卫星重力监测全球地下水储量变化及其特征

地下水储量是水资源管理和陆地表面过程与水循环研究的一个重要参数。然而,由于传统观测技术成本高和空间分辨率低等局限性，很难建立一个全球连续的综合地下水监测网，因此监测全球高时空分辨率的地下水储量及其变化仍是当前的一个挑战。2002年发射的低低卫—卫跟踪“重力恢复与气候试验”(GRACE)重力卫星为高分辨率地监测全球地下水储量及其变化，提供了一种新的可能手段。利用2002年8月~2011年2月的GRACE观测数据估计近10 a的月间隔全球陆地水总储存量，扣除了GLDAS水文模型（全球陆地数据同化系统）中的地表水、冰雪和生物水，得到全球地下水储量时间序列，并分析其季节性和长期变化及其特征。研究结果表明:GRACE探测到全球地下水储量具有明显的季节性变化，例如在南美洲的亚马逊河流域和亚洲中南部的周年振幅达到50 mm，而在澳大利亚南部和非洲北部的周年振幅只有10 mm左右。另外全球地下水储量具有明显的长期变化，如南美洲亚马逊河流域由于洪水造成地下水储量以6 mm/a的速率增加，拉普拉塔地区由于干旱造成地下水储量以7.5 mm/a的速率减少;中国新疆吐鲁番盆地地区的地下水储量以3.1 mm/a的速率减少,中国华北地区的地下水储量以4.8 mm/a的速率下降。     

卫星重力监测全球地下水储量变化及其特征

地下水储量是水资源管理和陆地表面过程与水循环研究的一个重要参数。然而,由于传统观测技术成本高和空间分辨率低等局限性，很难建立一个全球连续的综合地下水监测网，因此监测全球高时空分辨率的地下水储量及其变化仍是当前的一个挑战。2002年发射的低低卫—卫跟踪“重力恢复与气候试验”(GRACE)重力卫星为高分辨率地监测全球地下水储量及其变化，提供了一种新的可能手段。利用2002年8月~2011年2月的GRACE观测数据估计近10 a的月间隔全球陆地水总储存量，扣除了GLDAS水文模型（全球陆地数据同化系统）中的地表水、冰雪和生物水，得到全球地下水储量时间序列，并分析其季节性和长期变化及其特征。研究结果表明:GRACE探测到全球地下水储量具有明显的季节性变化，例如在南美洲的亚马逊河流域和亚洲中南部的周年振幅达到50 mm，而在澳大利亚南部和非洲北部的周年振幅只有10 mm左右。另外全球地下水储量具有明显的长期变化，如南美洲亚马逊河流域由于洪水造成地下水储量以6 mm/a的速率增加，拉普拉塔地区由于干旱造成地下水储量以7.5 mm/a的速率减少;中国新疆吐鲁番盆地地区的地下水储量以3.1 mm/a的速率减少,中国华北地区的地下水储量以4.8 mm/a的速率下降。     

卫星重力监测全球地下水储量变化及其特征

地下水储量是水资源管理和陆地表面过程与水循环研究的一个重要参数。然而,由于传统观测技术成本高和空间分辨率低等局限性,很难建立一个全球连续的综合地下水监测网,因此监测全球高时空分辨率的地下水储量及其变化仍是当前的一个挑战。2002年发射的低低卫—卫跟踪"重力恢复与气候试验"(GRACE)重力卫星为高分辨率地监测全球地下水储量及其变化,提供了一种新的可能手段。利用2002年8月～2011年2月的GRACE观测数据估计近10 a的月间隔全球陆地水总储存量,扣除了GLDAS水文模型(全球陆地数据同化系统)中的地表水、冰雪和生物水,得到全球地下水储量时间序列,并分析其季节性和长期变化及其特征。研究结果表明:GRACE探测到全球地下水储量具有明显的季节性变化,例如在南美洲的亚马逊河流域和亚洲中南部的周年振幅达到50 mm,而在澳大利亚南部和非洲北部的周年振幅只有10 mm左右。另外全球地下水储量具有明显的长期变化,如南美洲亚马逊河流域由于洪水造成地下水储量以6 mm/a的速率增加,拉普拉塔地区由于干旱造成地下水储量以7.5 mm/a的速率减少;中国新疆吐鲁番盆地地区的地下水储量以3.1 mm/a的速率减少,中国华北地区的地下水储量以4.8 mm/a的速率下降。     

