESat-2逐日軌跡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高程值（Enonsnow），計(jì)算冬季ICESat-2高程值（Esnow）與參考高程值Enonsnow之間的差值，即為雪深值（snow depth，SD），單位為cm［見式（1）］。最后，對(duì)提取的雪深值以0～1 m的范圍進(jìn)行篩選，剔除具有明顯誤差的數(shù)值，由此獲取冬季過境的逐軌跡雪深點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 被動(dòng)微波雪深產(chǎn)品精度評(píng)價(jià)

基于地面雪深觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)AMSR2和中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集（China_SD）進(jìn)行了精度評(píng)價(jià)，并比較了雪深數(shù)據(jù)集在不同土地覆蓋類型下的精度，評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。AMSR2包括升軌（AMSR2_A）和降軌（AMSR2_D）兩種雪深產(chǎn)品，總體而言，誤差表現(xiàn)顯示升軌數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度優(yōu)于降軌產(chǎn)品。但是AMSR2所有產(chǎn)品對(duì)北疆地區(qū)的積雪深度存在高估，誤差均大于零，尤其是降軌的AMSR2雪深產(chǎn)品高估更為嚴(yán)重，25 km的降軌雪深產(chǎn)品平均高估了約10.94 cm。均方根誤差也顯示升軌產(chǎn)品優(yōu)于降軌產(chǎn)品。China_SD雪深時(shí)間序列產(chǎn)品在北疆地區(qū)的精度要優(yōu)于AMSR2雪深產(chǎn)品，均方根誤差為9.03 cm，但整體平均偏差為4.05 cm，對(duì)該地區(qū)的雪深存在低估。土地覆蓋類型對(duì)被動(dòng)微波雪深反演產(chǎn)品的精度都有影響，不同土地覆蓋類型對(duì)被動(dòng)微波雪深反演產(chǎn)品影響的程度不一致，但AMSR2雪深升軌產(chǎn)品在不同土地覆蓋類型下精度都優(yōu)于降軌產(chǎn)品，草地、農(nóng)田和城市區(qū)域的積雪深度誤差相對(duì)較大，裸地表現(xiàn)明顯優(yōu)于其他地表。China_SD雪深產(chǎn)品在不同土地覆蓋類型下雪深反演精度均優(yōu)于AMSR2，城鎮(zhèn)和裸地精度相對(duì)較好。整體而言，AMSR2雪深產(chǎn)品在北疆地區(qū)精度不高且誤差較大，整體存在高估現(xiàn)象，不能準(zhǔn)確地反映北疆地區(qū)雪深狀況。China_SD雪深產(chǎn)品精度相對(duì)可靠，雖然存在一定的低估，但整體精度可以代表北疆地區(qū)雪深空間分布特點(diǎn)，可以作為本文評(píng)估ICESat-2模擬雪深的參考數(shù)據(jù)。

表2 被動(dòng)微波雪深產(chǎn)品精度驗(yàn)證Table 2 Accuracy evaluation of passive microwave snow depth products

3.2 ICESat-2雪深評(píng)估

根據(jù)氣象站點(diǎn)和實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取的雪深數(shù)據(jù)，北疆地區(qū)積雪季根據(jù)積雪深度累積狀況可以分為積雪積累期（10—12月）、穩(wěn)定期（1—2月）和消融期（3—5月）三個(gè)階段，雪深峰值一般出現(xiàn)在2月末。為了評(píng)估本研究基于ICESat-2反演的雪深數(shù)據(jù)，分別選擇2018年12月23日（積累期）、2019年1月3日和2月19日（穩(wěn)定期）、2019年3月6日（消融期）的4條雪深軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)的China_SD雪深產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析（圖2）。如圖所示，不同積雪期ICESat-2反演雪深值在空間上與China_SD雪深產(chǎn)品一致性較高。如圖2（a）顯示12月23日積雪積累期ICESat-2雪深軌跡點(diǎn)分布，有效雪深點(diǎn)數(shù)據(jù)為101個(gè)，雪深值范圍0.9～14.0 cm。China_SD整體雪深值范圍0.3～18.9 cm，高值主要分布在阿爾泰和天山山脈，二者雪深值空間分布顯示出很好的一致性。隨著積雪的不斷累積，積雪深度不斷增加，ICESat-2探測(cè)到雪深的變化，并與China_SD雪深產(chǎn)品在不同積雪季都表現(xiàn)出較好的一致性。相比被動(dòng)微波較粗的空間分辨率，ICESat-2可以提供更加密集的雪深軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)，也比人工雪深觀測(cè)高效省時(shí)，豐富了雪深觀測(cè)的手段。

