基于結(jié)構(gòu)相似度的巴丹吉林沙漠地表反照率時(shí)空分布特征

賀 鵬，鄭新倩，徐立帥，楊 帆

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 晉中 030801；2.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002；3.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國(guó)氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，新疆 烏魯木齊 830002）

地表反照率是地球表面反射的太陽(yáng)輻射總能量與入射的太陽(yáng)總輻射能量之間的比值[1]，對(duì)全球氣候變化影響較大，是監(jiān)測(cè)地—?dú)庀嗷プ饔煤湍芰渴罩胶獾闹匾獏?shù)[2-4]。在干旱半干旱地區(qū)，地表反照率的變化對(duì)區(qū)域能量平衡和水熱交換具有較大影響，干旱半干旱地區(qū)由于缺乏降雨而導(dǎo)致植被較少，地表反照率相對(duì)較大，地表獲得的凈輻射量較小，相應(yīng)的感熱通量和潛熱通量較小，造成大氣輻射上升減弱，云和降水減少，進(jìn)而導(dǎo)致該地區(qū)的持續(xù)干旱。區(qū)域地表反照率的突然增加也可促進(jìn)沙漠的形成[5-8]。因此，在干旱半干旱地區(qū)，尤其在沙漠地區(qū)準(zhǔn)確獲取地表反照率并分析其分布和變化特征，對(duì)研究區(qū)域氣候變化、能量平衡和沙漠成因具有重要意義。

巴丹吉林沙漠地處阿拉善高原中心，位于東亞夏季風(fēng)的西北緣，屬于氣候變化的敏感區(qū)[9-10]，在全球氣候變化的大背景下，研究巴丹吉林沙漠反照率的變化規(guī)律，是揭示西北地區(qū)東亞夏季風(fēng)進(jìn)退的關(guān)鍵所在，對(duì)認(rèn)識(shí)東亞乃至全球氣候變化和能量循環(huán)具有重要意義[11-13]。但長(zhǎng)期以來(lái)受到環(huán)境惡劣、可進(jìn)入性差等因素的影響，沙漠腹地地表反照率數(shù)據(jù)獲取難度較大且數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，常通過(guò)沙漠周邊外圍陸氣通量監(jiān)測(cè)站獲取地面輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)及相應(yīng)氣象資料計(jì)算地表反照率，以研究整個(gè)巴丹吉林沙漠地表反照率時(shí)空變化特征[14-15]。相比實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，利用遙感監(jiān)測(cè)手段可較快獲得連續(xù)分布區(qū)域的地表反照率。許多學(xué)者基于NOAA-AVHRR和MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行地表反照率時(shí)空分布特征的研究，發(fā)現(xiàn)在天氣尺度上太陽(yáng)高度角是影響地表反照率變化的主要因素，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上影響地表反照率的因素主要有降水、地表溫度、下墊面類型及地表覆蓋類型，但在不同地區(qū)地表反照率變化趨勢(shì)存在明顯差異[16-19]。在遙感反演地表反照率的過(guò)程中，某些處理會(huì)簡(jiǎn)化假設(shè)，導(dǎo)致信息丟失，同時(shí)由于缺乏大范圍的地表反照率實(shí)測(cè)資料，遙感反演精度驗(yàn)證較為困難。本文以MODIS黑空短波地表反照率產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，利用結(jié)構(gòu)相似度（Structural Similarity，SSIM）分析和探討巴丹吉林沙漠地表反照率時(shí)空變化特征。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

巴丹吉林沙漠位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，東臨宗乃山，西至古日乃湖，北達(dá)拐子湖，南接合黎山、北大山和雅布賴山（圖1）。沙漠總面積為5.2×104km2，下墊面類型主要包括流動(dòng)沙地、半流動(dòng)沙地、半固定沙地和固定沙地，其中流動(dòng)沙地和半流動(dòng)沙地分別占到沙漠總面積的88.5%和10.2%。沙漠地勢(shì)表現(xiàn)為東南高、西北低，東南部沙丘高大密集，西部地勢(shì)平坦緊鄰黑河流域，北部地勢(shì)最低。氣溫隨季節(jié)變化明顯，冬季寒冷干燥，夏季高溫炎熱，降水稀少且多集中于夏季，風(fēng)向多為西北風(fēng)，年平均風(fēng)速為4 m/s[20]。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

