基于遥感和地面测量的多尺度土壤水分产品验证分析

遥感反演是大尺度土壤水分监测的有效手段,但地面验证一直是土壤水分遥感反演的瓶颈。针对地面土壤水分测量,频域反射仪(FDR)和宇宙射线中子法(CRS)在土壤水分测量中展现出较大的应用潜力。本研究选取不同像元尺度的土壤水分遥感反演结果,包括30 m分辨率Landsat土壤水分反演、1 km分辨率MODIS土壤水分反演和SMAP卫星3 km分辨率和9 km分辨率土壤水分反演产品,利用CRS和FDR土壤水分监测数据对不同像元尺度土壤水分结果进行精度验证分析。结果表明:CRS在30 m分辨率、1 km分辨率、3 km分辨率和9 km分辨率土壤水分反演结果中精度均较FDR方法高,其中1 km分辨率中CRS反演值的均方根误差小于3 km分辨率和9 km分辨率的误差。CRS测量方法对小降水事件较敏感,会带来一定误差。     

滦河流域遥感反演降水产品高精度空间降尺度方法

以滦河流域为研究对象,对流域2018年GPM（global precipitation measurement mission）降水产品适用性进行评估;利用降水与海拔、经纬度和归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）之间的相关性,构建基于PSO-BP（particle swarm optimization-back propagation）的GPM降水空间降尺度模型,得到2018年滦河流域空间分辨率1 km的降水数据。[JP]结果表明：原始GPM降水产品可以较准确地表达滦河流域降水,但总体存在降水量高估现象;以国家气象中心降水产品CGDPA（China gauge-based daily precipitation analysis）数据为基准,对空间降尺度前后的降水数据进行精度评估,发现在年、季和月不同时间尺度上,空间降尺度后的降水数据与CGDPA数据相关性更高,均方根误差更小,相对偏差值控制在±10%以内,[JP]这说明降尺度后降水数据空间分辨率和精度都更高。     

土壤水力参数的单一参数模型

以甘肃省河西走廊石羊河流域为例，在78个土壤样品试验数据的基础上，建立了土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率和土壤导水率的单一参数模型，并对模型中的参数特征进行了分析。研究表明，单一参数模型具有一定的拟合精度，模型中的唯一参数能够描述土壤水力参数曲线，可以作为描述这些参数空间变异的变异系数，是进行大尺度区域土壤水力参数空间变异研究中比较理想的模型。     

科尔沁沙地土壤表层水分遥感反演模型研究

为了对三北防护林体系和科尔沁沙地的沙漠化进行监测,选择内蒙古翁牛特旗作为实验区,利用LandsatTM遥感数据对实验区进行了地表土壤水分反演。文中采用热惯量法、温度植被干旱指数法和BP神经网络法进行地表土壤水分的反演,3种算法均能较好地反映地表水分的空间分布趋势。并对三种反演算法建立的土壤含水量遥感信息模型进行了精度检验。统计结果表明:BP神经网络法建立的遥感信息模型精度最高;温度植被干旱指数法建立的遥感信息模型精度居中;基于热惯量法建立的土壤含水量遥感信息模型精度最低。实验结果为三北防护林和科尔沁沙地沙漠化监测奠定了部分数据基础。     

土壤空间分辨率对BTOPMC模型径流模拟的影响

以湄公河为例,给出了3种不同分辨率的网格土壤类型,分析了不同的土壤空间分辨率对BTOPMC模型参数的影响。结果表明:不同分辨率下,用1980年优化得到的BTOPMC模型参数模拟1982年径流时,都能体现湄公河流域的水文过程,且峰现时差几乎不受土壤空间分辨率的影响;使用不同土壤分辨率的数据进行优化得到的Nash效率相近;BTOPMC模型对土壤信息的敏感性较弱。     

