天山北坡典型研究区融雪期积雪光谱特征分析

论文摘要

积雪是指覆盖与地面或冰面之上而形成的降雪雪层，其是冰冻圈最敏感的要素之一，对全球大气和海洋的热状况以及区域性气候都有重大影响。地球表面反照率的细微变化，都会影响地-气系统的能量平衡,进而引起气候变化。作为冰冻圈中最为敏感的要素，其变化对我国尤其是西部地区经济建设和人们的日常生活影响更为广泛和直接。在融雪径流模拟过程中，积雪反照率为其主要影响因子，其直接影响结果的准确性。因而，对于积雪光谱特性的研究就显得尤为重要，积雪面的反射特性以及雪的粒径、密度、含水量等物理属性都会影响其反照率，反照率随着雪的这些物理属性变化而变化。因此，研究积雪反射率的吸收特征和基于积反射率的积雪物理特性预测模型，对研究积雪的演变和春季融雪性洪水模型的率定有重要现实意义和理论价值。本研究从实际测定积雪光谱出发，对积雪光谱进行的预处理后，利用光谱变化、光谱特征参数、以及光谱吸收指数等方法，分析积雪光谱的基本特征，通过对积雪光谱日变化分析、不同深度积雪光谱变化、不同粒径积雪光谱分析积雪细部特征。并对积雪光谱进行主成分分析，分析积雪光谱各波段贡献率。积雪光谱曲线和积雪物理特性进行相关性分析后，选择积雪物理特性（粒径、密度、含水率）响应最敏感的光谱波段，建立综合积雪物理特性预测模型，利用实测积雪物理特性数据对预测模型进行验证与分析。结果表明：（1）积雪光谱曲线580nm、800nm、900nm、1025nm、1250nm、1500nm、2000nm、2250nm特征点参数，特征点的趋势斜率一致性很高，不同样品间同一趋势斜率的变化不大，基本保持水平状态。（2）光谱曲线吸收峰在谷底吸收位置，谷底波长位置反射率，吸收宽度、深度，SAI都表现出很好的近似性，变化幅度较小，在1025nm、1255nm波长位置的样品光谱曲线吸收指数都在1左右，而在1500nm附近的吸收指数平均达到10左右。（3）通过对实测积雪光谱日变化分析可知：积雪光谱随时间的变化，反射率逐渐下降。观测时，一天当中11时积雪反射率最高，15时反射率是一天当中积雪反射率最低值，17时反照率有所回升，为积雪冻融观测提供了新思路。（4）阳坡积雪密度预测模型复测定系数R2为0.774，阴坡积雪密度预测模型复测定系数R2为0.866，阳坡积雪含水率预测模型复测定系数R2为0.866，阴坡积雪含水率预测模型复测定系数R2为0.879，积雪粒径预测模型复测定系数R2为0.802，利用实测积雪物理特性数据对预测模型进行验证与分析，各预测模型NS效率系数都很高，预测模型对积雪物理特性的预测能够得到较好的应用效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 国外研究进展
• 1.2.2 国内研究进展
• 1.3 研究内容、方案和技术路线图
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方案
• 1.3.3 技术路线图
• 第二章 积雪光谱数据采集
• 2.1 研究区概况
• 2.2 野外数据采集原理
• 2.3 实验方案的设计
• 2.3.1 时间选择
• 2.3.2 样方设计和目标选取
• 2.3.3 野外记录
• 2.4 积雪物理属性的测量
• 2.4.1 积雪密度和含水率的测量
• 2.4.1.1 TOIKKAoy 雪特性仪原理
• 2.4.1.2 雪特性分析仪测量方案
• 2.4.2 积雪粒径测量
• 2.5 地物目标特性
• 2.5.1 水体的光谱特性
• 2.5.2 积雪的光谱特性
• 2.6 ASD 光谱仪的设计与优点
• 2.6.1 ASD 光谱仪的设计
• 2.6.2 ASD 光谱仪的技术参数
• 2.6.3 ASD 光谱仪的优点
• 2.7 野外光谱测量的影响因素
• 2.7.1 参考（标准）白板
• 2.7.2 光照条件
• 2.7.3 水蒸汽
• 2.7.4 风力的影响
• 2.7.5 云的影响
• 2.8 ASD 光谱仪操作流程与规范
• 2.8.1 ASD 光谱仪的操作流程
• 2.8.2 ASD 光谱仪的操作注意事项
• 第三章 实测积雪光谱数据预处理
• 3.1 实测数据的均值处理
• 3.2 实测数据的平滑
• 3.2.1 Savitzky Golay 滤波平滑
• 3.3 光谱数据变换
• 3.3.1 光谱微分
• 3.3.2 光谱倒数
• 3.3.3 光谱对数
• 3.3.4 光谱平方根
• 3.4 光谱数据的归一化处理
• 3.5 光谱吸收指数
• 第四章 融雪期积雪光谱特征分析与雪特性预测模型建立
• 4.1 融雪期积雪概述
• 4.2 积雪光谱数据的特征提取
• 4.2.1 积雪光谱特征吸收带分析
• 4.2.2 积雪光谱特征吸收带提取
• 4.3 积雪光谱数据变化特征分析
• 4.3.1 积雪日变化光谱特征分析
• 4.3.2 不同深度面积雪光谱分析
• 4.3.3 不同粒径的积雪反射光谱
• 4.4 实测光谱数据的积雪物理特性敏感波段分析
• 4.5 基于多元线性回归的积雪特性参数预测模型
• 4.5.1 多元线性回归的原理
• 4.5.2 阴阳坡积雪密度预测模型建立与误差检验
• 4.5.2.1 阳坡积雪密度预测模型建立与误差检验
• 4.5.2.2 阴坡积雪密度预测模型建立与误差检验
• 4.5.3 阴阳坡积雪含水率预测模型建立与误差检验
• 4.5.3.1 阳坡积雪含水率预测模型建立与误检验
• 4.5.3.2 阴坡积雪含水率预测模型建立与误检验
• 4.5.4 积雪粒径预测模型建立与误差检验
• 第五章 结论与展望
• 5.1 引言
• 5.2 主要结论
• 5.2.1 光谱吸收指数和特征参数分析
• 5.2.2 积雪特征的变化分析
• 5.2.3 积雪物理特性的相关性分析
• 5.2.4 实测光谱数据积雪物理特性敏感波段选择与物理特性预测模型
• 5.3 特色与创新
• 5.4 展望
• 参考文献
• 硕士期间参加项目及发表论文
• 致谢