都偉冰, 張世瓊, 李均力, 包安明, 王雙亭, 史寧可,許琳娟, 高 鑫, 馬丹丹, 鄭巖超
(1.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院,河南焦作 454003;2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆烏魯木齊 830011;3.新疆遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆烏魯木齊 830011;4.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院,河南鄭州 450003)
在全球變暖背景下,氣候變化加劇,中亞冰川變化表現(xiàn)出明顯區(qū)域差異。青藏高原中部和西北部冰川相對(duì)穩(wěn)定,而高原周邊山區(qū)的冰川物質(zhì)虧損嚴(yán)重[1]??龅貐^(qū)冰川異常,冰川躍動(dòng)現(xiàn)象延伸到昆侖西部和帕米爾,與中亞其他地區(qū)的負(fù)質(zhì)量平衡形成鮮明對(duì)比[2]。目前,喀喇昆侖冰川質(zhì)量增加暫緩,且開(kāi)始消融[3]。冰川變化形式復(fù)雜多樣,冰川積累或消融必須考慮表面高程變化因素。了解當(dāng)前和未來(lái)冰川質(zhì)量的變化,以此預(yù)測(cè)干旱區(qū)冰川融水徑流的未來(lái)變化情況和自然災(zāi)害的發(fā)生,提前提出防治措施,對(duì)于淡水資源安全與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等有重要意義[4]。
目前,測(cè)定冰川變化主要有花桿測(cè)量法、衛(wèi)星定位監(jiān)測(cè)方法、激光測(cè)高等[5]。冰川區(qū)坡度大、冰磧覆蓋和冰前湖發(fā)育特征使冰川變化的局部復(fù)雜化,增加了冰川高程變化監(jiān)測(cè)的難度[6]。隨著遙感技術(shù)的興起,由于其多時(shí)相大范圍覆蓋的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于測(cè)定冰川高程變化。
本文采用2003—2009 年的ICESat 衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù),構(gòu)建適合中亞高山區(qū)冰川表面高程數(shù)據(jù)的處理模型,獲取中亞地區(qū)2003年各腳點(diǎn)每年的擬合高程,最后根據(jù)擬合高程結(jié)合降水、溫度以及地形等因素分析研究區(qū)冰川表面高程變化特征及驅(qū)動(dòng)因素。
ICESat衛(wèi)星在中低緯度地區(qū)沒(méi)有精密航天器指向控制,造成單一重復(fù)軌道在中低緯度地區(qū)并不完全匹配,在軌道上相隔幾百米甚至幾公里[7]。本文通過(guò)建立去噪算法和多項(xiàng)式模型等提高ICESat 激光測(cè)高數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上的一致性。
本文以SRTM 高程數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)面,采用標(biāo)準(zhǔn)差法剔除由于受云層等因素影響的ICESat 高程異常值,從而保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。所有激光腳點(diǎn)與基準(zhǔn)DEM的差值服從正態(tài)分布時(shí),設(shè)激光光束腳點(diǎn)與基準(zhǔn)DEM 的高程差值為D=[d1,d2,d3,···,dN-1,dN],其平均值為-d,標(biāo)準(zhǔn)差為e,di表示第i個(gè)高程腳點(diǎn),N為激光腳點(diǎn)的總個(gè)數(shù)。則激光腳點(diǎn)與基準(zhǔn)DEM的高程差值落在(-3e,+3e)的概率P如下式所示。
如果di服從正態(tài)分布,在3倍標(biāo)準(zhǔn)差的方法中,異常值就可定義為與平均值偏差超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差的值;如果di不服從正態(tài)分布,可以采用遠(yuǎn)離平均值的多倍標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)描述。后續(xù)在2.3.2節(jié)中,具體說(shuō)明如何根據(jù)正態(tài)分布結(jié)果,采用遠(yuǎn)離1倍標(biāo)準(zhǔn)差,來(lái)剔除異常值。
以SRTM高程為自變量,采用公式(1)剔除置信度低的高程腳點(diǎn),并建立區(qū)域高程擬合多項(xiàng)式模型,確定每年激光雷達(dá)衛(wèi)星ICESat 腳點(diǎn)高程與SRTM高程之間的關(guān)系。對(duì)每組給定的數(shù)據(jù)擬合點(diǎn)(xi,yi)(其中,i≤m,m為腳點(diǎn)數(shù)量;xi為中腳點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的重采樣SRTM高程;yi為ICESat激光光束腳點(diǎn)i的高程),為了獲取xi與yi的n(n≤m)次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系Pn(xi)。