基于星地数据与GA-DNN算法河北省径流格点数据降尺度研究

为了克服现存径流量格点数据低分辨率问题,搜集基于多种遥感数据的环境变量集,运用遗传算法(GA),筛选出最优变量做为输入因子,运用随机森林(RF)算法,建立河北省2018年的径流量降尺度模型。结果显示,GA算法能排除冗余变量,筛选易于模型增益的协变量,进而优化模型性能。同时,地面水文站资料验证显示,降尺度后径流量格点数据的NSE为0.76,MAE和RMSE分别为28.39、37.97mm。相较于原始径流量格点产品,降尺度后的NSE增加8.57%,MAE和RMSE减小21.44%、23.92%。研究表明,GA-RF降尺度模型可为重构精细化地表径流量栅格数据集提供潜在途径。     

基于遥感技术的干旱区地下水监测研究

在分析地下水和土壤水相互补给条件的基础上,综合利用多源地理空间数据,识别基于土壤含水量的地下水遥感监测模型的适用范围,进而利用长时间序列遥感影像反演土壤含水量,并结合地下水埋深实测数据构建干旱区地下水监测模型。基于该方法,在新疆阿克苏河流域的绿洲-荒漠区进行了实例研究,建立了该区基于土壤含水量的地下水监测模型,并分析了地下水埋深的时空变化特征。结果表明:该模型在区域尺度可以较好地模拟地下水埋深,研究区2003—2015年地下水埋深年际波动变化较大,总体呈增大趋势,在空间上表现为西浅东深的分布特征。     

基于GF-1/WFV的钱塘江叶绿素a和总悬浮物浓度遥感估算

为了探究高分一号(GF-1)卫星对河流水体水质参数遥感反演的效果,使用GF-1卫星数据的16 m分辨率的GF-1/WFV传感器数据和地面实测数据,基于地面实测光谱反射率数据模拟WFV波段组合,构建水体叶绿素a和总悬浮物浓度遥感模型,从而对钱塘江流域杭州段水体水质参数进行估算。研究结果表明:基于B1-B3差值的二次多项式模型可用于叶绿素a浓度估算(R²=0.83,RMSE=0.74 μg/L),基于B3波段的二次多项式模型可用于总悬浮物浓度的估算(R²=0.92,RMSE=1 mg/L);通过模型应用于准同步的GF-1/WFV数据,较好反映了低潮位钱塘江杭州段水体叶绿素a和总悬浮物浓度的空间分布,为高分一号卫星数据遥感监测钱塘江水色参数做出了有益的探索性工作。研究方法及结果对其他流域河流水色遥感研究具有参考价值。     

高海拔地区TRMM降水数据空间降尺度分析与模拟——以拉萨河为例

高海拔地区往往实测降水数据缺乏,借助卫星遥感数据可弥补传统观测的不足。选取拉萨河流域为研究对象,在对其降雨-植被-气温关系深入分析的基础上,结合多元线性回归、残差分析和空间插值反距离权重法,将分辨率为0.25°×0.25°且高估研究区降水约29%的TRMM 3B43V7数据空间降尺度到0.05°×0.05°,并且结合实测站点数据对降尺度数据进行进一步修正,最终的高质量降水数据集在绝大部分区域的精度得到极大的提高,可为高海拔地区水文水资源研究提供基础数据支撑。     

基于Bayes理论的田间层状土壤水分运动参数识别及不确定性分析

土壤水分运动参数是非饱和带水分及污染物运移研究的核心参数,根据点尺度土壤样本的室内稳态试验得到的水分运动参数往往不能准确反映天然条件下田间尺度土壤水分运动特征。本文基于为时2年的田间土壤含水量观测数据(2013年为率定期,2014年为验证期),通过土壤转换函数得到了VGM(van Genuchten-Mualem)模型水力参数的先验分布,建立了反演层状土壤持水和导水特征的贝叶斯模型,采用自适应差分演化(DREAMZS)的采样方法,结合Hydrus_1d模型,对田间尺度土壤水分含量预测模型进行优化及不确定性分析,获得了水分特征参数的后验分布,分析了最优参数组的模拟效果及模型预测的95%的置信区间。结果表明,基于DREAMZS采样的Bayes方法可以实现田间尺度层状土壤水分特征参数的率定及土壤水分动态的模拟预测。率定结果显示饱和导水率Ks最不敏感,饱和含水量θs最为敏感,可识别性较高,室内试验反演得到θs可用于田间土壤水分运动的模拟。随着土壤含水量模拟深度的增加,PUCI(单位平均相对宽度所包含的实测点数据比例)值越大,模型预测的性能越高。模拟结果的不确定性主要由模型结构所引起,所以对模型结构的修改完善是未来提高模型预测的关键。     