MODIS地表反照率數(shù)據(jù)MCD43A3（空間分辨率500 m）采用MODLAND正弦投影，其投影編號(hào)H25V04、H25V05和H26V05區(qū)域可覆蓋巴丹吉林沙漠，本文在合成2018年天氣尺度MCD43A3地表反照率數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。選擇MCD43A3地表反照率數(shù)據(jù)中的黑空短波地表反照率[21]作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用諧波分析方法[22]重構(gòu)黑空短波地表反照率數(shù)據(jù)的時(shí)間序列，并合成月尺度黑空短波地表反照率數(shù)據(jù)。

結(jié)構(gòu)相似度是從圖像組成方面來(lái)表達(dá)結(jié)構(gòu)信息，主要要素包括亮度、對(duì)比度和結(jié)構(gòu)度。設(shè)X、Y分別為圖像中以某2個(gè)像元為中心的3×3矩陣，X和Y的結(jié)構(gòu)相似度為：

其中，

式中：l（X，Y）為亮度比較函數(shù)，C（X，Y）為對(duì)比度比較函數(shù)，s（X，Y）為結(jié)構(gòu)比較函數(shù)，μX、μY為X、Y子塊反照率的均值；δX、δY為X、Y子塊反照率的方差，δXY為X、Y子塊反照率的協(xié)方差。α、β、γ 參數(shù)，用來(lái)調(diào)整3個(gè)比較函數(shù)所占比重，取α=β=γ=1。C1、C2、C3為常量，用于避免分式出現(xiàn)異常情況而引入。將式（2）、（3）、（4）代入（1）簡(jiǎn)化為：

將研究區(qū)左上角第1行的3×3像元矩陣定義為X域，向右1列3×3像元矩陣定義為Y域，依次對(duì)所有行進(jìn)行循環(huán)，計(jì)算SSIM值。區(qū)域SSIM值越高，說(shuō)明2個(gè)3×3像元矩陣之間的結(jié)構(gòu)差異越小，即地表反照率差異越小。反之則表示地表反照率差異較大。以月尺度黑空短波地表反照率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算巴丹吉林沙漠地表反照率SSIM值，并對(duì)沙漠地表反照率時(shí)空分布特征進(jìn)行研究和討論。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表反照率月際變化

合成2018年巴丹吉林沙漠月尺度地表反照率并進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果如圖2所示。沙漠地表反照率從1月和2月開始逐漸減小，并在7月出現(xiàn)最小值，8月開始反照率呈遞增趨勢(shì)，且在12月達(dá)到峰值。1和2月沙漠地表反照率偏高，分布區(qū)間為0.22～0.3，且反照率空間差異較明顯，表現(xiàn)為東南高、西北低。3—7月，地表反照率呈遞減趨勢(shì)，反照率主要分布區(qū)間降至0.2～0.25，地表反照率空間差異性進(jìn)一步增強(qiáng)，即東南地區(qū)和西北地區(qū)地表反照率差異變大，西部黑水下游弱水東岸至古日乃湖現(xiàn)代干涸湖盆之間、北部拐子湖現(xiàn)代干涸盆地地區(qū)地表反照率減少速率快于南部北大山和東南部雅布賴山附近區(qū)域。8—12月，沙漠地表反照率逐漸增加并在12月出現(xiàn)最大值（0.66），地表反照率空間差異性減弱，其中湖泊分布區(qū)、雅布賴山以西和拐子湖以南地區(qū)地表反照率增速最快。