利用GRACE重力卫星监测黑河流域水储量变化

利用CSR数据中心公布的GRACE重力测量卫星最新数据RL04,经去相关和Fan滤波处理去除误差,提高结果精度,最终反演得到黑河流域2002~2008年水储量变化趋势,并对其进行时序特征和空间分布特征分析。结果表明：黑河流域水储量有明显的季节变化,水储量增加的最大幅度出现在夏季,减少的最大幅度出现在冬季;总体上水储量呈逐年上升趋势,水储量极值与降水极值具有较明显的一致性;水储量在空间上的分布受流域地形影响显著,上、中游水储量呈增加趋势,下游水储量部分地区减少,部分地区增加。     

两种重力卫星数据集的区域适用性分析

针对传统水资源监测方法在大尺度区域存在费时耗力、精度低、难以获取长时间序列结果等问题,提出了利用重力卫星遥感数据进行区域水资源反演监测的方法,并对不同数据集的区域适用性进行分析研究.分别采用CSR/JPL提供的GRACE卫星数据反演区域陆地水资源储量及地下水储量变化特征,并与实测地下水埋深反演计算的地下水储量变化结果进...     

基于GRACE监测数据的伊犁——巴尔喀什湖盆地水储量变化特征及影响因素

气候变化和人类活动对伊犁—巴尔喀什湖盆地自然生态环境的影响逐渐加剧,导致该盆地水资源问题日益突出。地处干旱区的伊犁—巴尔喀什湖盆地水资源的形成和耗散空间分离并且水文气象数据匮乏,使该地区的水资源研究和管理都相对欠缺。采用2003年1月至2014年5月1°×1°GRACE重力卫星的UTCSR-RL05L-2月数据反演得到伊犁—巴尔喀什湖盆地水储量变化,并利用全球陆面同化数据(GLDAS)对比分析,结合水量平衡原理,分析该地区水储量时空变化特征及影响因素。结果表明:伊犁—巴尔喀什湖盆地水储量变化呈现明显的年周期,该地区每年11月至次年4月水储量呈现增加趋势,水储量减少则出现在5月至10月;全年中8月份水储量减少最快,12月份增加最快。在影响整个盆地水储量变化的影响因素中,降水蒸发差是整个盆地水储量变化的最重要的影响因子,其次是蒸发,降水相对最弱。伊犁—巴尔喀什湖盆地水储量变化的影响因子具有明显的空间差异。水资源形成区水储量变化受降水影响最大,然而水储量耗散区水储量受降水蒸发差最明显。蒸发对耗散区的水储量变化的影响程度高于形成区。     

厦门岛及其邻域海岸线变化的遥感动态监测

利用美国Landsat TM/ETM+卫星影像,分1989、1995和2000年3个时相,研究了福建省厦门市从1989~2000年的岸线变化情况。岸线变化的信息主要通过变化检测和信息提取等一系列遥感技术来获得。研究结果表明,厦门市在所研究的1989~2000年期间,海域面积共减少了7.54 km²,这主要是由于城市用地扩展和养殖业发展占用了海域的面积。分时段研究表明,从1995~2000年,海域减少的面积明显要比1989~1995年期间来的多,这从一个侧面反映了厦门在1995~2000年间,城市建设和经济发展对土地提出了更高的需求。     

基于多源水文数据融合的GRACE水储量精度校正

全球水储量的时空变化研究,对理解全球水循环过程、安排农业生产、防治洪涝灾害等具有重要意义。GRACE重力反演与气象实验卫星为获取全球水储量变化提供了直接观测手段,但不同解算模型和方法导致最终水储量产品之间存在差异。针对现阶段GRACE水储量数据产品中所存在的不确定性,拟结合全球水文模型以及陆面模型数据,采用三角帽方法对现有水储量数据产品进行不确定性分析;选取不确定性最低的GRACE和全球水文模型数据产品,引入点面融合思想,利用卫星观测和模型模拟数据互相约束来选取训练点,基于BP神经网络、深度置信网络建立GRACE精度校正模型,对GRACE月尺度水储量数据进行校正。以美国加利福尼亚州为例,从产品不确定性定量评价、水储量异常长时序变化及空间分布定性分析和地下水井站点实测验证等方面对校正结果进行分析验证。结果显示：①校正结果相比原始卫星观测数据产品及模型模拟产品在不确定分析中具有更低的不确定性（GRACE CSR： 25.32 cm, PCR-GLOBWB： 33.10 cm, DBN： 13.85 cm）;②在长时序变化和空间可视化分析中,校正结果相较于原始数据减少了异常的波动;③地下水位监测水井站点验证中,校正结果在相关性、均方根误差以及平均绝对误差上均有提升。     

