基于Landsat的湖冰提取及时空演变研究
摘要：湖冰是气候变化的记录器和指示器（Livingstone, (1997), Jensen, O. P., et al. (2007),Hovel, R. A., et al. (2017)）。湖冰对区域的物理，化学和生物学过程有着重要的影响。湖冰的持续时间控制着季节的湖泊生态系统的热量平衡，从而影响湖泊的蒸散发以及水生生态系统的生产率（Bonsal B R等2006）。长期以来，很多学者主要通过冰芯，树轮，湖泊沉积等来研究地区气候变化，这些方法都反应了气候长久时间内大尺度的变化。 而湖冰具有季节性，既能反应大尺度，又能反应小尺度的气候变化。 每年湖面冰盖状况，冻结和消融时间既是气候变化的良好指示器，也是冬季气温变化的指示器。
博斯腾湖是中国最大的内陆淡水湖。博斯腾湖冰物候的时空演变对于中亚干旱区对气候变化的响应有重要意义。
湖冰一般在每年秋冬季冻结，下年春夏季消融。每年湖泊开始冻结到完封冻，开始消融到完全融化形象真实记录了当地气候变化情况。每年湖面冰盖状况，冻结和消融时间即使气候变化的良好指示器，也是冬季气温变化的指示器。以博斯腾湖为研究对象，利用时间序列的Landsat数据研究湖冰冻结与消融时间变化趋势，有助于理解全球变化对中亚干旱区的影响，及湖泊对全球变暖的响应。
关键词：博斯腾湖；Landsat；湖冰提取；气候
一、文献综述
遥感技术应用日益广泛，遥感数据多平台、多波段、多视场、多时相、多角度和多极化之类的特征不仅通过能获取大范围高时间分辨率的遥感影像来填补了人工观测的缺失，这样我们也能又方便有快速的手段来监测湖冰。
多个研究表明，研究湖冰变化研究领域中学者广泛应用多光谱和微波遥感数据，把湖冰作为研究中心，主要分析对象是冷冻时间和冰厚的冻结区域变化。合成孔径雷达卫星数据不受天气条件的影响，并能成功监测湖冰物候，Surdu, C. M., et al. (2014) 基于1991-2011年的ERS-1/2 synthetic aperture radar (SAR) 遥感数据对North Slope of Alaska (NSA) 的浅湖的湖冰物候进行研究，分析湖冰对气候条件变化的响应，发现冰冻向湖岸的冰呈现减少的趋势。
孙爱民(2015)利用 Landsat 5 TM，Landsat 7 ETM 以及 Landsat 8 OLI从 1988_2014 年的遥感影像对博斯腾湖水面积年际变化趋势进行研究和分析。他们先进行水体提取并计算湖水面积，分析面积变化趋势，对比期间湖泊水体范围，总结其空间变化特征； 然后，利用 2000_2014 年的 MODIS 数据对湖水面积的监测结果，以及 1987_2011 年实测水位数据对比验证 Landsat 数据的监测结果； 最后，结合博斯腾湖流域山区和平原区降水量，气温数据，参考人类活动的影响，进一步对湖水面积变化与降水量，气温变化以及人类活动之间的关系进行研究。伊力努尔·阿力普(2014)使用的数据处理方法是灰色关联分析。其基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。曲线越接近，相应序列之间的关联度就越大，反之越小。灰色关联分析可以弥补传统数理统计方法的不足，对样本量的多少和样本有无规律同样适用。徐永明(2012)通过不考虑光合作用耗能和水平方向能量输送的情况下，净辐射=土壤热通量 湿热通量 潜热通量。通过计算净辐射通量，土壤热通量和显热通量来推算潜热通量，进一步计算可得到地表蒸散量。