式中:k為第k(k≤n)多項(xiàng)式;ak為擬合多項(xiàng)式的系數(shù)。當(dāng)擬合值Pn(xi)與yi越接近,表示激光腳點(diǎn)i獲取的高程值越精確。當(dāng)所有激光腳點(diǎn)的擬合高程Pn(xi)與ICESat 腳點(diǎn)高程yi差值的平方和I值最小時(shí),由系數(shù)ak構(gòu)成的多項(xiàng)式模型也就越精確。
當(dāng)擬合函數(shù)為n次多項(xiàng)式時(shí),滿足式(3)的Pn(xi)稱為最小二乘擬合多項(xiàng)式;當(dāng)n=1時(shí)稱為線性擬合,I為系數(shù)a0,a1,···,ak(k=0,1,···,n)的多元函數(shù)。上述問(wèn)題即為求I=I(a0,a1,···,ak)的極值問(wèn)題。對(duì)公式(3)以aj為未知數(shù)求導(dǎo)數(shù)為0 時(shí)(j=0,1,···,n),得多元函數(shù)求極值的必要條件公式如下:
將公式(4)按照關(guān)于aj(j=0,1,···,n)展開(kāi),用矩陣表示為式(5)的法方程組。
公式(5)的系數(shù)矩陣是對(duì)稱正定矩陣,存在唯一解。當(dāng)n=3時(shí),求解得到的擬合高程Pn(xi)與基準(zhǔn)高程xi相關(guān)系數(shù)R2≥0.95,選n=3 得到區(qū)域的擬合高程,即為激光測(cè)高某個(gè)時(shí)間激光腳點(diǎn)i的擬合高程值與基準(zhǔn)DEM的擬合多項(xiàng)式如下:
式中:xi為基準(zhǔn)高程值;Pn(xi)為待校正高程腳點(diǎn)數(shù)據(jù);a3,a2,a1,a0分別為擬合多項(xiàng)式的系數(shù)。
中亞山區(qū)位于亞洲中部海拔在3500 m以上,冰川面積約1.3×105km2。為研究中亞高山冰川區(qū)內(nèi)部的冰川變化差異,本文根據(jù)地貌、地形等生態(tài)地理區(qū)域系統(tǒng)將研究區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)域(圖1)。I區(qū)主要包括西藏及青海南部地區(qū),該區(qū)東南部冰川大部分屬于海洋性冰川,內(nèi)部冰川大多屬于大陸性冰川;II區(qū)主要包括新疆地區(qū)及青海北部和甘肅北部的部分區(qū)域,該區(qū)冰川以大陸性冰川為主,但天山、昆侖山東段以及喀喇昆侖山北坡等部分地區(qū)冰川屬于亞大陸性冰川;III區(qū)在中國(guó)境外,與中國(guó)相鄰,地勢(shì)東高西低,大部分為溫帶大陸性氣候。
圖1 中亞冰川分區(qū)概況示意圖Fig.1 Overview of glacier zoning in Central Asia
本文使用數(shù)據(jù)主要包含以下3部分:(1)ICESat數(shù)據(jù)來(lái)源于冰、云和陸地測(cè)高衛(wèi)星,衛(wèi)星于2003年1月13 日成功發(fā)射,是首顆激光測(cè)高衛(wèi)星,搭載地學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)GLAS[8];ICESat數(shù)據(jù)產(chǎn)品在美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心(http://www.nsidc.org)免費(fèi)獲取。根據(jù)研究目的,本文采用2003—2009 年的ICESat GLAH14數(shù)據(jù),為便于時(shí)序重建,避免降雪和融化等季節(jié)間冰川高程變化的影響,選擇每年的同一月份數(shù)據(jù)[9];根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)量,選擇數(shù)據(jù)量最多且最完整的每年3 月的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。(2)本文選擇能夠免費(fèi)獲取的90 m 分辨率包含研究區(qū)范圍的SRTM3數(shù)據(jù)作為參考DEM。(3)冰川編目數(shù)據(jù)采用2017年7月發(fā)布的RGI 6.0(Randolph Glacier Inventory 6.0)數(shù)據(jù)庫(kù),RGI 6.0 以2010 年左右的夏季無(wú)云Landsat TM/ETM+為主要影像來(lái)源,用于獲取研究區(qū)冰川邊界。
