基于遙感與GIS的西藏草原雪災(zāi)監(jiān)測(cè)與評(píng)估*

高懋芳，劉三超，邱建軍，張虹鷗，周 霞

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;2.廣東省環(huán)境科學(xué)與技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室，廣州 510650;3.民政部國(guó)家減災(zāi)中心，北京 100053)

西藏是我國(guó)傳統(tǒng)的五大牧區(qū)之一，有天然草地8 200萬(wàn)hm2，約占全國(guó)天然草地面積的21%，占西藏土地總面積的68.11%。根據(jù)中國(guó)首次統(tǒng)一草地資源調(diào)查，西藏?fù)碛胁莸胤N類(lèi)居全國(guó)各省、自治區(qū)之首，在全國(guó)18個(gè)草地類(lèi)中，西藏就占有17個(gè)草地類(lèi)。無(wú)論河谷、山地均有草地，海拔4 000～4 700m左右的高原則均為草地所占有。全區(qū)草場(chǎng)90%以上為高山草甸和高山草原，牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高。畜牧業(yè)是西藏農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的主體，生產(chǎn)歷史悠久，發(fā)展?jié)摿Υ蟆５?，由于西藏地區(qū)地形復(fù)雜，氣候多變，冬春季節(jié)雪災(zāi)頻繁。在正常情況下，每3年就有1次小型雪災(zāi)，每5～6年有一次中型雪災(zāi)，每8～10年就有一次嚴(yán)重的雪災(zāi)。每當(dāng)中、大型雪災(zāi)降臨，往往造成大量牲畜死亡，交通阻塞，給牧民生活帶來(lái)極大困難，給西藏草業(yè)及畜牧業(yè)發(fā)展帶來(lái)極其嚴(yán)重的損失。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地了解積雪區(qū)域和積雪厚度的分布情況，是草地雪災(zāi)監(jiān)測(cè)和雪災(zāi)危害程度評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，對(duì)于牧區(qū)抗災(zāi)救災(zāi)工作意義重大［1］。

雪災(zāi)嚴(yán)重的地區(qū)通常交通不便，傳統(tǒng)的臺(tái)站式監(jiān)測(cè)難以滿(mǎn)足要求，遙感因其大面積、多波段、及時(shí)快速地獲取信息而得到廣泛地應(yīng)用。早在20世紀(jì)50年代，人類(lèi)就意識(shí)到雪蓋制圖的重要性，之后航空攝影為測(cè)定雪蓋面積提供了較有效而精確的方法。從60年代初TIROS衛(wèi)星提供覆蓋加拿大東部的遙感資料起，即開(kāi)始了衛(wèi)星積雪觀測(cè)。70年代衛(wèi)星雪蓋制圖的潛力，由于系列衛(wèi)星的更新?lián)Q代 (NOAA)、更高時(shí)間分辨率衛(wèi)星如GDES以及更高空間分辨率衛(wèi)星如LANDSAT等衛(wèi)星的出現(xiàn)而得以發(fā)展［2］。80年代以及90年代以來(lái)，隨著地球觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施以及各種微波傳感器的相繼投入使用，積雪遙感監(jiān)測(cè)研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段［3-5］。

1 積雪覆蓋區(qū)遙感監(jiān)測(cè)

1.1 積雪的光譜特性

積雪在可見(jiàn)光波段有很強(qiáng)的反射特性，尤其是新雪，幾乎達(dá)到全反射。圖1顯示了新雪與干旱區(qū)土壤、草地的光譜曲線，從圖1可以看出，積雪在可見(jiàn)光波段與幾種典型地物的光譜有很大的差別。隨著波長(zhǎng)的增加，雪的反射率迅速降低，到了近紅外波段，則顯示出強(qiáng)吸收的特性。衛(wèi)星遙感積雪覆蓋主要是依據(jù)雪在可見(jiàn)光近紅外波段的反射差異。由于積雪在可見(jiàn)光波段的高反射率，通道飽和度成為傳感器進(jìn)行積雪監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)，MODIS傳感器在通道設(shè)計(jì)上具備足夠大的動(dòng)態(tài)范圍，用于檢測(cè)積雪時(shí)可見(jiàn)光通道一般不會(huì)飽和。