基于SDSM的赣江流域未来降水与气温的时空变化分析

利用赣江流域6个气象站数据(1961年～2005年)和NCEP再分析资料,建立了气候要素的SDSM降尺度模型,并将模型应用于Can ESM2模式的RCP4. 5情景,得到了流域未来气温与降水的变化趋势。即SDSM降尺度模型对赣江流域气温的模拟效果较好,降水略差;赣江流域未来降水均呈增加的趋势,降水空间分布基本呈南低北高趋势;未来气温均呈增加的趋势,各时期最高气温稍大于基准期;各时期最低气温稍大于基准期;赣江流域未来不同季节的平均气温均大于基准期;赣江流域未来气温空间分布呈现南高北低,西高东低的趋势。     

区域土壤水资源评价研究进展

土壤水作为水资源的一种,其研究意义与应用价值逐步得到重视,但土壤水资源评价的研究仍显不足。土壤含水量可通过直接计算或间接反演获得,评价方法应以区域水量平衡为基础,采用循环量或可更新量等指标来表征资源的数量,并区分天然补给和人工灌溉对土壤水分变化的影响。在此基础上,采用分布式水文模型、遥感等工具,耦合土壤水分运动模型,实现尺度转换,结合土壤水资源质量评价获取不同时空尺度土壤水资源的分布。     

基于多源遥感土壤湿度与模型数据同化的流域径流模拟

为提升径流模拟精度,以秦淮河流域为例,采用集合平均法将SMAP、SMOS、AMSR2卫星遥感土壤湿度融合并利用地形湿度指数进行空间降尺度处理,采用卡尔曼滤波算法和栅格新安江模型进行遥感融合土壤湿度同化。对2016—2018年秦淮河流域3个流量站记录的11场洪水进行模型数据同化的结果表明：日尺度率定期洪峰、径流深相对误差合格率均为71.43%,验证期洪峰、径流深相对误差合格率分别为66.67%和100%;经同化后,8场洪水径流深误差减小,平均误差降低29.01%;8场洪水确定性系数增大,范围在0.01～0.09之间,模拟精度最高可提升11.84%;同化多源遥感土壤湿度能有效改善土壤湿度估计的准确性,进而提升径流模拟精度。     

RF-SVR降尺度模型在滦河流域的适用性分析

探讨了RF-SVR统计降尺度模型用于汛期极端降雨模拟的可能性.该统计降尺度模型由降雨状态分类和降雨量预测回归两部分构成,降雨状态分类过程中采用了随机森林(RF)方法,降雨量预测回归过程采用了支持向量机回归(SVR)法.选用1961-2000年的NCEP/NCAR再分析资料及滦河流域10个雨量站点的降雨观测数据进行模型率...     

气候变化条件下流域径流演变趋势分析

为了预测流域未来径流演变趋势,通过主分量分析、降尺度模型和SWAT模型,预测分析了流域在大气环流模型(GCMs)A2/B2气候情景下2010—2099年的日最高最低气温、日降水和月径流量。主分量分析提取大尺度下气候预测因子的主成分,降尺度模型利用提取的主成分预测站点的最高最低气温和降水,SWAT模型利用预测的站点数据计算未来径流量。结果表明,A2/B2两种气候情景下流域未来气温呈波动上升趋势,降水、径流均呈波动下降趋势,其中B2情景变化幅度大于A2情景。     

垂直干旱指数在湖北漳河灌区遥感旱情监测中的应用

遥感技术具有覆盖范围广、空间分辨率高、重访周期短、数据获取快捷方便等优点,遥感干旱监测已经成为干旱监测的重要研究方向之一。詹志明（2005）、阿布（2004）等假设裸露土壤的光谱特征满足线性分布,在NIR Red光谱特征空间中提出了垂直干旱指数（PDI）,并在我国西北干旱区宁夏固原地区进行了模型验证。为了进一步验证PDI在茂密植被覆盖条件下的可行性,选择长江中下游流域的典型灌区湖北漳河灌区作为研究区域,采用ETM+数据计算PDI,与2～5cm平均土壤水分相比较,结果表明：模型观测值变化曲线和实测土壤水分变化趋势保持一致,2～5cm平均土壤水分相关系数为0.76,与实测干旱指标基本吻合。PDI模型能够有效地反映地表覆盖和水热组合,简单实用,具有通用性和普适性,适宜于复杂下垫面条件下的遥感旱情监测。     

