摘要：冻土是高纬度高海拔地区普遍存在的一种特殊土体。分为永久性冻土和季节性冻土，它们约占北半球面积的79%，作为世界上面积最大的国家，俄罗斯的冻土面积占有相当大的比重。从20世纪70年代至今，卫星遥感技术的使用促进了冻土研究的快速发展。主要针对俄罗斯亚洲部分的noaa遥感影像进行预处理，根据avhrr数据的波段特性使用分裂窗算法对地表温度进行计算，解译出永久性冻土和季节性冻土，并统计其冻土面积的变化，得出了俄罗斯北亚地区的永久性冻土正在逐年退化为季节性冻土的结论，并对其产生的原因及危害进行了分析。
关键词：俄罗斯；冻土；分裂窗算法；地表温度
中图分类号：p208；p931.8文献标识码：a 文章编号：
1672-1683（2010）06-0001-03
study on the fluctuations of frozen soil in russia (north asian) region based on noaa image
zhang fa-wang1, cheng yan-pei1,han xu2, feng zhong-ke2, dong hua1
(1.the institute of hydrogeology and environmental geology,cags,shijiazhuang 050061,china;2.institute of gis,rs & gps,beijing forestry university,beijing 100083, china)[jz)]
abstract: frozen soil is a widespread kind of soil at high altitudes and latitudes.it is divided into two parts,permafrost and seasonally frozen.it accounts for about 79% of northern hemisphere.as the largest country in the world,the frozen soil area occupies a large proportion in russia.the use of satellite remote sensing technology has promoted the rapid development of permafrost research since 1970s.in this paper,we made preprocessing for noaa remote sensing data in asian part of russia.according to the band characteristics of avhrr data,we used a split window algorithm to calculate surface temperature.we interpreted permafrost and seasonally frozen soil,and added up the change of frozen soil area.the conclusion was that permanent was being degraded for seasonally frozen soil every year.we also analyzed the reasons and the hazards.
key words: russia;frozen soil;split-window algorithms;land surface temperature.
1 研究区概况
俄罗斯是世界上领土面积最大的国家，位于欧洲东部和亚洲北部，其中亚洲领土面积约为1 110×104 km2，占亚洲总面积的1/4。www.11665.cOm北邻北冰洋，东濒太平洋。北冰洋沿岸属寒带气候，太平洋沿岸属温带季风气候。从北到南依次为极地荒漠、苔原、森林苔原、森林、森林草原、草原带和半荒漠带。俄罗斯全年温差普遍较大，1月平均温度为-1 ℃～-37 ℃，7月平均温度为11 ℃～27 ℃。纬度越高，平均温度越低。
俄罗斯的大部分区域是冻土，冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤，分为永久性冻土和季节性冻土，冻土随纬度和垂直高度而变化。永久性冻土，指的是持续三年或三年以上的冻结不融的土层；季节性冻土，是指地表层冬季冻结、夏季全部融化的土。自高纬度向中纬度，永久冻土埋深逐渐增加，厚度不断减小，年平均地温相应升高，由连续多年冻土带过渡为不连续多年冻土带、季节冻土带。俄罗斯（北亚）地区，永久性冻土主要集中在北部和东部，年平均气温0 ℃以下，永久冻土带从700.06 km长的西伯利亚亚马尔半岛一直向北极延伸，西伯利亚北部永久性冻土的厚度为200 m左右，最厚可达620 m，活动层小于0.5 m；季节性冻土主要存在于永久性冻土带边缘及乌拉尔山以西。
2 遥感影像的选取及处理
对于俄罗斯冻土的变化研究，需要选取合适的不同时相fig.1 topographic maps of russia (north asia) region
的遥感影像。对于这种范围广、面积大的大尺度区域变化研究来说，noaa是非常适合的遥感影像。noaa卫星是从20世纪70年代末至今一直在使用的气象卫星，影像时间跨度非常大，成像周期12 h，同一地区每天可有2次过境机会。其中，选取avhrr数据下载处理，进行研究。avhrr是noaa卫星的主要探测仪器，是一种五光谱通道的扫描辐射仪，其星下点分辨率为1.1 km×1.1 km。
在官方网站上下载avhrr 数据1989年、1999年、2009年三个时相7月上旬的数据，以便于同季节的比较，其分辨率为1 km。首先要对noaa影像进行预处理，noaa的校正选用envi软件，因为envi提供了多种卫星影像的自动校正模块。将投影定义为等积斜方位投影（azimuthal equal area），投影基准面为wgs-84，中心经度为90°e，中心纬度为40°n。由于影响质量存在差异，有些影响存在坏线，首先要检查坏线部分像元值变化范围，直接赋予零值。然后用envi的相关功能，将其设为空值，以除掉坏线。生成俄罗斯（北亚）地区1∶500万的遥感影像图。
