格尔木河流域土壤湿度时空变化及其影响因素研究

土壤湿度是表征土壤含水量的一种相对变量,是地下水-地表水-大气水循环系统的核心和纽带。研究土壤湿度的分布特征及其影响因素对干旱地区的生态环境保护具有重要意义。文章基于MODIS数据,应用表观热惯量(ATI)法反演了格尔木河流域土壤湿度时空变化规律并分析其影响因素。为了研究结果的可靠性,利用Mann-Kendall方法进行了趋势检验分析,利用CLDAS数据和野外实测土壤含水量数据对遥感反演结果进行了检验验证,结果表明:2002—2016年格尔木河流域土壤湿度总体呈现上升趋势,并且通过Mann-Kendall检验分析,结果显示2008年发生突变,上升趋势明显。通过对流域不同用地类型的解译,北部盐池平均ATI值最高为0.088;中部及南部大面积裸土平均ATI值最低为0.028;自然植被与耕、林地平均ATI值分别为0.034和0.033。遥感反演土壤湿度结果与CLDAS数据和野外实测土壤含水量数据的相关性分别为0.85和0.59,相关性较高,说明遥感反演结果具有一定的可靠性。与蒸发、植被有良好的响应关系,相关系数分别为0.92和0.79。     

内蒙古中部地区土地荒漠化遥感调查及环境质量评价

选择内蒙古中部地区作为典型荒漠化区域,根据荒漠化土地分类体系,确定决策树的结构以及各类地物在树形中的位置。基于各类地物的光谱反射特性和图像数据反映的综合特征,采取相应的识别和提取方法,以最大限度地利用遥感数据源。在研究过程中,采用从多光谱及多时相TM和ETM⁺遥感数据中提取出的光谱反射特性、土壤调节植被指数、土壤亮度指数以及土壤湿度指数等复合指数进行不同地物的分类和提取。结果表明:利用决策树分层提取法可以有效地排除和避免提取地物时多余信息的干扰及影响,目标明确。然后,通过图像代数检测法及目视解译法确定1990-2000年土地荒漠化的变化信息,对内蒙古中部地区的荒漠化演变规律做出分析。最后,结合研究区气候数据,在GIS支持下,通过对研究区生态环境质量变化和气候因子变化的相关性分析,表明研究区影响环境变化的主要因子是降水量与蒸发量(干燥度)。     

点状不良地质体钻孔雷达响应特征 ——围岩及充填效应正演分析

钻孔地质雷达探测是一种有效获取高分辨率深部岩体信息的井中地球物理方法。针对钻孔地质雷达探测工作中常见的空洞、岩溶和地下埋藏物等点状不良地质体,利用时域有限差分数值模拟方法,对岩土体内点状不良地质体围岩介质和充填状况进行了雷达响应正演研究,分析了这些点状不良地质体围岩介质和充填状况对钻孔地质雷达反射信号的影响。研究结果表明,围岩与空洞内充填物的相对介电常数相对值,决定着雷达反射剖面信号的强弱对比,介电常数相对值较大时,更易确定目标地质体的前、后部界面位置,而低阻围岩的雷达波信号大部分被围岩介质吸收,通过单孔反射方法几乎不可能探测到空洞的存在。通过反射信号强度和正负相反射特性及其强弱变化,可以定性地判断空洞内填充物质的性质。     

基于TM数据的土壤湿度指数预测半干旱地区浅层地下水的研究——以朝阳地区为例

为更方便、有效的勘察干旱半干旱地区的浅层地下水信息,以辽宁省朝阳市区域为研究区,以2004~2010年TM多光谱数据为基础,利用修正归一化水体差异指数提取了多年的地表土壤湿度信息。通过对土壤湿度信息分级并对植被、岩石以及地表水体进行掩模处理,得到了土壤湿度信息的分级图。同时,为了比较土壤湿度较大地区地下水的赋存信息,进行了实地考察并对比水文地质资料,认为基本与遥感所得结论一致,证明了该方法在半干旱地区的可行性与有效性。     

土壤水分与干旱遥感研究的进展与趋势

对土壤水分和干旱遥感监测的国内外发展情况进行了回顾,依据土壤水分和干旱遥感监测的原理,围绕着可见光与近红外、热红外、微波光谱波段的使用,分别以土壤和植被为观测对象,对国内外土壤水分与干旱遥感现状与发展趋势进行讨论。重点对微波遥感土壤湿度的算法发展和研究趋势进行了较详细的论述。在总结国内外土壤水分遥感监测研究实验中所用过的方法与原理的基础上,对目前遥感监测土壤水分研究领域的重点、难点和未来的发展方向进行了评述。土壤水分遥感监测是一个复杂的间接过程,波段及变量选择、传感器的性能等因素对土壤水分监测是至关重要的,土壤的各种理化性状、地形的分异作用以及气候变化和人为的土壤管理措施对土壤水分均有不同的影响,地表特征与土壤水分也存在着一定的相关性。改进的热惯量法和作物缺水指数法是当前土壤水分遥感监测中较为成熟的方法。GIS技术的广泛应用、土壤水分遥感监测模型的优化。微波遥感的应用将是该领域的重点研究方向。     

