基于ICESat-2 的納木錯(cuò)湖泊變化監(jiān)測

羅番LUO Fan；孔令果KONG Ling-guo

（成都理工大學(xué)，成都 610059）

0 引言

21 世紀(jì)以來，隨著氣候變化開始對全球水資源儲(chǔ)量造成影響，作為其中重要的淡水儲(chǔ)存和生態(tài)系統(tǒng)之一的湖泊，對氣候的變化就顯得尤為敏感[1]。納木錯(cuò)湖泊作為中國西藏高原上最大的內(nèi)陸湖泊，不僅為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┝酥匾乃Y源，還充當(dāng)了維持生態(tài)平衡和生物多樣性的關(guān)鍵角色。然而，由于受到氣候變化和人類活動(dòng)等多個(gè)因素的影響，納木錯(cuò)湖泊水位的變化情況仍然不完全清楚。傳統(tǒng)的水位監(jiān)測方法往往受限于數(shù)據(jù)采集的時(shí)間、空間分辨率和成本等因素。然而，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展[2]，ICESat-2 衛(wèi)星的高程測量數(shù)據(jù)提供了一種新的可能性來監(jiān)測湖泊水量變化。本論文旨在利用ICESat-2 衛(wèi)星的高程數(shù)據(jù)，監(jiān)測納木錯(cuò)湖泊水位的變化情況，并分析其季節(jié)性和長期趨勢。通過獲取納木錯(cuò)湖泊多年的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，我們將研究納木錯(cuò)湖泊水位的時(shí)空變化規(guī)律、受影響因素以及對當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)的影響。

近幾十年來，遙感和地理信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展為我們提供了全新的監(jiān)測水位和湖面面積的方法。以青藏高原上最大的湖泊青海湖為例，最近20 年來已有大量的研究是利用遙感技術(shù)對青海湖的水位進(jìn)行監(jiān)測。Zhang et al[3]利用ICESat 的測高數(shù)據(jù)去監(jiān)測了2003-2009 年青海湖的水位及變化。Phan et al[4]通過對多源遙感數(shù)據(jù)的研究分析，對整個(gè)青藏高原湖泊水位進(jìn)行了監(jiān)測，其中青海湖的水位也是利用ICESat 數(shù)據(jù)估算的。趙云[5]基于多種衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)，提取檢測了2002-2015 年的青海湖水位變化信息。Wang et al[6]估算了中國56 個(gè)大型湖泊的水位變化趨勢，以解決中國主要湖泊水位變化多少等問題，其中利用ICESat 測高資料估算了青海湖的水位。馬山木[7]利用ICESat-2 衛(wèi)星對2018 年10 月-2021 年4 月整個(gè)青藏高原面積大于1 平方千米的湖泊進(jìn)行水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測，其中也包括了青海湖。這些研究提供了湖泊水位波動(dòng)的精確估計(jì)，對氣候變化背景下的水資源管理具有重要意義[8，9]。

1 研究區(qū)概況

納木錯(cuò)地處被稱作“世界屋脊”的青藏高原上，屬于中國五大湖區(qū)的“青藏高原湖區(qū)”，位于藏北高原的東南部，西藏自治區(qū)的中部，拉薩市區(qū)劃的西北邊界上和其以北的當(dāng)雄縣和那曲市東南邊界班戈縣之間，地理坐標(biāo)為北緯30°56'至31°23'，東經(jīng)90°55'至91°37'，其地理位置如圖1所示。納木錯(cuò)湖泊地處青藏高原，氣候條件受到高原季風(fēng)氣候的影響，表現(xiàn)出典型的高原特征；由于受到高原地勢和海拔的影響，晝夜的溫度相差十分大，尤其在夏季表現(xiàn)十分明顯；夏季和秋季降水較多，其中7、8 月是降水最多的月份；日照條件十分充足，每年的平均日照時(shí)間達(dá)到了2000 小時(shí)以上。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

2.1.1 ICESat-2 簡介

ICESat-2（Ice，Cloud，and land Elevation Satellite-2）是在2018 年9 月由美國國家航天航空局成功發(fā)射上天的，是在ICESat 衛(wèi)星于2010 年2 月退休后，繼續(xù)進(jìn)行激光測高的觀測任務(wù)，主要是為了監(jiān)測全球的冰蓋和云層以及陸地表面的高程變化。在ICESat-2 上，搭載了一臺(tái)先進(jìn)的地形激光測高系統(tǒng)，即ATLAS（Advanced Topographic Laser Altimeter System）。該儀器主要是使用光探測和測量技術(shù)，通過把激光脈沖發(fā)射并測量其返回時(shí)間來計(jì)算地表高程，該儀器測量精度很高，垂直精度達(dá)到了幾厘米的誤差。

ICESat-2 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括Level-1、Level-2、Level-3A、Level-3B 四個(gè)等級，其中ATL02~ATL10、ATL12、ATL13、ATL16、ATL17 都是能免費(fèi)下載的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。本文主要是基于ATL13 數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，其地面軌跡包括gt1l、gt1r、gt2l、gt2r、gt3l、gt3r，其中包括了沿軌內(nèi)陸水體水位數(shù)據(jù)中的地理坐標(biāo)、高程、高程基準(zhǔn)等信息，詳細(xì)信息如表1 所示。

表1 ICESat-2 衛(wèi)星參數(shù)

2.1.2 光學(xué)衛(wèi)星圖像

MODIS（中分辨率成像光譜儀）傳感器分別于1999 年12 月和2002 年5 月搭載于美國國家空氣動(dòng)力學(xué)和航天局（NASA）地球觀測系統(tǒng)（EOS）Terra 和Aqua 衛(wèi)星上發(fā)射。本研究利用空間分辨率為250m 的MOD 09 Q1 產(chǎn)品提取納木錯(cuò)湖的湖面面積。