3 冻土的遥感解译
3.1 解译方法
冻土在解译的过程中，要根据不同纬度、不同海拔解译，比较复杂。但是冻土的主要特点就是与地温关系密切，地温在0 ℃以下时，就会形成冻土，根据地温的不断降低，冻土的厚度在不断增长。avhrr数据有5个波段，利用这5个波段的特性，利用分裂窗算法对地温进行计算，利用地温来解译永久性冻土和季节性冻土。avhrr的波段范围及主要用途，见表1。
通道序号[]波长范围/μm[]主要用途
1[]0.8～0.68[]白天图像、植被、冰雪、气候
2[]0.725～1.00[]白天图像、植被、水/路边界、农业估产、土地利用调查
3[]1.58～1.64[]白天图像、土壤湿度、云雪判识、干旱监测、云相区分
4[]10.30～11.30[]昼夜图像、海表和地表温度、土壤湿度
5[]11．50～12.50[]昼夜图像、海表和地表温度、土壤湿度
分裂窗算法在近十几年来演算地表温度方面被广泛应用，国际上已经提出了十多种分裂窗算法。主要利用avhrr的两个热通道（通道4和通道5）数据，将热辐射数据转化为亮度温度，从而演算出地表温度。分裂窗算法的一般表达式如下：
ts = a0 + a1t4 + a2t5(1)
式中：ts—地表温度（k）（绝对温度）；t4和t5—avhrr热通道4和5的亮温度（k）； a0、a1、a2—由大气状况，观测角及地表比辐射率所决定的系数。
[jp3]becker和li提出的辐射率算法被广泛的运用到实践中，该算法是根据热辐射传导的地方性特征而提出的。其公式如下：[jp]
ts=1.274+p(t4-t5)／2+m(t4+t5)/2(2)
其中，p和m的求法如下：
p=1+0.156 16(1-ε)/ε+0.482δε/ε2 (3)
m= 6.26+3.98(1-ε)/ε+38.33δε/ε2(4)
其中，ε是两个热通道的平均辐射率：
ε=(ε4+ε5)/2(5)
通过以上算法得出的地温数值，永久性冻土常年地表温度在-1 ℃～5 ℃之间，而季节性冻土在7月上旬地表温度接近0 ℃或大于0 ℃。以-1 ℃为界，并结合实地考察及人工判别，解译出俄罗斯的永久性冻土范围及季节性冻土范围。
3.2 解译结果
根据冻土的解译原理，分别解译出1989年、1999年、2009年三个时相的俄罗斯（北亚）地区冻土专题图，如图3所示。
从图3中可以看出，冻土的总范围变化不大，但是永久性冻土和季节性冻土在1989年到2009年间有了较为明显的变化。从图中可以发现，俄罗斯（北亚）地区的永久性冻土整体退化明显，尤其是西部和中部地区，永久性冻土的边界在不断向高纬度地区移动，东部地区的突出部分面积也明显减少。也就是说，永久性冻土在不断的退化为季节性冻土。
在arcgis中，将专题分类图转为矢量图，利用面图层的交集、差集即可提取变化图斑，从 从表2中可以看出，冻土的总面积变化不大，有增长的趋势，但是总的规律并不明显。面积统计表证实了永久性冻土正在退化，并转变为季节性冻土。将计算出的永久性冻土和季节性冻土的面积，生成柱状变化图，见图4。
由图4可以看出，永久性冻土的面积以每年约1%速度不断的减少，而季节性冻土的面积则以每年约1%的速度不断增加，虽然冻土的总面积变化不大，但是永久性冻土退化转变为季节性冻土的速度令人担忧，按照目前的速度来看，如果人类不采取有效的措施，到21世纪末，永久性冻土将全部消失。
4 北亚冻土变化的原因
俄罗斯冻土产生变化的最主要原因是全球气温升高。近几十年来，由于人们焚烧化石矿物以生成能量或砍伐森林并将其焚烧时产生的二氧化碳等多种温室气体，这些温室气体对来自太阳辐射的可见光具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，能强烈吸收地面辐射中的红外线，导致全球气候变暖。气候变暖给全球许多地方带来了变化，冻土也不例外。据统计，俄罗斯变暖的速度是世界其他国家的1.5倍，按这个发展趋势，俄北方大部分地区将变成沼泽。俄罗斯北部的亚马尔半岛，冬天气温从过去的-50 ℃，上升到现在的-30 ℃。俄罗斯北部的永久性冻土随着逐年气温的升高已经开始融化，转化为季节性冻土。
[jp3]永久性冻土的融化对生态环境造成影响。冻土的消融使湖泊面积减少，北部的某些地区，湖泊甚至消失了一半。[jp2]俄罗斯北部的海岸每年都会有大片泥土坠入大海，岸边还会有永久性冻土融化的痕迹。令科学家们最担心的是，在俄罗斯北部地区，被冻结在土层中的数10亿t二氧化碳和甲烷等温室气体，永久性冻土如果继续融化，将使这些气体被释放出来，这些气体将会加速全球的温室效应，使气候变暖速度加快，导致恶性循环。[jp]
5 结论
[jp2]永久性冻土的融化同时影响着人类的生活。永久性冻土的融化会导致铁路中断和道路塌陷。在永久性冻土区有很多道路设施，都是建在永久性冻土的冻结时期，当永久性冻土融化后，土壤体积缩小，铁路钢轨面会降低，造成钢轨不平顺，容易发生火车翻车事故。同样，土壤体积减小会造成公路路面的不平稳，当车辆经过时，受力的不均匀会导致路面塌陷。对于俄罗斯的游牧民族来说，生活的主要来源是所饲养的牲口，湖泊的减少，使牲畜的饮水也减少，严重影响了牧民的生活收入。
[hj1.94mm]
参考文献:
［1］ 张廷军，晋锐，高峰. 冻土遥感研究进展：被动微波遥感［j］. 地球科学进展，2009，24(10)：1073-1083.(zhang ting-jiu,jin rui,gao feng. overview of the satellite remote:sensing of frozen ground passive microwave sensors［j］.advances in earth science. 2009，24(10)：1073-1083.(in chinese))
［2］ 吴吉春，盛煜，吴青柏，等. 青藏高原多年冻土退化过程及方式［j］.