1.2 積雪的檢測(cè)方法

圖1 新雪與干旱區(qū)土壤以及草地的光譜特性

MODIS傳感器是美國(guó)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，在已經(jīng)發(fā)射的TERRA和AQUA兩顆衛(wèi)星上均攜帶有該傳感器。MODIS數(shù)據(jù)有 36個(gè)波段，分布在 0.415-14.235μm的波段范圍內(nèi)，空間分辨率為 250m、500m、1 000m，每天可以獲得覆蓋同一地區(qū)白天和晚上一共2～4景圖像。NASA對(duì)MODIS數(shù)據(jù)采取對(duì)地直接廣播的方式傳輸，數(shù)據(jù)獲取方便快捷，數(shù)據(jù)成本低。MODIS傳感器在有星上定標(biāo)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的精度大大提高。根據(jù)以上特點(diǎn)，選取MODIS數(shù)據(jù)作為西藏地區(qū)雪災(zāi)遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估的主要數(shù)據(jù)。用遙感監(jiān)測(cè)雪災(zāi)不但彌補(bǔ)了地面臺(tái)站空間間隔大，邊遠(yuǎn)高寒山區(qū)地面觀測(cè)人員無(wú)法到達(dá)的缺陷，而且能夠更直觀準(zhǔn)確地對(duì)積雪區(qū)域進(jìn)行判識(shí)，比傳統(tǒng)方法有著很大的優(yōu)越性。

積雪表面在MODIS數(shù)據(jù)的第4波段 (0.545～0.565μm)有高反射，在第6波段 (1.628～1.652μm)的反射率相對(duì)較低。因此歸一化雪蓋指數(shù) (Normalized Difference Snow Index，NDSI)被廣泛的用于積雪覆蓋區(qū)的檢測(cè)，計(jì)算NDSI的公式如下［6］:

式中Band4、Band6分別是MODIS數(shù)據(jù)第4波段、第6波段的反射率，可以根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)的灰度值和頭文件用下面的公式來(lái)計(jì)算。

式中Bandi是MODIS數(shù)據(jù)第4、6波段的反射率，DN是MODIS 1B數(shù)據(jù)相應(yīng)波段的灰度值，Offsets和Scales可以從HDF數(shù)據(jù)的頭文件中讀取。

MODIS數(shù)據(jù)的第二波段用來(lái)去除云的影響，圖2顯示了用于西藏地區(qū)積雪覆蓋區(qū)檢測(cè)的流程圖。計(jì)算得到NDSI后，再根據(jù)NDSI的大小以及MODIS數(shù)據(jù)第2、4波段的反射率大小關(guān)系來(lái)判斷每一個(gè)像元是否是積雪。如果NDSI≥0.4，第2波段的反射率＞11%，并且第4波段的反射率＞10%，則判定該像元為積雪［6］。

2 雪災(zāi)評(píng)估方法

2.1 云覆蓋區(qū)的積雪估算

MODIS積雪覆蓋算法使用可見(jiàn)光和近紅外波段數(shù)據(jù)檢測(cè)積雪覆蓋面積，然而，雪災(zāi)發(fā)生過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)有大面積的云覆蓋區(qū)，可見(jiàn)光近紅外波段無(wú)法獲取厚云覆蓋區(qū)的地表信息。因此，只利用MODIS云檢測(cè)算法往往無(wú)法獲取足夠的信息進(jìn)行雪災(zāi)監(jiān)測(cè)，為了更精確地進(jìn)行雪災(zāi)評(píng)估，該研究估算云區(qū)積雪覆蓋的可能性。MODIS大氣組開(kāi)發(fā)了云產(chǎn)品，把所有像元分成了4類(lèi):確定有云、可能有云、可能晴空、確定晴空。對(duì)于確定晴空和可能晴空的兩類(lèi)像元，直接利用MODIS積雪檢測(cè)算法，對(duì)于確定有云和可能有云的兩類(lèi)像元，估算積雪覆蓋的可能性。

云是降雪的主要前提條件。因此，利用云信息來(lái)估算積雪覆蓋的可能性是比較合理的，有厚云的地區(qū)降雪的可能性比晴空的地區(qū)明顯要大很多。對(duì)于雪災(zāi)評(píng)估，該研究假定在確定有云的地區(qū)降雪的可能性是50%，而在可能有云的地區(qū)降雪的可能性是25%。雖然這種假設(shè)對(duì)于積雪覆蓋的估算需要進(jìn)一步的驗(yàn)證，但對(duì)于雪災(zāi)評(píng)估是有很重要意義的。