李龙(2015)以可可西里地区境内湖泊为研究对象，根据中国人民解放军总参谋部测绘局编制的1:10万地形图，多源遥感影像数据，中国科学院青藏高原综合科学考察队的野外调查资料，和气象资料数据，综合运用RS和GIS技术，对可可西里地区湖泊面积变化，水位变化，水量变化和冰情物候进行研究，探索青藏高原大范围湖泊群的湖泊变化时空特征，探讨其变化规律及其对气候变化的响应，从而为青藏高原其他湖泊研究提供新依据，为建立湖泊动态变化研究新方法及构建湖泊动态变化对全球变化响应模型提供新思路。通过研究分析，发现了1970s_2011年，可可西里地区湖泊整体上呈现出“先萎缩后扩张”的变化过程，其中，在1970s_1990s期间湖泊面积普遍缩小，1990s_2000年湖泊出现了缓慢扩张并且逐渐恢复到1970s时期的湖泊规模，2000年之后湖泊规模急剧扩大；2000年之后不同规模等级的湖泊都呈扩张态势，但具有区域空间差异性。绝大多数湖泊面积呈增加趋势，分布亦最广，有个别湖泊由于急剧扩张导致湖水外泄或者合并情况，最终数量由1970s的83个合并为2011年的77个；个别湖泊面积呈减小或波动态势，零散分布在可可西里地区中部和南部；在研究时段内，降水增多和蒸发减少是可可西里地区湖泊扩张的主要原因，而气候变暖引起的冰川融水增加，冻土水分释放是次要原因，另外，湖泊动态变化与其自身补给形式(条件)或与下游湖泊(河道)存在水力联系有关。可可西里地区面积大于10.0 km2的77个湖泊中，17个湖泊只有一期ICESat/GLAS卫星测高数据，3个湖泊水位有下降趋势(高可信度)，17个湖泊水位有上升趋势(高可信度)。可可西里地区湖泊虽然有很大一部分无数据或数据不全，但这都不足以掩饰可可西里地区湖泊水位普遍上升的事实；湖泊水位与面积具有很好的线性关系，湖泊水位变化幅度与湖泊面积规模大小呈负相关关系，并且这种关系随着湖泊规模增大变得更加明显。利用经验公式拟合得到可可西里地区18个湖泊在ICESat/GLAS数据时段内湖泊水量增加，6个湖泊在研究时段内利用经验公式拟合得到的水量呈减少状态，1个湖泊水量基本没有变化；面积或水位数据获得的时间不一致可能是导致在这一时期拟合的湖泊水量减少的原因。可可西里地区湖泊开始结冰和完全结冰主要集中在每年的10月下旬至11月上旬和11月中旬至12月上旬，湖泊由开始冻结至完全冻结持续时间约半个月；开始消融和完全消融时间较为分散，分别出现在每年的2月初至6月上旬和5月初至6月上旬，湖泊完全封冻期约181 d，平均封冻期为196 d；在空间上湖泊冻结过程与其消融过程相反，湖冰冻结/消融空间模式与湖底地貌具有较好的一致性。可可西里地区湖泊冻结空间模式主要有3种，其中湖冰由湖泊一岸扩展到另一岸类型的湖泊数量最多，其次是湖冰由湖岸蔓延至湖心的湖泊，湖冰由子湖扩展到全湖最少；2000-2011年期间，可可西里地区湖泊开始冻结和完全冻结时间有所推迟，变化速率分别为0.73 d/a和0.34 d/a。湖泊开始消融时间变化较为复杂，3/5湖泊呈提前趋势(-1.66 d/a)；湖泊完全消融时间普遍提前，变化速率为一0. 81 d/a。在湖泊冻结推迟和消融提前作用下，可可西里地区湖泊完全封冻期和封冻期持续时间普遍缩短，平均变化速率分别为-2.21 d/a和一1.91 d/a。湖冰物候特征及湖泊冰情演变是区域气候变化和湖泊自身条件共同作用的结果。其中，湖泊形态(反映湖岸线的复杂程度)是影响湖泊开始冻结的关键要素，湖泊面积，湖水矿化度和气温是影响湖冰完全冻结，开始消融，完全消融和封冻期的主要因素。而我们这片论文主要研究内容是根据landsat数据处理结果研究博斯腾湖湖冰提取特征。主要体现在湖冰面积提取研究：分析冰，水和陆地的光谱特征，研究基于阈值法，指数法等提取湖冰面积。其次是湖冰面积变化趋势研究：分析湖冰面积随时间变化的趋势，研究湖冰面积变化的原因。
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