2.2 結(jié)構(gòu)相似度時(shí)間變化特征

圖3顯示了巴丹吉林沙漠地表反照率結(jié)構(gòu)相似度時(shí)間變化特征。1—5月SSIM值總體呈遞增趨勢(shì)，均值由0.68增長(zhǎng)到0.86，沙漠地表反照率空間差異性減小。沙漠西北部橫向沙丘地區(qū)SSIM值增加速度和范圍均高于東南部高大沙山地區(qū)，到5月拐子湖東南地區(qū)和古日乃湖西南部地區(qū)SSIM值達(dá)到最大值，但在宗乃山以西部分地區(qū)4—5月出現(xiàn)SSIM值降低現(xiàn)象。6—8月SSIM值逐步減少，在沙漠腹地SSIM值下降最明顯，且在東南湖泊區(qū)域出現(xiàn)SSIM值＜0.2的區(qū)域。進(jìn)入秋冬后，SSIM值空間差異增大，具體表現(xiàn)為沙漠腹地低，邊緣高。9—12月沙漠地表反照率SSIM值均值由0.8減少到0.71，沙漠腹地SSIM值集中分布區(qū)間由0.6～0.8減少到0.4～0.6，而邊緣則由0.8～1.0減少到0.6～0.8。在S218國(guó)道西南地區(qū)SSIM變化不顯著，保持在0.8～1.0。

將巴丹吉林沙漠月尺度結(jié)構(gòu)相似度分為低值分布區(qū)間（0～0.2）、中低值分布區(qū)間（0.2～0.4）、中值分布區(qū)間（0.4～0.6）、中高值分布區(qū)間（0.6～0.8）和高值分布區(qū)間（0.8～1）（表1）。不同分布區(qū)間隨月尺度時(shí)間變化呈不同變化趨勢(shì)，低值分布區(qū)間和中低值分布區(qū)間像元比例呈先減小后增大趨勢(shì)，在5月達(dá)到最小值，同時(shí)在1月達(dá)到最大值且中低值分布區(qū)間隨時(shí)間變化幅度明顯大于低值分布區(qū)間，說(shuō)明低值分布區(qū)間像元比例受時(shí)間變化影響較小。中高值分布區(qū)間和高值分布區(qū)間像元比例隨時(shí)間變化先增大后減小，最大值分別在8月和5月，最小值在4月和1月出現(xiàn)，高值分布區(qū)間在1月和12月較其余月份降幅明顯。中值分布區(qū)間像元比例隨時(shí)間變化的幅度較大，整體趨勢(shì)為先減少后增大。

計(jì)算巴丹吉林沙漠季節(jié)尺度結(jié)構(gòu)相似度并依據(jù)表1的分類標(biāo)準(zhǔn)，分為低值分布區(qū)間（0～0.2）、中低值分布區(qū)間（0.2～0.4）、中值分布區(qū)間（0.4～0.6）、中高值分布區(qū)間（0.6～0.8）和高值分布區(qū)間（0.8～1）（表2）。不同季節(jié)各分布區(qū)間所占比重差異顯著，春季和秋季中高值和高值分布區(qū)間像元占所有像元的比例分別為97.94%和96.83%，說(shuō)明春、秋兩季沙漠反照率整體均質(zhì)性較好，夏季、冬季反照率空間差異性則呈逐漸增大趨勢(shì)，其中冬季高值分布區(qū)間像元僅占所有像元的28.95%，空間差異性達(dá)到最大。