圖2 積雪檢測(cè)流程

2.2 數(shù)字地形模型

數(shù)字地形模型對(duì)于積雪覆蓋區(qū)的檢測(cè)以及雪災(zāi)評(píng)估都有很重要的意義［7］。西藏位于青藏高原腹地，被稱(chēng)為“世界屋脊”或“地球的第三極”，平均海拔4 700m，世界最高峰珠穆朗瑪峰就位于西藏的南緣，海拔8 844m。西藏只有大約10%的國(guó)土海拔低于4 000m，主要分布在雅魯藏布江河谷以及東南部分地區(qū)。海拔在4 000～5 000m的區(qū)域面積約為60萬(wàn)km2，占總面積的一半，另外約39%的地區(qū)海拔在5 000～6 000m。坡度和坡向可以直接由DEM計(jì)算得出，約有20%區(qū)域坡度大于10度，主要分布在高山地區(qū)，另外有約4 000km2的區(qū)域坡度大于30度。

地形和氣候是地表覆蓋類(lèi)型的主要驅(qū)動(dòng)因素，西藏90%以上的農(nóng)田、林地和灌叢都分布在海拔3 000～5 000m的地區(qū)，這些區(qū)域的降水與溫度比海拔更高的地區(qū)更適合作物以及樹(shù)木的生長(zhǎng)。所有的湖泊水庫(kù)都位于4 000～6 000m海拔的地區(qū)，其中96%的湖泊分布在海拔4 000～5 000m的區(qū)域。幾乎所有的沙漠和裸地都分布在4 000～6 000m的高山上，高于5 000m的山峰大多被永久性冰川和積雪覆蓋。草地在高原上的分布最廣，低于3 000m的地區(qū)有95%的面積是草地，3 000～6 000m的區(qū)域有77%是草地。

2.3 雪災(zāi)評(píng)估過(guò)程

雪災(zāi)評(píng)估基于研究區(qū)概況、積雪覆蓋面積、土地利用類(lèi)型、數(shù)字地形模型等數(shù)據(jù)，該研究所采用的方法結(jié)合了遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)。圖3給出了整個(gè)雪災(zāi)評(píng)估的過(guò)程，MODIS數(shù)據(jù)用于檢測(cè)積雪覆蓋區(qū)域并進(jìn)行云檢測(cè)，然后利用云檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)估算云區(qū)積雪覆蓋的可能性。結(jié)合積雪覆蓋監(jiān)測(cè)以及云區(qū)估算的結(jié)果，得到每一景MODIS數(shù)據(jù)上的積雪覆蓋圖，該研究利用TERRA和AQUA雙星的數(shù)據(jù)，可以得到一個(gè)地區(qū)每天2～4景數(shù)據(jù)。有時(shí)只利用一景數(shù)據(jù)無(wú)法覆蓋整個(gè)西藏自治區(qū)，多景圖像的合成技術(shù)對(duì)雪災(zāi)評(píng)估的精度提高也有比較重要的作用。

雪災(zāi)評(píng)估中還要用到GIS空間分析，積雪覆蓋監(jiān)測(cè)中得到的區(qū)域通常會(huì)含有一些并不感興趣的地區(qū)，比如裸地和永久性冰川等。首先要用邊界線矢量裁剪得到西藏范圍內(nèi)的積雪覆蓋圖，圖4顯示的是所有土地利用類(lèi)型上的積雪覆蓋狀況，如果統(tǒng)計(jì)所有積雪區(qū)的面積來(lái)進(jìn)行雪災(zāi)評(píng)估則勢(shì)必會(huì)帶來(lái)一定的誤差，因?yàn)檠?zāi)不會(huì)在裸地或者永久性冰川上發(fā)生，盡管這里的積雪厚度可能會(huì)很大。最嚴(yán)重的雪災(zāi)經(jīng)常發(fā)生在牧民生活的草地上，這里有很多牧民所賴(lài)以生存的牲畜，他們沒(méi)有堅(jiān)固的房子用以躲避風(fēng)雪，只有一頂簡(jiǎn)陋的帳篷，幾乎所有的牲畜都沒(méi)有圈棚，直接在草地上生活。一旦積雪覆蓋了草地，牲畜吃不到草，也沒(méi)有足夠的飼料，經(jīng)常會(huì)有大量的牲畜因凍餓交加而死。雪災(zāi)一般很少會(huì)在農(nóng)區(qū)、林地以及灌叢地發(fā)生，因此，該研究?jī)H考慮草地上的雪災(zāi)。