GRACE数据反演水储量及监测干旱的应用现状与展望北大核心CSCD

水储量是全球和区域水文循环的重要组分,借此可分析区域水资源和干旱的时空演变规律。传统的水储量监测方法以地下水位监测为主,但站点布设和分布情况限制了大尺度的研究与探索。GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星提供了大尺度的逐月地球重力场变化数据,国内外众多学者将其反演的水储量变化数据应用至水文学领域,在一定程度上推动了水文学的进步与发展,但目前系统阐述GRACE数据在反演水储量方面的研究仍不够全面,鲜有研究对基于GRACE数据的监测干旱和插补重建现状进行系统性的总结。该研究简要介绍了GRACE数据的应用领域,探讨了两种数据处理方法的优缺点,分析总结了GRACE数据在反演结果验证和不确定性、陆地水储量变化、地下水储量变化、干旱演变与响应、插补重建等方面的应用现状及存在问题,建议未来在变化环境对水储量变化的影响、降低GRACE数据的不确定性、构建更适合干旱监测的干旱指数、提高插补重建GRACE数据精度和提升GRACE数据时空分辨率等方面进一步开展研究,旨在为利用GRACE数据的相关研究提供借鉴与思考。     

张掖市甘州区1959~2009年间城市扩展分析

利用锁眼、MSS、TM影像和地形图及其他辅助数据,提取张掖市1959、1968、1977、1986、1997、2009共6个年份的城市建成区范围和面积,利用空间重心转移模型、扩展强度指数、扩展速度指数、紧凑度指数、面积变化、城市用地扩展系数等指标,分析了近50 a来城市土地利用扩张的空间变化特征。结果表明,50 a间张掖市城市建成区扩展5.71倍,其中1986年之前属于缓慢扩展阶段,1986年之后属于快速扩展阶段。在1959~1986的27 a间,建成区面积仅扩展258.42 hm²。1986~2009年期间,随着改革开放和西部大开发战略的实施,建成区面积增加了1 995.11 hm²,是前27 a的7.73倍。1959~1977年期间,城市重心偏移量小,1977~1986年期间,虽然城市扩展面积较小,但城市主要向西和西北方向扩展,重心开始向西北偏移,偏移量较大;1977~2009年期间,由于城市向东和东北方向扩展,城市重心开始向东和东北方向偏移,偏移量都很大,最大达到629.79 m。城市紧凑度在1959~1968年间急剧下降;在1968~1997年间逐渐趋于稳定后又略有下降,1997~2009年开始慢慢上升,该市后期土地的集约化以及城市基础设施和公共资源的利用效率有所提高。城市用地扩展系数在1959~1986年期间小于1.12,城市用地规模扩展不足(1977年前后比较特殊),1986~2009年期间,城市用地扩展系数大于1.12,城市用地规模扩展过快。     

基于LandUSEM模型的海南岛海岸带土地利用适宜性评价

开展海南岛海岸带土地利用适宜性评价对实现其土地资源合理配置有着重要意义。采用2000年、2010年和2020年3期土地利用数据,利用土地利用适宜性评价模型（Land Use Suitability Evaluation Model,LandUSEM）,优选适用于研究区的海岸带土地利用适宜性评价因子,得到海岸带土地利用适宜度空间分布及变化结果。研究表明：①海南岛海岸带土地利用适宜性年均值较高,整体适宜性较好。2000至2020年,研究区土地利用适宜性整体上先升高后降低。②在依据最新发展规划纲要将海南岛海岸带划分的四大区域中,南部组团土地利用综合适宜性最好,而北部组团最差。③土地利用类型与土地利用适宜性存在耦合性。近海地区适宜度变化相对明显,且人造地表扩张强烈,限制海岸带城镇建设用地扩张具有必要性。     