2.2 研究方法

2.2.1 水位提取

本研究利用Python 提取出在ICESat-2 衛(wèi)星中獲取的數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式（1），將GLAS 高程從Topex/Poseidon 橢球體轉(zhuǎn)換為WGS 84 橢球體[10]，以便在相同的參考系統(tǒng)中對GLAS 高程和從水文站收集的湖水位記錄進(jìn)行一致的比較：

其中，H_WGS84 是參考WGS84 橢球體的高程數(shù)據(jù)，ICESat_elevation_Topex 和EGM96_geoid 大地水準(zhǔn)面直接從ICESat-2/ATL13 數(shù)據(jù)中檢索，0.7m 是Topex 橢球體到WGS 84 橢球體的偏移量。因?yàn)樾l(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)受到大氣條件和陸面非均勻性等多方面因素的影響，通常需要利用統(tǒng)計(jì)分析，來進(jìn)一步消除由于這些因素所產(chǎn)生的異常值。（圖2）

圖2 ICESat-2 足跡覆蓋圖

2.2.2 表面積提取

MOD09Q1 產(chǎn)品只有兩個(gè)波段，分別是紅光波段和近紅外波段。因此，無法根據(jù)MOD09Q1 計(jì)算MNDWI 或NDWI。然而，由于水在NIR 范圍內(nèi)具有更強(qiáng)的吸收能力，NIR 波段被認(rèn)為非常適合檢測開放的水面。此外，差分植被指數(shù)（DVI），定義為近紅外波段和紅光波段之間的表面反射率差異，也被證明可用于將水與其他土地覆蓋成分分離。因此，基于這兩個(gè)指標(biāo)，建立了一個(gè)雙閾值重分類程序，用于從MOD09Q1 產(chǎn)品中劃分納木錯(cuò)湖水域范圍。

與MNDWI 相似，NIR 和DVI 的閾值定義也特定于每個(gè)研究對象。經(jīng)過對不同閾值的反復(fù)測試和對生成的水體邊界的仔細(xì)檢查，確定納木錯(cuò)湖NIR 和DVI 的閾值分別為0.12 和0.02。最后，將識別為水面的像元面積相加，得到ICESat 飛越納木錯(cuò)湖當(dāng)天的湖面面積。

3 結(jié)果

3.1 湖泊水位變化

根據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示，從2018 到2020 年共有40 條軌道覆蓋了納木錯(cuò)湖泊，如圖3 所示。其中ICESat-2 提供的數(shù)據(jù)有效反映了該時(shí)間段內(nèi)的納木錯(cuò)湖泊水位變化情況，如圖3 所示。根據(jù)ICESat-2 的反演結(jié)果顯示，水位從2018年10 月31 日的4725.29 米上升到2020 年11 月24 日的4725.39 米；其中水位最低時(shí)有4724.86 米，時(shí)間是2019年1 月16 日，水位最高是在2020 年的9 月14 日，高程達(dá)到了4725.67 米。

圖3 湖泊水位變化

3.2 湖泊面積變化

由于MODIS 產(chǎn)品的分辨率和遙感數(shù)據(jù)受到云量影響較大限制，數(shù)據(jù)的精度可能有所影響。從MODIS 產(chǎn)品MOD09Q1 中根據(jù)兩個(gè)指數(shù)（NIR 和DVI）提取的表面積如圖4 所示，呈現(xiàn)出上升趨勢，與水位走勢基本一致。根據(jù)影像提取的結(jié)果顯示，面積從2018 年5 月9 日的1987.75平方千米增加到2020 年12 月10 日的2006.17 平方千米；其中面積最大達(dá)到了2033.94 平方千米，時(shí)間是在2020 年的9 月29 日，與最高水位時(shí)間接近。

圖4 湖泊表面積變化

4 結(jié)論

本文利用ICESat-2 衛(wèi)星的ATL13 高程數(shù)據(jù)和MODIS 衛(wèi)星的MOD09Q1 產(chǎn)品成功監(jiān)測了納木錯(cuò)湖泊在2018 年到2020 年的水資源變化，通過研究分析，得到了以下結(jié)論：

①水位和面積在研究時(shí)間段內(nèi)，整體呈現(xiàn)出緩慢上漲趨勢，說明納木錯(cuò)湖泊的水資源穩(wěn)步增加。

②分析結(jié)果顯示，納木錯(cuò)湖泊的水資源變化有著明顯的季節(jié)性變化；在枯水期的時(shí)候，湖泊水位下降明顯，而在豐水期時(shí)，湖泊水位有所上升；說明納木錯(cuò)湖泊水位變化受降水和融雪影響較大。

③通過對納木錯(cuò)湖泊變化進(jìn)行深入分析，本文發(fā)現(xiàn)其受影響的因素較多，包括氣候變化、降水量、融水量以及人類活動(dòng)等因素。

綜上所述，本研究利用ICESat-2 衛(wèi)星的高程數(shù)據(jù)成功監(jiān)測了納木錯(cuò)湖泊的變化，揭示了湖泊的季節(jié)性變化趨勢和受影響因素。這為納木錯(cuò)湖泊的水資源管理和環(huán)境保護(hù)提供了重要的科學(xué)依據(jù)，并為類似湖泊的監(jiān)測和研究提供了借鑒和參考。未來的研究可以進(jìn)一步探索湖泊變化與氣候變化、水文過程以及人類活動(dòng)之間的關(guān)系，并制定相應(yīng)的管理策略以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。