2.3 結(jié)構(gòu)相似度空間分布特征

圖2 2018年巴丹吉林沙漠地表反照率時(shí)間變化

圖3 地表反照率結(jié)構(gòu)相似度時(shí)間變化特征

表1 月尺度結(jié)構(gòu)相似度分級(jí)區(qū)間像元所占比例/%

表2 季節(jié)尺度結(jié)構(gòu)相似度分級(jí)區(qū)間像元所占比例 %

計(jì)算季節(jié)尺度地表反照率結(jié)構(gòu)相似度，結(jié)果如圖4所示。根據(jù)沙丘空間分布特點(diǎn)和形態(tài)[23]將巴丹吉林沙漠分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)，其中Ⅰ區(qū)位于西部和北部邊緣地帶，沙丘高度較小，形態(tài)簡(jiǎn)單，以新月形沙丘、縱向沙壟、新月形沙壟為主；Ⅱ區(qū)為研究區(qū)中部，沙丘密集分布地區(qū)，面積占比最大，以新月形沙丘和沙丘鏈為代表，形態(tài)和結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，高度明顯增加；Ⅲ區(qū)位于沙漠東部，以高大沙山分布為主，沙丘主要類型是星狀沙山和復(fù)合型沙山，形態(tài)復(fù)雜卻相對(duì)穩(wěn)定。Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)SSIM值隨季節(jié)變化均表現(xiàn)為春季最大，秋、夏次之，冬季最小，同時(shí)Ⅱ區(qū)SSIM值季節(jié)變化幅度明顯高于Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)；SSIM值除秋季外，均為Ⅰ區(qū)最大，Ⅲ區(qū)次之，Ⅱ區(qū)最?。ㄇ锛維SIM值Ⅲ區(qū)大于Ⅰ區(qū)）。

圖4 季節(jié)尺度地表反照率結(jié)構(gòu)相似度

圖5為年尺度地表反照率結(jié)構(gòu)相似度。巴丹吉林沙漠地表反照率空間差異性顯著，SSIM值分布區(qū)間為0.4～0.6和0.6～0.7的區(qū)域所占面積比例分別為0.84%和14.09%，主要分布在沙漠腹地，其中SSIM值＜0.6的區(qū)域集中在湖泊分布區(qū)。SSIM值由沙漠腹地向外沿展呈遞增趨勢(shì)，分布區(qū)間由0.4～0.7提高到0.7～0.9，SSIM值為0.7～0.9區(qū)域占沙漠總面積的78.95%，表明沙漠地表反照率整體均質(zhì)性較好。有6.12%的區(qū)域SSIM值分布區(qū)間為0.9～1.0，分布地區(qū)以沙漠邊緣為主，同時(shí)在拐子湖西南地區(qū)和宗乃山東南地SSIM值達(dá)到最大。

圖5 年際地表反照率結(jié)構(gòu)相似度

3 討論

前人相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[24-26]，降水量是影響地表反照率年際變化的重要?dú)庀笠蛩?。冬季冰雪覆蓋區(qū)域地表反照率明顯高于未覆蓋地區(qū)；夏季和秋季中國(guó)大部地區(qū)降水相對(duì)較多，同時(shí)地表植被覆蓋較大，土壤濕度較大導(dǎo)致地表反照率處于全年最低時(shí)期，但植被覆蓋和土壤濕度對(duì)地表反照率的影響機(jī)制具有較大爭(zhēng)議。對(duì)比圖2和圖6可知，巴丹吉林沙漠地表反照率受到降水影響較大，初春沙漠干燥，沙塵天氣較多，地表沙粒相對(duì)較粗且包含大量透明度較高的石英顆粒[27]，地表反照率較高。夏季沙漠受到降水增多的影響，沙土濕度增大，地表反照率減?。磺锬┏醵瑫r(shí)降水減少，地表反照率隨之增大；冬季沙漠區(qū)地表溫度較低且部分高海拔地區(qū)存在積雪，地表反照率達(dá)到最大值。同時(shí)由于巴丹吉林沙漠高程差異較大，海拔較高處地表反照率普遍偏高且隨季節(jié)變化幅度小于平坦地區(qū)，其作用機(jī)理仍存在不確定性[28-29]。