首先從ICESat 數(shù)據(jù)中提取腳點(diǎn)的坐標(biāo)、高程,進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和地理配準(zhǔn);再剔除受地形、云層等因素影響產(chǎn)生的異常值,本文根據(jù)正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果選定異常值并將其剔除。利用去除異常值后的ICESat 坐標(biāo)數(shù)據(jù),在SRTM DEM 數(shù)據(jù)中重采樣,獲取ICESat 腳點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的SRTM DEM 高程,建立每年的多項(xiàng)式擬合函數(shù),以解決ICESat 數(shù)據(jù)重復(fù)軌道不完全匹配的問(wèn)題,并計(jì)算相關(guān)系數(shù)R2,作為評(píng)估擬合效果參數(shù)。以2003 年的SRTM DEM 高程數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn),獲取2003年每個(gè)腳點(diǎn)數(shù)據(jù)每年的擬合高程,實(shí)現(xiàn)時(shí)序重建。
2.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 由于本文始終以SRTM DEM 為基準(zhǔn)進(jìn)行時(shí)序重建,因此需將Topex/Poseidon 高程轉(zhuǎn)換為WGS84高程,如下式。
式中:H84為轉(zhuǎn)換后點(diǎn)云WGS84高程;hglas為ICESat點(diǎn)云相對(duì)于Topex/Poseidon 參考橢球的高程(m);N是大地水準(zhǔn)面和參考橢球面的距離(m);數(shù)值0.7的單位為m,為2 個(gè)參考橢球間的高程差異[10]。本文在30 km×30 km 尺度范圍內(nèi)選取最高點(diǎn)作為SRTM DEM 山頂點(diǎn),對(duì)比參考橢球?yàn)閃GS84 高分辨率四維地球影像篩選均勻分布可靠的山頂點(diǎn),記錄其作為控制點(diǎn)的150 個(gè)山頂點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo),對(duì)SRTM DEM 進(jìn)行配準(zhǔn),提高不同坡度、坡向的ICESat 腳點(diǎn)精度[11]。
2.3.2 剔除異常值 根據(jù)獲取的冰川邊界篩選出研究區(qū)內(nèi)ICESat 數(shù)據(jù)高程點(diǎn)。以Ⅰ區(qū)的2003 年數(shù)據(jù)為例,檢驗(yàn)ICESat 腳點(diǎn)高程是否符合正態(tài)分布。如表1所示,顯著性為0.00<0.05,所以該區(qū)域高程值不服從正態(tài)分布,因此,選定遠(yuǎn)離平均值1倍標(biāo)準(zhǔn)差的值為異常值并將其剔除,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
表1 I 區(qū)的2003年ICESat腳點(diǎn)高程正態(tài)分布檢驗(yàn)Tab.1 Normal distribution test of ICESat foot elevation in area I in 2003
2.3.3 多項(xiàng)式擬合函數(shù) 以SRTM DEM高程為自變量,與ICESat 高程進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,建立多項(xiàng)式擬合函數(shù)如式(6),并計(jì)算相關(guān)系數(shù)R2。如圖2 所示,通過(guò)對(duì)比Ⅰ區(qū)內(nèi)2003 年點(diǎn)云數(shù)據(jù)去除異常值前后擬合效果,發(fā)現(xiàn)去除異常值的R2更接近1,擬合函數(shù)的擬合效果更好,更符合冰川表面高程的實(shí)際情況。
圖2 Ⅰ區(qū)2003年數(shù)據(jù)去除異常值前后對(duì)比Fig.2 Comparison of data in zone I before and after removing outliers in 2003
由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理過(guò)程帶有保密性,難以給予物理模型對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行校正。本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法,采用確定系數(shù)R2評(píng)估多項(xiàng)式擬合效果,表示模型對(duì)現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)擬合的程度,R2的計(jì)算公式如下。