北京市土地利用变化对地表温度的影响分析

运用遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术,对北京1995年至2005年的土地利用时空变化特征进行了分析,并分析了土地利用变化对区域内地表温度的影响。北京在1995年至2000年的土地利用变化较小,随后五年城镇面积大量扩张,占用了大量的耕地和林地。北京地表温度等级较高的区域在数量上呈逐年增加的趋势,同时在空间分布上呈现从分散向城市中心集中的趋势。构建了TVX空间研究土地利用变化对地表温度的影响,计算了不同土地利用类型转变为建设用地的变化向量长度,并选取未变化的土地利用类型的平均温度作为控制点,消除不确定性因素,分析得出变化向量的幅度依次是:有林地>水域>其他林地>灌木林地>草地>耕地,由此可以看出,林地和水域对缓解地表热环境作用较强,在城市规划中,要尽量保护林地和水域。     

COSMO-SkyMed数据在常州市地表形变监测中的应用

小基线集合成孔径雷达干涉测量技术(SBAS-InSAR)已成功应用于城市地表形变监测,并表现出极大的潜力和优势。X波段高分辨率雷达卫星在地表微小形变探测方面较C波段和L波段更为敏感。选取覆盖常州地区COSMO-SkyMed高分辨率SAR影像,采用SBAS-InSAR方法获得了地表形变时间序列,对比水准观测数据,分析了干涉测量结果的精度,根据历史地下水位监测数据,分析了地下水水位变化对地表形变的影响。结果表明:干涉测量结果与水准观测数据具有很好的一致性,沉降区域主要发生在武进区,最大沉降量超过-40mm,主城区出现了轻微的回弹现象,回弹达到+5mm;地下水水位持续上升与地面沉降减缓、地面回弹趋势一致,地下水水位变化仍然是常州市地表形变的主要影响因素。     

2001~2018年三江源地表水动态变化及驱动力分析

当前很多研究利用遥感影像关注地表水动态变化情况,但不同算法得到的变化情况尚待进一步分析。基于GEE平台,以三江源为例,利用JRC全球地表水产品对三江源2001~2018年的地表水体面积进行动态变化分析,并结合大气再分析产品ERA5和PERSIANN-CDR进行驱动力分析。结果表明：2001~2018年期间,三江源常年性水体面积从6 403.61 km²增加至7 473.09 km²,主要增加部分分布于长江源区;三江源常年性水体面积变化和年降水量有显著正相关关系,常年性水体面积变化和气温没有显著相关关系;卓乃湖自2011年起溃坝,引起自身萎缩,导致其下游的盐湖扩张严重,有溃坝的风险。     

1992~2013我国干旱区城市不透水遥感制图与扩张过程分析

城市不透水地表作为城市建成区的重要环境指标和物理参数,在城市管理规划、环境评估、灾害预测、城市热岛以及气候变化等领域具有重要价值。及时准确地获取区域尺度城市不透水地表信息,对于城市发展综合规划、科学研究等具有重要意义。以DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）和MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）为主要数据,通过构建植被调节型不透水指数（Vegetation-Adjusted Impervious Surface Index, VAISI）和非线性机器学习模型支持向量回归（Support Vector Regression, SVR）,完成了1992~2013年我国干旱区主要城市不透水面的22期遥感制图与变化过程聚类分析。研究结果表明：近20 a来我国干旱区城市不透水面总体上扩张幅度较大;时间变化过程上呈现显著扩张的趋势,且这一扩张在过程在2000年前后出现了提速;空间上,干旱区城市扩展的区域异质性显著,各城市不透水面扩张速度不均衡,不同等级规模城市扩张的速度差异明显。结合城市扩张动态度和城市面积聚类分析,我国干旱区主要城市的扩张过程可分为：高速扩张型、快速扩张型、中速扩张型和低速扩张型。     

