干旱区生态环境知识资源中心(Arid): 新疆长序列积雪遥感数据集建设与应用

Arid

	新疆长序列积雪遥感数据集建设与应用
	李帅; 郑照军; 胡列群; 张璞; 陈洁; 马丽云; 梁凤超; 侯小刚; 张连成
完成单位	新疆维吾尔自治区气候中心
登记(发布)日期	2015
中文摘要	1、研究背景针对新疆区域的积雪遥感,当前有多套数据集可用,如北半球周雪盖数据(NOAA,1976-2011)、全球MODIS雪盖数据(NASA,2000年至今)、全球AMSR-E积雪数据(NASA,2002年至今)、中国区域FY-1/NOAA旬月雪盖数据(国家卫星气象中心,1996年至今)等等。但是,这些数据集大都存在一些明显的缺陷或问题。比如,微波积雪产品空间分辨率低,受地面观测资料不足的影响,在新疆区域错判现象时有发生,给气象、气候预报业务带来了诸多不便;光学仪器方面,使用了AVHRR的北半球周雪盖产品空间分辨率低至百公里级别,无法满足当前气候分析应用对高分辨率产品的需求,MODIS积雪产品质量虽好,时空精度也高,但时间序列短(2000年至今),无法满足气候分析的长时间序列资料需求。另外,上述数据集在新疆地区缺乏系统性验证,无法为用户提供产品的不确定性。这些因素都大大阻碍了新疆地区气象业务能力的提升。新疆乌鲁木齐气象卫星地面站和新疆气象信息中心存储了近20年的NOAA/AVHRR卫星观测原始轨道数据,但是这些数据格式并不统一,没有经过标准化预处理,普通用户暂时无法使用。对此,本项目将以此为基础,在国家卫星气象中心相关科研技术成果支持下,重新进行定标定位和投影处理,建立长时间序列AVHRR新疆标准化卫星观测数据集(1989-2014)。该数据集可以为后续开展植被、干旱等多项遥感监测工作提供数据支撑,更为重要的是,可以利用改进现有积雪遥感算法(国家卫星气象中心技术成果),处理生成可实时延续的、动态的长时间序列AVHRR雪盖数据集(1989-2014),满足新疆地区气候分析需求。同时,项目承担单位将利用AVHRR长序列雪盖数据集,结合人机交互方法生成FY3雪盖产品,将当前积雪状况与长序列的历史背景进行对比分析,并通过遥感应用服务平台开展新疆及地州的积雪遥感分析应用服务。这将进一步提升新疆现有的积雪遥感监测业务应用能力。通过本项目的实施,可以为新疆的积雪遥感分析提供客观的历史观测资料,掌握积雪历史和实时变化情况,满足新疆地方人民生活以及社会和经济的发展需求,而且可以促进气象科技发展,带动长时间序列卫星遥感资料在其他领域的广泛应用。 2、技术原理及性能指标 2.1 新疆区域NOAA/AVHRR数据预处理及标准化数据集的建立项目整理建立了自1989年以来覆盖新疆区域的AVHRR原始卫星观测轨道数据集。针对不同系列的NOAA/AVHRR长时间序列遥感轨道数据,基于国际最新定标技术成果,以及国家卫星气象中心研发的精确定标技术(自动高程定位导航结合人工导航),开展定标定位处理,并作数据投影拼接,依据遥感数据的时间一致性、空间均匀性,通过对重复观测数据的质量比较和筛选,以及利用科学存储技术对数据进行标准化处理,最终建立新疆区域标准化遥感数据集。 2.2新疆积雪遥感数算法研究及据集建立利用NOAA/AVHRR光谱通道数据、观测角度数据,并结合地理信息,基于云、雪、冰、陆地、水体、植被等不同观测物的光谱差异,对每个卫星观测像元进行分类,判断像元究竟属于积雪、冰、晴空陆地、晴空水体、云等类别中的哪一类,从而实现对主要目标物——积雪信息的提取。利用项目研发的新疆地区AVHRR雪盖算法,对不同NOAA或Metop卫星的AVHRR标准化数据集进行处理,逐星生成不同时段的新疆地区雪盖产品,通过多时次雪盖产品智能合成,以及对双星或多星重叠时段产品的一致性分析筛选,并结合产品质量控制,最终编程全自动化处理生成新疆1989～2014共26年0.01度空间分辨率的AVHRR日旬月雪盖数据集。 2.3 NOAA/AVHRR积雪遥感产品数据集的精度验证采用混淆矩阵的方法,基于HJ-1/CCD数据,分别对新疆区域春、夏、秋、冬四季的NOAA/AVHRR所提取的积雪覆盖面积的精度进行验证。