為了得到草地上的積雪覆蓋區(qū)，把土地利用類(lèi)型圖由矢量轉(zhuǎn)成與遙感數(shù)據(jù)相同分辨率的柵格數(shù)據(jù)，在新的柵格數(shù)據(jù)上，所有的草地都賦值為1，非草地賦值為0，最后把得到的柵格數(shù)據(jù)同積雪覆蓋區(qū)數(shù)據(jù)相乘，得到草地上的積雪覆蓋圖。積雪覆蓋區(qū)統(tǒng)計(jì)圖將展示雪災(zāi)發(fā)生過(guò)程中積雪覆蓋的變化序列，同時(shí)將將積雪覆蓋圖與數(shù)字地形模型結(jié)合進(jìn)行綜合分析。DEM數(shù)據(jù)像元被分成7類(lèi)，分別是＜1 000m、1 000～2 000m、2 000～3 000m、3 000～4 000m、4 000～5 000m、5 000～6 000m、＞6000m。積雪覆蓋區(qū)統(tǒng)計(jì)將分別針對(duì)不同高度范圍進(jìn)行計(jì)算，得出積雪分布同高度的關(guān)系，以更好地完成雪災(zāi)評(píng)估。

圖3 雪災(zāi)評(píng)估流程

3 結(jié)果分析

3.1 研究區(qū)彩色合成圖

由于地勢(shì)高，地形起伏大，氣候類(lèi)型復(fù)雜，西藏在每年10月中旬至次年4月中旬經(jīng)常受到暴風(fēng)雪的襲擊，其中2007年3月10～14日就遭受了一次嚴(yán)重的雪災(zāi)。從一系列的MODIS衛(wèi)星遙感圖上，可以檢測(cè)積雪覆蓋區(qū)的變化情況，進(jìn)而評(píng)估雪災(zāi)影響。利用MODIS數(shù)據(jù)的多波段合成圖可以很好的顯示研究區(qū)的地表狀況，圖4顯示了2007年3月8日雪災(zāi)發(fā)生前的地表狀況。從這個(gè)圖4可以看出，3月8日西藏全境幾乎都是晴朗無(wú)云的，主要的土地利用類(lèi)型非常容易分辨，暗色的點(diǎn)表示的是高原上的湖泊，南部邊緣部分是少量的云。在隨后的幾天里，大雪降臨青藏高原，厚厚的云層擋住了視線，從多波段合成圖上就很難分辨出地表狀況了。

3.2 積雪覆蓋區(qū)變化及雪災(zāi)評(píng)估

根據(jù)該文第二部分中提到的方法，檢測(cè)出了西藏2007年3月8～15日草地上的積雪覆蓋狀況，如圖5所示。由于3月9日也是一個(gè)晴天，但數(shù)據(jù)質(zhì)量沒(méi)有3月8日的好，因此這一天的數(shù)據(jù)沒(méi)有包括。圖5淺色顯示的是晴空并且沒(méi)有被積雪覆蓋的區(qū)域，由于雪災(zāi)評(píng)估中只考慮草地，因此非草地的區(qū)域單獨(dú)標(biāo)出，另外標(biāo)出了覆蓋區(qū)，確定有云區(qū)，可能有云區(qū)，以及永久積雪區(qū)。

積雪覆蓋的時(shí)空變化可以非常清楚地從以上的一系列圖上看出，總的來(lái)說(shuō)，從3月8～15日，監(jiān)測(cè)到的積雪覆蓋面積是不斷增大的，表1給出了積雪覆蓋區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。從圖5和表1中可以分析雪災(zāi)的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，并評(píng)估此次雪災(zāi)的強(qiáng)度。圖5-A顯示的是雪災(zāi)發(fā)生前的地表狀況，大于70%草地沒(méi)有被積雪覆蓋，確定有云和可能有云的像元比例分別是15%和7%，有云的區(qū)域主要分布在東南角，只有6.23%的像元被積雪覆蓋，這對(duì)于牧民生活來(lái)說(shuō)是可以接受的。

從3月10日起，云層開(kāi)始在西部邊緣以及東部地區(qū)累積，到了3月11日，小范圍的雪災(zāi)開(kāi)始在東南部分發(fā)生，與此同時(shí)，厚云繼續(xù)在西部以及北部大部分地區(qū)累積。在3月10～12日期間，超過(guò)55%的草地被云覆蓋，一場(chǎng)大的暴風(fēng)雪正在醞釀。

暴風(fēng)雪在3月12日下午襲擊了西藏的西部和南部，連接新疆和西藏的公路上積雪厚度超過(guò)50cm，在進(jìn)入普蘭縣的公路上，最深的積雪達(dá)到150cm，交通被完全阻斷，電力和通訊設(shè)施也無(wú)法運(yùn)行，普蘭縣成為了一個(gè)孤島。大量的牲畜因凍餓交加而死，有的甚至被厚厚的積雪所掩埋。大雪也給這里的牧民生活帶來(lái)了嚴(yán)重困難，溫度驟然降至零下30℃以下，很多牧民的帳篷被毀，沒(méi)有足夠的干糧，患感冒和凍傷的牧民增多，卻沒(méi)有足夠的醫(yī)生和藥品來(lái)對(duì)他們進(jìn)行及時(shí)的救治。