式中:SSR 為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)均值之差的平方和;SST 即原始數(shù)據(jù)和均值之差的平方和;SSE 為擬合數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的誤差的平方和;R2的取值范圍為[0,1]。當(dāng)擬合數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的誤差越小時(shí),SSE越小,擬合數(shù)據(jù)越可靠,此時(shí)R2的取值越接近1。因此,當(dāng)R2的取值越接近1,擬合效果越好。
由表2 所示,整體冰川區(qū)、I 區(qū)、II 區(qū)、III 區(qū)的R2都大于0.98,說(shuō)明整體擬合效果很好。冰川區(qū)由物質(zhì)平衡線分為消融區(qū)和積累區(qū),在物質(zhì)平衡線以下為消融區(qū),物質(zhì)平衡線以上為積累區(qū),冰川表面高程變化可總體歸為這2 種模式,因此利用三次多項(xiàng)式更能符合2 種模式的冰川表面高程變化現(xiàn)象,且符合冰川表面高程自身變化規(guī)律。
表2 研究區(qū)2003—2009年3月多項(xiàng)式擬合模型的R2Tab.2 R2of the polynomial fitting model from 2003 to March 2009 in the study area
在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中由于系統(tǒng)誤差會(huì)產(chǎn)生部分異常值,本研究采用式(9),根據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果,將數(shù)據(jù)中與變化平均值的偏差超過(guò)2 倍標(biāo)準(zhǔn)差的高程變化平均值作為異常值進(jìn)行剔除。各區(qū)不同時(shí)間段內(nèi)冰川表面高程平均變化量見(jiàn)表3。
表3 各區(qū)不同時(shí)間段內(nèi)冰川表面高程平均變化量Tab.3 Average variation of glacier surface elevation in different periods of time in each region
式中:E為誤差=高程變化值-高程變化均值。
由圖3a可知,整體區(qū)域即整個(gè)中亞地區(qū)所有的冰川區(qū)域,總的冰川表面高程下降9.59±1.89 m,在2004年高程下降了5.89±3.76 m,次年回升到與2003年相當(dāng)?shù)母叨?,之后逐年緩慢下降;圖3b中,Ⅰ區(qū)冰川表面高程在2003—2004 年間下降5.78±2.13 m,2005 年略有回升,之后高程逐年緩慢下降,變化斜率為-0.581 m·a-1;圖3c 中,II 區(qū)其冰川表面平均高程在2003—2009 年間下降了7.87±5.03 m,2005 年冰川表面高程出現(xiàn)大幅上升,甚至超過(guò)2003年的高程值,但整體仍處于下降趨勢(shì),變化斜率為-1.226 m·a-1;圖3d所示,與其他分區(qū)相比,Ⅲ區(qū)每年的冰川表面平均高程變化波動(dòng)較大。
圖3 各個(gè)研究區(qū)冰川表面高程變化時(shí)序重建Fig.3 Time series reconstruction of glacier surface elevation change in each study area
如圖4所示,整個(gè)研究區(qū)內(nèi)天山、帕米爾高原和青藏高原東南部地區(qū)的冰川高程下降劇烈,青藏高原南部地區(qū)冰川高程呈輕微下降趨勢(shì)。中部的昆侖山西段地區(qū)部分冰川高程呈現(xiàn)升高狀態(tài),西段以及昆侖山東部的祁連山地區(qū)都呈下降趨勢(shì)。北部的天山地區(qū)冰川高程變化呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異,東天山、北天山和西天山南部地區(qū)冰川高程下降明顯,西天山北部冰川高程下降速率相對(duì)較慢。整個(gè)研究區(qū)內(nèi)除昆侖山部分地區(qū)冰川高程增厚外,其他地區(qū)整體呈下降趨勢(shì),只是下降速率存在地區(qū)差異。與2019 年Treichler 等[2]的研究相比,各個(gè)區(qū)域的冰川表面高程變化趨勢(shì)基本符合。但由于本文只采用了每年3 月的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量小,分布稀疏,部分區(qū)域缺少數(shù)據(jù)支持且表面高程變化特征表現(xiàn)性差,例如在Treichler等[2]的研究中,中天山東南部地區(qū)、昆侖山大部分地區(qū)以及青藏高原中部的部分地區(qū)冰川呈輕微增厚狀態(tài),但本文中在該部分地區(qū)數(shù)據(jù)稀少,無(wú)法確認(rèn)冰川變化情況。且本文中顏色柵格表示小區(qū)域范圍內(nèi)激光點(diǎn)的變化率,因此,與Treichler 等[2]研究中大分區(qū)冰川表面高程變化率存在部分差異。