通过对NOAA/AVHRR的影像随机采样的方式选择验证区域,然后结合HJ-1/CCD影像数据通过目视解译提取结果为“真值”,对采样点进行精度评价,可以看出,Khat系数都在85%以上,均值为88.68%,总体精度都在90%以上,均值为95.20%,本项目NOAA/AVHRR积雪图分类结果精度较高。 2.4 FY-3/MERSI数据的预处理模块开发及雪盖产品的反演验证本项目根据FY-3/MERSI数据的通道特性,自主开发了“FY-3/MERSI数据预处理及自动分幅模块”,其主要功能包括：FY-3A/MERSI数据的定标定位、投影、按地州界自动分幅等。采用高分辨率影像对低分辨率影像验证的方法来确定MERSI积雪制图的阈值,即以空间分辨率为30 m的Landsat-ETM+积雪图为“真值”,对MERSI积雪图进行验证。MERSI影像积雪提取时,通过不断改变NDSI阈值所得到的积雪图与Landsat-ETM+积雪图进行对比,结果表明,对于整个研究区MERSI积雪制图,取平均值0.32作为合理NDSI阈值,这个结果比其全球雪面积产品中通用的0.40要低。采用混淆矩阵法,运用此阈值对MOD10A1图像数据和FY-3/MERSI积雪分类数据的积雪覆盖提取结果进行总体精度对比,通过对比两种图像各个时段数据总体精度, MOD10A1图像数据总体精度在0.767～0.915之间,MERSI图像总体精度位为0.817～0.898之间,提取的FY-3/MERSI积雪覆盖结果总体精度略高于MOD10A1结果。FY-3/MERSI积雪覆盖提取结果要优于MOD10A1产品结果。 2.5 AVHRR预处理及积雪判识系统的建立及应用根据本项目开发的AVHRR预处理和积雪判识算法,采用Matlab语言开发了AVHRR积雪监测功能模块,并将其嵌入到SMART中,整个AVHRR的预处理及积雪判识都可以在SMART中完成。利用建立的长时间序列新疆区域AVHRR积雪数据集,结合FY-3/MERSI数据,应用于冬季新疆各地州的积雪遥感监测服务中,分别为阿勒泰、乌鲁木齐、昌吉、博州、塔城、伊犁、阿克苏等地区提供服务报告9期。利用建立的长时间序列新疆区域AVHRR积雪数据集,结合MODIS数据,在2015年夏季新疆高温期间,提供天山南坡、阿尔金山、昆仑山北坡雪线高程遥感监测服务,为融雪型洪水的预测奠定基础。 3、解决的关键技术 (1)将复杂多样的历史轨道数据重新整理,基于最新的定标定位技术,处理生成普通用户即可使用的规范化数据集。这套数据集,为开展新疆气象卫星遥感历史应用奠定了基础,在后续的一带一路相关服务中,可发挥“历史结合实时”对比监测分析评估作用; (2)建立了1989-2014年1km逐日雪盖数据集,弥补了2000年前没有1km级积雪遥感数据集的不足。算法虽是基于青藏高原雪盖算法改进得到,但重点加强了对新疆地区沙漠/荒漠薄雪(特别是融雪)的识别;新算法将透明/半透明卷云下的积雪尽可能识别出来;尽管算法在5-10月存在很多错判,但对冬季积雪的把握较准。 4、成果应用情况本项目建立的长序列的新疆区域AVHRR遥感标准化数据集,为开展多项遥感服务如植被、干旱等奠定了数据基础;利用建立的长时间序列新疆区域AVHRR积雪数据集,结合FY-3/MERSI数据,应用于冬季新疆各地州的积雪遥感监测服务中,分别为阿勒泰、乌鲁木齐、昌吉、博州、塔城、伊犁、阿克苏等地区提供服务报告9期。
中文关键词	积雪 ; 新疆 ; 数据集
成果类型	应用技术
中图法分类号	P23
URL	http://dbpub.cnki.net/grid2008/dbpub/detail.aspx?dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000001694108
资源类型	成果
条目标识符	http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/243550
推荐引用方式 GB/T 7714	李帅,郑照军,胡列群,等. 新疆长序列积雪遥感数据集建设与应用[Z]. 应用技术,2015.