LNAPL污染物及水含量对石英砂介电常数的影响

为研究LNAPL污染物及水含量对石英砂介电常数的影响,首先以石英砂模拟单一土壤环境,利用柴油和水的混合物来模拟轻非水相液体(LNAPL)污染物污染土壤,然后通过矢量网络分析仪和开口同轴探头,分析高频超宽带电磁波在土壤中的反射并计算介电常数。实验结果显示,石英砂介电常数随着体积含水量和含油量的增加而增加,直到达到饱和状态,此时石英砂介电常数趋于稳定;石英砂介电常数实测值处于极化模型和De Loor模型之间,结果与De Loor模型接近。     

时域反射技术在地学研究中的应用

综合介绍了时域反射技术在地学研究中的应用。包括时域反射仪的工作原理、测量参数(特征阻抗、介电常数、土壤含水量、土壤电导率)、时域反射探针技术以及时域反射技术在农业地质、水文地质、灾害地质等研究中的应用与进展。     

卡尔曼滤波在阳山金矿控制测量中的应用

卡尔曼滤波在信号处理与系统控制领域应用广泛。本论文主要是利用卡尔曼滤波数学模型对控制测量中的GPS信号、星历和残差进行优化,从而在同一时间、同一地点、同一天气的情况下尽量提高GPS精度。     

温度对土壤介电常数的影响规律研究北大核心CSCD

介电常数是频域反射法测定土样含水率的关键参数之一。为获取温度对土壤介电常数的影响规律,利用矢量网络分析仪测得不同含水率、含盐量的试样在不同试验温度下的介电常数。通过分析土样介电常数随不同因素的变化规律,最后建立了介电常数与温度的关系。结果表明:温度对土样介电常数的影响主要表现在冰水剧烈相变阶段。当温度低于某一温度或者高于冻结温度后,介电常数受温度的影响较小。负温条件下,土样介电常数随含盐量增大而增大。引入阶梯函数建立的三阶段模型,可有效描述土样介电常数随温度的变化规律。     

柴达木盆地土壤湿度的遥感反演及对蒸散发的影响

土壤水分是地下水-土壤水-大气水循环系统的核心与纽带,蒸散是该系统的重要驱动力。从区域尺度上研究土壤含水量的分布特征及土壤含水量对蒸散的影响对干旱区的生态环境保护具有重要意义。基于MODIS数据和GLDAS数据,应用表观热惯量法对GLDAS地表0~10 cm土壤湿度数据降尺度处理,估算柴达木盆地平原区2014年间6—9月的月均土壤湿度,并结合归一化植被指数(NDVI)和实测土壤湿度数据对反演结果进行验证;利用地表能量平衡系统(SEBS)模型对平原区9个子流域的日均蒸散量进行计算,分析了土壤湿度与日均蒸散量之间的关系。结果表明：反演得到的表观热惯量(ATI)与GLDAS地表0~10 cm土壤含水量数据相关性较好,决定系数R2整体在07以上;利用ATI对GLDAS数据降尺度处理,得到的土壤含水量与NDVI和实测土壤湿度的决定系数R2分别为0954和0791,因此使用ATI法对GLDAS土壤含水量数据降尺度反演柴达木盆地平原区土壤湿度是可靠的。平原区日蒸散量与土壤湿度呈明显的正相关关系,决定系数R2整体在096以上,在影响蒸散的各考虑因素中,土壤湿度对蒸散的影响远大于其他因素。     

Research and Application of Cosmic-ray Fast Neutron Method to Measure Soil Moisture in the Field