圖2 ICESat-2雪深軌跡點(diǎn)與China_SD雪深空間分布圖（括號(hào)內(nèi)為有效雪深軌跡點(diǎn)數(shù)量）Fig.2 Schematic diagram of ICESat-2 snow depth footprints and passive microwave snow depth spatial distribution（in brackets is the number of effective snow depth footprints）

圖3顯示了不同積雪季ICESat-2雪深軌跡點(diǎn)與China_SD雪深數(shù)據(jù)沿軌跡點(diǎn)雪深變化的對(duì)比。二者雪深變化的總體趨勢(shì)較為一致，但China_SD雪深變化較為陡峭，不夠平緩，而ICESat-2雪深值具有一定的波動(dòng)，連續(xù)性較好，對(duì)雪深的變化更為敏感。圖3（a）顯示2018年12月23日積雪積累期的ICESat-2反演雪深與China_SD雪深變化對(duì)比，其中ICESat-2反演得到的平均雪深為9.6 cm，最大雪深為14.0 cm。ICESat-2雪深值整體變化趨勢(shì)與China_SD基本一致，但I(xiàn)CESat-2波動(dòng)較為強(qiáng)烈，變化較為連續(xù)，相比被動(dòng)微波產(chǎn)品更能捕捉到積雪的變化細(xì)節(jié)。積雪穩(wěn)定期的雪深較厚，平均雪深大于15 cm，ICESat-2與China_SD雪深吻合度依然很高，ICESat-2的波動(dòng)相比積累期平緩，但依然表現(xiàn)出對(duì)雪深變化更敏感的特性，說明ICESat-2激光雷達(dá)數(shù)據(jù)不但可以提取區(qū)域積雪的深度，而且對(duì)積雪深度的空間變化也比被動(dòng)微波數(shù)據(jù)更加敏感，可以獲取更加詳細(xì)的積雪深度空間變化細(xì)節(jié)，為精細(xì)化積雪深度空間分布提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 ICESat-2沿軌跡點(diǎn)雪深與被動(dòng)微波雪深對(duì)比Fig.3 Comparison of ICESat-2 and passive microwave snow depth along orbit footprints

圖4顯示了研究時(shí)段不同積雪季ICESat-2雪深軌跡點(diǎn)與China_SD雪深數(shù)據(jù)沿軌跡點(diǎn)在經(jīng)度方向的對(duì)應(yīng)雪深對(duì)比。結(jié)果顯示，ICESat-2監(jiān)測(cè)雪深與China_SD具有很高的一致性，僅在雪深小于5 cm時(shí)，二者的差異較大，China_SD積雪深度反演值大多為0，而ICESat-2可以探測(cè)到更多的軌跡點(diǎn)淺雪深度。例如在積雪積累期，處于降雪初期，積雪深度較淺，最大值不超過20 cm，二者的決定系數(shù)僅為0.789，主要是由于China_SD淺雪反演能力差造成。隨著積雪的不斷累積，積雪厚度不斷增加，二者的一致性有所提高，在消融期達(dá)到最高，這是由于研究時(shí)段獲取的ICESat-2數(shù)據(jù)為3月，此時(shí)應(yīng)處于消融初期，因此最大雪深較穩(wěn)定期高，決定系數(shù)為0.951。