基于多源时空信息的西宁和拉萨近70年来城市扩展过程重现及地表覆盖变化分析

西宁和拉萨城市作为青藏高原人类活动的热点地区,其发展历程对青藏高原社会经济发展具有重要影响。研究基于遥感影像、城市规划图和历史地图等资料重建了西宁和拉萨城市1949基准年、1978基准年、1990年、2000年、2010年和2018年城市扩展及2000年以来城市不透水层和绿地空间组分数据,分析了1949基准年以来西宁和拉萨主城区城市扩展的时空特征,揭示了社会经济因素和政策因素对城市土地利用/覆盖变化的影响。研究结果表明：①新中国成立以来,西宁和拉萨主城区持续扩展,均呈现非线性的增长态势,城市土地面积分别从1949基准年的1.98 km²和1.10 km²增长到2018年的79.26 km²和77.04 km²;西宁主城区城市扩展呈现十字状的扩展态势,拉萨呈现出圈层外延式的扩展模式;②自2000年来,西宁和拉萨城市绿化水平显著提升。2000~2018年,西宁和拉萨城市不透水层面积分别从36.91 km²和21.56 km²增加到55.34 km²和48.21 km²,城市绿地空间面积分别从10.78 km²和8.48 km²增加到19.21 km²和20.35 km²,年均扩展速度分别为0.47 km²/a和0.66 km²/a;主城区城市不透水层比例分别从74.09%和66.21%下降到69.82%和62.58%,城市绿地空间比例从21.64%和26.05%上升到24.24%和26.41%;③西宁和拉萨城市人口增长、经济发展和国家相关政策与主城区城市扩展及其土地利用/覆盖变化密切相关,主城区城市扩展阶段与人口增长、经济发展阶段以及国家相关政策实施时间接近吻合。主城区土地利用/覆盖变化与城市规划相关政策高度相关,尤其是园林绿化建设,显著增加了城市绿地空间面积,城市绿地空间面积比例较2000年显著提升。     

非渗透表面丰度提取方法运用——以广州市海珠区为例

非渗透表面丰度即非渗透表面含量百分比,是水文学中不透水层与遥感领域混合像元分解概念相结合的产物。在城市区域,非渗透表面多指房屋、道路、停车场等建设用地区。本文基于广州市海珠区2000年ETM＋数据,首次采用单窗算法反演的地表温度数据与植被-非渗透表面-土壤（V-I-S）模型、归一化线性混合光谱模型（NSMA）相结合的方法提取研究区非渗透表面丰度值,并对提取结果进行49个300m×300m有效样区的抽样检验。结果表明抽样值与真实值之间存在10.03%的均方根误差以及2.65%的系统误差,从而进一步验证了三模型结合使用提取非渗透表面丰度的可行性。     

多时相影像福州市不透水面对城市地表温度的空间分布研究

随着城市化进程的加快,城市热力场也随之发生变化,从而影响着城市区域环境、社会经济以及社会环境。由于NDVI具有季相变化的不稳定性,本研究采用两个时相TM/ETM+影像分析福州市及其周边地区不透水面对热力场的时空分布变化状况。为了获取精确的城市不透水面信息,本实验采用NDVI二元法结合2000年同区域的IKONOS影像提取不透水面信息。通过定量分析不透水面百分比、NDVI与地表温度的关系,得出不透水面百分比与城市地表温度呈线性相关,其相关系数在0.7左右;尤其30%以上的不透水面对地表热环境的空间分布影响最为突出,因此,相对于不稳定的NDVI而言,不透水面信息能更好地反映城市热环境的空间分布状况。     

基于MODIS温度和植被指数产品的山东省土地覆盖变化研究

地表温度(LST)与归一化植被指数(NDVI)构成的NDVI-Ts特征空间具有丰富的地学和生态学内涵。MODIS数据因其优越的时间分辨率、波谱分辨率,已被广泛地运用于各个领域。在本研究中,运用遥感技术和GIS技术相结合的手段,利用NASA提供的MODIS温度产品和NDVI产品,以山东省土地利用图、山东省TM遥感影像图和基于3S技术的山东省森林资源调查项目的外业调查数据为参考和评价标准,以NDVI-Ts时间序列为指标,在进行土地覆盖分类的基础上,分析比较了山东省土地覆盖从2000年到2006年的变化情况。研究结果表明,利用MODIS产品将NDVI-Ts时间序列作为分类特征,在较大尺度范围的土地覆盖分类中具有较高的分类精度,有利于对土地覆盖变化进行动态监测。