[发明专利]一种基于被动微波遥感的多年冻土监测与分类方法

说明书

本发明提出一种基于被动微波遥感的多年冻土监测与分类方法，包括如下步骤：步骤1、利用判别算法获取近地表土壤冻结状态；步骤2、基于步骤1获取的近地表土壤冻结状态，建立基于近地表土壤冻结状态的冻结指数方法；步骤3、通过气象站点数据，建立基于地表土壤冻融状态的冻结指数与年平均气温之间的关系模型，获得多年冻土分类的冻结指数阈值，结合多年冻土热学稳定性分区理论进行监测与分类。

技术领域

本发明涉及遥感监测领域，特别是涉及一种多年冻土遥感监测与分类方法。

背景技术

多年冻土是冰冻圈圈层内的重要组成因素，其形成与发展是由多种地理、地质和气象等要素影响和决定的。由于多年冻土面积广泛，发育环境恶劣等特点，难以通过对冻土特征进行地面采样调查获得其空间分布。随着观测数据的积累与技术手段的进步，一些利用现有观测数据集(例如地表温度，植被覆盖等)进行冻土分布估算方法或模型被提出。寒冷气候条件是多年冻土形成与发育的基本要素。高纬度多年冻土南界以及高海拔多年冻土的冻土下界与-1～-2℃年平均气温等值线基本一致。根据多年冻土与气候的发展关系，针对不同区域的多年冻土热学稳定性分区理论被相继提出，为多年冻土分布监测与研究提供了重要的理论基础。

地球观测系统科学计划(Earth Observing System,EOS)把冻土遥感列为重要研究目标之一，遥感在冻土研究中的应用潜力日益受到重视。早期利用遥感技术监测多年冻土的研究多采用可见光多光谱卫星传感器，比较常见的包括Landsat、MODIS(ModerateResolution Imaging Spectroradiometer)、ASTER(Advanced Space-borne ThermalEmission and Reflection Radiometer)以及SPOT等。

一般来说，存在多年冻土分布的区域，年均气温通常小于0℃，同时地表也有季节性冻土分布，即多年冻土的活动层。多年冻土活动层与永冻层之间可直接进行物质交换与能量传递，多年冻土永冻层的热稳定性同样影响着活动层的空间分布、冻结深度等。因此，在某种程度上，多年冻土活动层的冻融时空特征反映了多年冻土永冻层的时空分布状态。自上世纪70年代以来，国内外学者利用被动微波遥感技术进行了全球范围内的季节性冻土时空监测研究，发展了一系列基于被动微波遥感数据的地表冻融状态判别算法，并取得了显著的成果。在这些研究的基础上，Park等(2016)首次进行了利用基于被动微波遥感手段获得的地表冻融状态来预测多年冻土分布的研究。研究认为地表冻结天数连续两年大于融化天数，则被归类为多年冻土。

多年冻土通常发育于地表之下，在基于光学遥感的多年冻土监测方法中，利用可见光、红外传感器进行监测具有较大局限性：

1)可见光遥感卫星本身回访周期较长，易受到云层的影响；

2)局部地区多年冻土的研究难以推广应用等；

3)虽然多年冻土的发育与时空演变受到海拔、维度、地形、气候条件等影响，可通过多年冻土分布特征与各个环境变量的相关关系进行多年冻土制图等，但多年冻土的复杂物理构造、土壤环境及空间异质性，对利用光学传感器进行多年冻土监测的研究带来极大的不确定性。

在基于被动微波遥感的多年冻土监测方法中，现有方法利用地表冻融状态来预测多年冻土分布。分类结果显示多年冻土分类与多年冻土分类图大致一致，但在部分区域由于零星分布、不连续等多类型多年冻土的存在，冻土分区存在较大的差异。该方法作为基于被动微波遥感进行多年冻土监测的尝试性研究，没有较完善的理论依据，难以推广应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于被动微波遥感的多年冻土监测与分类方法，首先，利用改进的双指标(DIA)算法获取近地表土壤冻结状态，经地面观测数据进行精度验证后，根据近地表土壤冻结状态数据的特点，进行冻结指数方法的改进，建立基于近地表土壤冻结状态的冻结指数方法。然后，对冻结指数与年平均气温进行相关性分析，根据多年冻土热学稳定性分区理论，进行冻土类型分类，最终得到多类型多年冻土的空间分布。