圖4 ICESat-2雪深與被動(dòng)微波雪深比較Fig.4 Comparison of ICESat-2 and passive microwave snow depth

4 結(jié)論

被動(dòng)微波雪深產(chǎn)品是目前廣泛用于評(píng)估區(qū)域乃至全球積雪的主要數(shù)據(jù)源，因其較粗的空間分辨率，且缺乏細(xì)節(jié)的空間信息，因此僅適用于大范圍的積雪深度趨勢(shì)變化分析，在積雪定量評(píng)估中存在很大的不確定性。主動(dòng)微波遙感尤其是SAR數(shù)據(jù)在濕雪深度反演方面具有局限性，雪深反演模型的機(jī)理復(fù)雜，必須建立嚴(yán)格物理意義的積雪輻射傳輸模型，輸入?yún)?shù)較多，模型的構(gòu)建和求解過程困難［12］。激光雷達(dá)獲取地物表面的反射信號(hào)，不受積雪特性包括含水量的干擾，以其高精度的測(cè)高數(shù)據(jù)，在積雪深度探測(cè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

北疆地區(qū)是中國(guó)季節(jié)性積雪最為豐富的地區(qū)之一。本文選取的ICESat-2激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，探索了其在積雪深度反演中的應(yīng)用潛力。研究結(jié)果表明，使用無積雪覆蓋季節(jié)的ICESat-2數(shù)據(jù)進(jìn)行插值生成參考高程面，與冬季ICESat-2過境軌跡數(shù)據(jù)對(duì)比可以提取積雪深度信息，具備區(qū)域積雪深度的提取潛力。與經(jīng)過驗(yàn)證的中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列雪深產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，基于ICESat-2數(shù)據(jù)提取的雪深與被動(dòng)微波雪深產(chǎn)品具有很高的一致性，但I(xiàn)CESat-2可以獲取更加連續(xù)的積雪深度空間變化信息。相比被動(dòng)微波數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)對(duì)積雪深度的空間變化更加敏感，可以獲取更加詳細(xì)的積雪深度變化細(xì)節(jié)。該數(shù)據(jù)的大范圍推廣，可為精細(xì)化積雪深度空間分布監(jiān)測(cè)提供更加豐富的數(shù)據(jù)源，也為進(jìn)一步發(fā)展和完善積雪深度遙感反演模型提供參考數(shù)據(jù)。

然而，ICESat-2激光雷達(dá)數(shù)據(jù)受到低云以及能量飽和的影響，導(dǎo)致大量錯(cuò)誤數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)本研究發(fā)展的雪深提取方法造成極大的影響，因此在數(shù)據(jù)預(yù)處理之前，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制是非常必要的。另外，本文基于有無積雪覆蓋的ICESat-2高程數(shù)據(jù)之差提取積雪深度的方法，也存在一定的改進(jìn)空間。如基于空間插值方法對(duì)無積雪覆蓋的高程軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化，形成的參考面數(shù)據(jù)會(huì)受到插值方法的嚴(yán)重影響，進(jìn)而導(dǎo)致提取的雪深產(chǎn)生較大的誤差，尤其是無高程軌跡過境的區(qū)域。因此，高精度的地面數(shù)字高程數(shù)據(jù)，是否可以進(jìn)一步改善ICESat-2雪深提取精度的重要數(shù)據(jù)源，還有賴于后續(xù)研究者的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。最后，如何驗(yàn)證ICESat-2雪深提取的準(zhǔn)確性也是一個(gè)非常重要的問題，沿高程軌跡點(diǎn)進(jìn)行人工測(cè)量雪深可以提供可靠的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，但這種方法需要投入大量的人力物力，而發(fā)展基于主動(dòng)雷達(dá)數(shù)據(jù)的高精度雪深反演方法是一個(gè)有效的途徑，可為進(jìn)一步完善和驗(yàn)證ICESat-2雪深提取方法奠定基礎(chǔ)。