雪災(zāi)在接下去的3天里繼續(xù)惡化，圖5E-G中深色區(qū)顯示了雪災(zāi)中心的分布情況。表1給出了西藏此次雪災(zāi)過(guò)程中積雪覆蓋面積和雪災(zāi)發(fā)生面積的統(tǒng)計(jì)，雪災(zāi)發(fā)生過(guò)程中，西藏超過(guò)70%面積被厚云覆蓋，在3月13～15日期間，雪災(zāi)發(fā)生面積約為40萬(wàn)km2。

圖4 2007年3月8日雪災(zāi)前西藏地區(qū)多波段合成

圖5 西藏自治區(qū)2007年3月中旬積雪覆蓋區(qū)及雪災(zāi)評(píng)估(圖A－G顯示了3月8、9～15日雪災(zāi)影響范圍變化過(guò)程)

表1 積雪覆蓋面積和雪災(zāi)評(píng)估統(tǒng)計(jì) 萬(wàn)hm2

3.3 不同高程的積雪覆蓋區(qū)

數(shù)字地形模型對(duì)于雪災(zāi)評(píng)估有著非常重要的意義，可以計(jì)算地形參數(shù)，校正太陽(yáng)高度角，計(jì)算積雪厚度，能夠在很大程度上提高雪災(zāi)評(píng)估的精度。在前一步雪災(zāi)評(píng)估的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)出不同高度上雪災(zāi)發(fā)生的面積，如表2所示。雪災(zāi)發(fā)生的面積有95%以上集中在4 000～6 000m的高度范圍內(nèi)，其中在4 000～5 000m的高度范圍內(nèi)，有22.5萬(wàn)km2，約占雪災(zāi)總面積的一半。

表2 不同高度范圍上雪災(zāi)發(fā)生面積統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

該研究基于遙感數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)，數(shù)字地形模型，以及基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，探討了西藏地區(qū)雪災(zāi)評(píng)估的方法。積雪以及云檢測(cè)是確定雪災(zāi)嚴(yán)重程度的關(guān)鍵因素，針對(duì)雪災(zāi)發(fā)生過(guò)程中可見(jiàn)光近紅外波段無(wú)法獲取厚云覆蓋區(qū)數(shù)據(jù)的問(wèn)題，該研究提出了估算厚云區(qū)積雪覆蓋可能性的方法。積雪以及云區(qū)的發(fā)展變化過(guò)程分析是雪災(zāi)評(píng)估的前提，土地利用數(shù)據(jù)用于研究西藏地表覆蓋狀況并找到草地分布范圍，DEM用來(lái)校正積雪覆蓋區(qū)范圍并統(tǒng)計(jì)不同高度范圍內(nèi)的積雪覆蓋面積。結(jié)合遙感以及基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，可以給雪災(zāi)救援等提供寶貴的資料。

該研究深入分析了發(fā)生于2007年3月中旬的雪災(zāi)過(guò)程，大面積的草地被積雪覆蓋，給當(dāng)?shù)氐哪撩駧?lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。結(jié)果表明，該研究提出的方法可以有效地監(jiān)測(cè)西藏雪災(zāi)發(fā)生過(guò)程，評(píng)估雪災(zāi)損失。經(jīng)過(guò)一定的修正之后，該方法同樣適用于其他地區(qū)的雪災(zāi)監(jiān)測(cè)及雪災(zāi)損失評(píng)估。2008年春，50年一遇的大雪襲擊了我國(guó)南方7省份，給電力供應(yīng)、交通以及通訊等基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)了非常嚴(yán)重的破壞，這次嚴(yán)重的雪災(zāi)引起了全國(guó)廣泛的關(guān)注，雪災(zāi)監(jiān)測(cè)以及雪災(zāi)損失評(píng)估也將成為今后研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 史培軍，陳晉.RS與GIS支持下的草地雪災(zāi)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究.地理學(xué)報(bào)，1996，51(4):296～305

2 陳賢章，李新，魯安新，等.積雪定量化遙感研究進(jìn)展，遙感技術(shù)與應(yīng)用，1996，11(4):46～52

3 馮學(xué)智，陳賢章.雪冰遙感20年的進(jìn)展與成果.冰川凍土，1998，20(3):245～248

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5 周清波.國(guó)內(nèi)外農(nóng)情遙感現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2004，25(5):9～14

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