圖4 各區(qū)冰川表面變化速率分布Fig.4 Distribution map of glacier surface change rate in each region
根據(jù)2019年Treichler等[2]對(duì)MERRA-2和ERAInterim氣候再分析數(shù)據(jù)的處理,顯示在2003—2009年間,氣溫呈上升趨勢(shì),除昆侖山以及周圍少數(shù)地區(qū)外,亞洲冰川表面高程整體呈下降趨勢(shì)。青藏高原夏季降水量,整體呈現(xiàn)自東南向西北遞減的分布規(guī)律[12],東北部干旱區(qū)雨季降水量也呈增加趨勢(shì)[13]。圖3 中,在2004—2005 年間各區(qū)的冰川表面高程變化劇烈。據(jù)相關(guān)研究[14]顯示,2003 年12 月至2004年2月,研究區(qū)冬、春季大部分地區(qū)氣溫較常年同期明顯偏高,降水偏少,造成冰川消融。2004 年新疆南部等地夏季高溫日數(shù)普遍達(dá)到10~20 d,局部地區(qū)達(dá)到40 d[15]。2005 年西部地區(qū)伴有降水降雪的增加,造成各區(qū)的冰川表面高程在2005年都呈上升趨勢(shì)[16]。其中,新疆東南部和西部以及青藏高原北部等地較常年同期偏高3倍[17]。
地形上,冰川在低海拔坡度小于30°時(shí),冰川厚度減薄隨著坡度的減小而加劇,冰川表面高程降低較快;中高海拔地區(qū),溫度逐漸降低,受降水的影響較大,易導(dǎo)致冰川表面高程增高;而在高海拔地區(qū)平均坡度>35°,易發(fā)生冰崩、雪崩等現(xiàn)象,使得冰川物質(zhì)減少[18]。結(jié)合地形因素,降水隨海拔增高而增多,但有一個(gè)最大降水量高度,超過(guò)此高度,山地降水不再隨高度遞增,隨氣候干濕而異[19]。I區(qū)中,青藏高原平均海拔4000 m以上,海拔高度對(duì)氣溫的影響已超過(guò)緯度位置作用。因此,青藏高原除南部和東南部的冰川退縮較嚴(yán)重外,大部分區(qū)域冰川高程變化相對(duì)緩慢[20]。II 區(qū)南部有昆侖山和阿爾金山,這2個(gè)地區(qū)海拔高,干旱少雨,冰川高程變化相對(duì)穩(wěn)定,但天山西北部受降水量影響較大的外山脈冰川融化速度較快。祁連山地表平均溫度在海拔高的地區(qū)變暖趨勢(shì)明顯,因此,祁連山地區(qū)冰川表面高程緩慢下降[21]。Ⅲ區(qū)中西帕米爾高原山脈交錯(cuò)復(fù)雜,降水豐富,該地區(qū)冰川高程變化強(qiáng)烈。東帕米爾高原東南邊緣高山阻隔了來(lái)自印度洋、太平洋的暖濕氣流,氣候干燥,冰川高程緩慢下降[22]。就下降趨勢(shì)而言,研究區(qū)內(nèi)境外區(qū)域冰川表面高程下降趨勢(shì)最快,為-1.663 m·a-1,新疆地區(qū)次之,青藏高原地區(qū)最為緩慢。
本文針對(duì)ICESat 衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù),考慮到重復(fù)軌道在中低緯度地區(qū)空間匹配性弱的問(wèn)題,選取SRTM DEM 為高程基準(zhǔn)面,建立冰川區(qū)點(diǎn)云去噪及其精度優(yōu)化算法和多尺度冰川區(qū)表面高程時(shí)間序列分析模型,為點(diǎn)云類遙感監(jiān)測(cè)冰川表面高程變化提供參考。主要結(jié)論如下:
(1)采用正態(tài)分布顯著性檢驗(yàn),進(jìn)行粗差剔除,在不服從正態(tài)分布情況下,選定遠(yuǎn)離線性回歸1 倍標(biāo)準(zhǔn)差的高程值為異常值,能夠有效剔除冰川區(qū)ICESat腳點(diǎn)高程中的異常值。
(2)利用三次多項(xiàng)式模型,對(duì)中亞山區(qū)整體和分區(qū)域的不同尺度冰川表面高程進(jìn)行擬合,模型R2都在0.98 以上,表明ICESat 數(shù)據(jù)和SRTM 高程數(shù)據(jù)的三次多項(xiàng)式關(guān)系在該區(qū)具有較強(qiáng)的普適性。
(3)亞洲高山區(qū)的冰川表面高程2003—2009年整體下降幅度在10 m以內(nèi),表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異,對(duì)于2004 年前后表現(xiàn)出強(qiáng)烈變化,由于環(huán)流和季風(fēng)等因素的影響,造成的溫度以及降水異常,從而導(dǎo)致冰川異常波動(dòng)。
本研究方法對(duì)冰川區(qū)點(diǎn)云類高程腳點(diǎn)監(jiān)測(cè)具有一定的通用性,但會(huì)使點(diǎn)云數(shù)據(jù)更稀疏,另對(duì)基準(zhǔn)DEM的依賴度較高。后續(xù),研究將進(jìn)一步加入其他冰川區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù),研究時(shí)間序列建立所適用的空間尺度,建立更靈活多變的區(qū)域冰川表面高程時(shí)序監(jiān)測(cè)模型,對(duì)影響冰川表面高程變化的地形、環(huán)境等因子進(jìn)行更有效全面的分析。