齐齐哈尔市降水量季节性分布研究

文章以济宁市2019年逐月GPM降水产品为基础,引入1 km空间分辨率的海拔、经度、纬度等降尺度因子空间数据,基于地理加权回归(GWR)模型实现GPM产品降尺度研究。结果表明:GPM降水产品在降尺度前后具有一致的空间分布趋势,但经GWR降尺度后数据空间分辨率显著提升,能准确模型区域降水分布细节信息;降尺度前后的数据呈现良好一致性,具体为型的R2介于0.81-0.95之间,MAE为3.26-36.74mm, RMSE为2.12-28.23mm。降尺度结果显示,区域降水量空间分布与年内分配不均衡,降尺度中心在春夏季呈逆时针移动,在秋冬季呈顺时针移动。     

基于ATAK的MSWEP数据空间降尺度及对降水融合的影响研究

全球性降水数据为获取大范围降水空间分布提供了新途径,但其空间分辨率不高一直是制约其应用于流域或区域尺度上的重要因素之一,因此研究全球性降水数据的空间降尺度方法具有重要的理论和实用价值。本文采用从区域到区域的Kriging(Area to Area Kriging, ATAK)和反距离权重(Inverse Distance Weighted, IDW)两种方法,不考虑地面雨量资料及影响雨量的有关辅助信息,在汉江流域将全球性降水数据MSWEP的空间分辨率由0.1°×0.1°提高至0.02°×0.02°。结果发现ATAK降尺度得到的月雨量场虽然在统计精度上与IDW无明显差异,但提高了对月降水量局部空间变异特征的描述能力,在一定程度上克服了IDW的平滑效应。进一步以ATAK、IDW降尺度处理后的MSWEP数据以及不作空间降尺度处理的原始MSWEP数据为背景场,采用GWR方法分别与雨量站网降水数据融合,发现3种情况下得到的月降水融合数据在空间基本格局上相同,精度统计结果也较为接近,但雨量场的空间连续性及细节特征仍有一定差异。在地表雨量站网密度较高的情况下,背景场差异对MSWEP和站点降水融合结果...     

妫水河流域未来气候变化下的水文响应研究

通过HadCM3降尺度数据与HSPF水文模型耦合,探讨了未来气候变化情景下妫水河流域日最高、最低气温与降水量的变化情况。基于统计降尺度模型SDSM,将1961—2099年数据降尺度到各站点,生成了两种气候变化情景下的日最高气温(T max)、最低气温(T min)和降水量(P)数据。同时,构建了HSPF水文模型,分别用2005—2006年、2007—2008年数据进行了有效率定和验证,模拟了该流域在未来气候变化下的水文响应。结果表明:妫水河流域未来90 a的气温总体呈升高趋势,而降水量和地表流量呈减小趋势;高温室气体排放情景下日最高气温、最低气温、降水量和地表流量的10 a变化率分别为0.462℃、0.453℃、-0.010 mm、-0.051 m3/s,低温室气体排放情境下分别为0.263℃、0.264℃、-0.014 mm、-0.044 m3/s,流域干旱加剧的可能性进一步加大。     

基于多源数据与多模型集成的流域人为蒸散发变异评估

人类活动对流域蒸散发的干扰日益显著,然而实测蒸散发数据稀少,且尺度差异与空间异质性等问题限制了大尺度陆面模型与遥感产品在人为蒸散发评估中的适用性与可靠性.本文提出了一种基于多源数据与贝叶斯模型平均的人为蒸散发变异评估框架,并应用于珠江流域.结果表明,通过综合利用地面观测(降水、径流、潜热通量)、社会统计(水资源开发利用...