圖6 巴丹吉林沙漠逐月平均降水量（降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[36]）

利用結(jié)構(gòu)相似度能較好的提取和表達(dá)空間的相似性[30-31]，同時(shí)結(jié)合遙感影像高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)可以從時(shí)間和空間上對(duì)區(qū)域變化特征進(jìn)行有效提取[32]。巴丹吉林沙漠春季受到西北風(fēng)影響，沙塵暴頻繁，揚(yáng)塵覆蓋范圍較廣，區(qū)域氣溶膠濃度和厚度增加[33-34]，會(huì)弱化不同下墊面類型地表反照率之間的差異，造成巴丹吉林沙漠地表反照率SSIM值普遍偏高，其中對(duì)以流動(dòng)沙地為主的西北部和北部影響最大，西北—東南方向上，風(fēng)速隨著沙丘高度的增加呈遞減趨勢(shì)，SSIM值減小趨勢(shì)明顯。夏季隨著沙塵天氣的減少，不同地表類型的反照率呈差異變化，同時(shí)由于降水的大幅度增加且空間分布的不均會(huì)進(jìn)一步加劇不同下墊面地表反照率的空間差異性[35]，SSIM值呈減小趨勢(shì)，這種減小趨勢(shì)在沙漠腹地東南湖泊分布區(qū)最顯著。進(jìn)入秋季，隨著季節(jié)性降水的減少，沙漠邊緣SSIM值較夏季增幅明顯，9—11月下墊面地表溫度降低趨勢(shì)差異顯著，地表反照率空間差異性增大，SSIM值降低，其中東部高大沙山受到海拔高度影響，減小趨勢(shì)較緩，SSIM值較大。冬季部分高海拔地區(qū)和湖盆區(qū)存在冰雪，地表反照率遠(yuǎn)高于未覆蓋地區(qū)，空間差異性顯著，SSIM值達(dá)到最小。

結(jié)合空間分辨率為30 m的DEM（圖7）分析可知，沙漠地表反照率空間差異性的主要影響因素是形態(tài)參數(shù)（沙丘數(shù)量和間距）。巴丹吉林沙漠腹地沙丘數(shù)量較多且間距較小，沙丘與丘間地之間形態(tài)差異明顯，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，造成沙漠腹地SSIM值較低，而在東南湖泊分布區(qū)由于水體和沙丘地表反照率差異較大，相似程度最低，SSIM值基本＜0.6。沙漠腹地向西北湖盆區(qū)和北部沙漠區(qū)擴(kuò)展過(guò)程中沙丘形態(tài)由新月形沙丘和沙丘鏈過(guò)渡為縱向沙壟和新月形沙壟，形態(tài)趨于簡(jiǎn)單，高度降幅顯著。沙漠東部以高大沙山分布為主，沙丘主要類型是星狀沙山和復(fù)合型沙山，形態(tài)復(fù)雜卻相對(duì)穩(wěn)定。從沙漠腹地向外擴(kuò)展到邊緣的過(guò)程，沙丘數(shù)量逐漸減少，間距增大，空間差異性降低，SSIM值呈增大趨勢(shì)，其中宗乃山東南地區(qū)和拐子湖西南地區(qū)地表覆蓋類型分別為流動(dòng)沙地和半流動(dòng)沙地，類型單一，SSIM值達(dá)到最大。

圖7 巴丹吉林沙漠DEM及主要沙丘形態(tài)

4 結(jié)論

巴丹吉林沙漠地表反照率受降水影響，表現(xiàn)為冬季最大，春秋次之，夏季最小。不同海拔高度地表反照率存在明顯差異，在高海拔地區(qū)，地表反照率偏大且隨時(shí)間發(fā)生變化的幅度較小。

不同季節(jié)地表反照率空間特征差異性較大。春季受西北風(fēng)影響地表反照率空間差異較小，在西北—東南風(fēng)向上，地表反照率空間差異性增大趨勢(shì)明顯。夏季由于大幅降水和降水的空間分布不均導(dǎo)致地表反照率空間差異性逐漸增大，差異性在沙漠腹地湖泊分布區(qū)最顯著。在秋冬由于不同海拔高度的差異，地表溫度降低速度不同，地表反照率空間差異性呈遞增趨勢(shì)。

巴丹吉林沙漠地表反照率空間差異顯著，其主要影響因素是沙丘數(shù)量和間距。沙丘數(shù)量較多且間距較小時(shí)，SSIM值偏小，反之則較大，同時(shí)沙丘形態(tài)簡(jiǎn)單或相對(duì)穩(wěn)定會(huì)減少地表反照率空間差異性。其次地表覆蓋類型的復(fù)雜程度也會(huì)影響SSIM值，主要表現(xiàn)為地表覆蓋類型單一，SSIM值較大；類型復(fù)雜多樣，SSIM值偏小。