It is very difficult to measure large region soil moisture. In recent years, measurement of surface soil moisture by the cosmic ray fast neutron probe has gradually attracted more attention. By this passive, non-invasive and intermediate scale measurement, soil moisture at a horizontal scale of around 300 m can be observed, which makes this method available to fill the gap between little scale of traditional point measurement and large scale of remote sensing in the measurement of soil moisture. In this paper, Cosmic-ray Soil Moisture Observing System (COSMOS) and Wireless Sensor Network (WSN) were used to observe field soil moisture in Zhangye Oasis. The results of the COSMOS soil moisture well reflected the variation trend of soil moisture at the field scale. There were some regular changes with the cosmic ray soil moisture during the irrigation period. Combined with irrigation data in cosmic-ray probe footprint, a bimodal change was showed in the cosmic-ray soil moisture figure during irrigation period. This was because that the order of irrigation of the three communities was different in cosmic-ray probe footprint. WSN data were used to validate this result and we found that root-mean-square error between cosmic-ray soil moisture and SoilNET average soil moisture was very large during irrigation periods because of the impact of cosmic-ray measurement theory. While root-mean-square error would decrease from 0.037 m³/m³ to 0.028 m³/m³ after we eliminated the data in irrigation period. So COSMOS can be used to measure field soil moisture under high heterogeneity condition and provide truly ground data for the validation of remote sensing     

GPS无线电掩星技术监测地球大气

ＧＰＳ无线电掩星技术是从行星掩星（飞行器）探测行星大气^{［１～３］}的遥感技术发展而来的。１９９５年４月３日小型卫星ＭｉｃｒｏＬａｂ１的发射升空，标志着以ＧＰＳ无线电掩星建议为基础ＧＰＳ／ＭＥＴ计划纳入了正式实验阶段。实验结果证实了ＧＰＳ无线电掩星技术在探测地球大气方面潜在的科学价值与实用意义。简要系统地介绍了利用ＧＰＳ无线电掩星技术监测地球大气折射率、温度、气压和水蒸汽丰度等物理参量廓线分布的基本原理、主要误差源和空间分辨率，以及数字模拟结果和初步实验结果，并分析了ＧＰＳ无线电掩星技术在监测全球气候变化和提高数值天气预报精度等方面的潜在贡献。     

基于块克里金的土壤水分点观测向像元尺度的尺度上推研究

土壤水分是陆面水文过程的一个重要分量,土壤水分的地面点观测与卫星观测的尺度是不匹配的,用点观测数据进行遥感反演结果的验证或者融合这两种观测都需要开展点观测数据向卫星像元尺度的尺度上推研究.土壤水分时空异质性的分析和描述是进行尺度上推的基础,地统计方法是描述连续随机变量空间结构的经典方法.应用块克里金法分别将黑河寒区遥感试验阿柔试验区2008年4月1日与L波段微波辐射计同步的地面液态含水量和含冰量点观测数据经过尺度转换,得到与遥感像元相匹配的像元平均估计值和标准差,可用于该天L波段微波辐射计土壤液态含水量和含冰量反演结果的真实性检验,估计结果充分利用了像元临近位置的观测,得到了比直接的采样平均更合理的块估计结果,对块克里金估计值与采样平均值进行比较,发现两种结果趋势是一致的,块克里金法提供了更为合理的块估计结果,土壤水分空间结构的时间变异、小尺度的土壤特性的变化和测量误差都会对估计结果带来一定的不确定性.     

联合机载PLMR微波辐射计和MODIS产品反演黑河中游张掖绿洲土壤水分研究

土壤水分是气候、水文学研究中的重要变量,微波遥感是获取区域地表土壤水分的重要手段,而L波段更是微波土壤水分反演的最优波段。依托HiWATER黑河中游绿洲试验区的地面观测及机载PLMR微波辐射计亮温数据,利用微波辐射传输模型L-MEB,并将MODIS地表温度产品(MOD11A1)和叶面积指数产品(MYD15A2)作为模型及反演中的先验辅助信息,借助LM优化算法,通过PLMR双极化多角度的亮温观测,针对土壤水分、植被含水量(VWC)和地表粗糙度这3个主要参数,分别进行土壤水分单参数反演、土壤水分与VWC或粗糙度的双参数反演以及这3个参数的同时反演。通过对不同反演方法的比较可以得出结论,多源辅助数据及PLMR双极化、多角度信息的应用可以显著降低反演的不确定性,提高土壤水分反演精度。证明在合理的模型参数和反演策略下,SMOS的L-MEB模型和产品算法可以达到0.04 cm3/cm3的反演精度,另外无线传感器网络可以在遥感产品真实性检验中起到重要作用。     

遥感技术在陆面过程研究中的应用进展

探讨了当前陆面过程 (LSP)研究的特点 ,指出遥感在陆面过程研究中的应用以及陆面过程国际合作实验是突出的特点 ,进而对遥感技术的陆面参数获取、地表能量通量的计算以及与 LSP模式的结合研究及进展进行了综述。根据不同特征的地表参数选择光学遥感或微波遥感已成共识 ,而综合利用不同遥感数据获取同一种地表参数也已成为研究热点 ,当前及今后发射的携载多种遥感仪器的众多遥感卫星为此项研究提供了条件 ;遥感与 LSP模式的结合研究是遥感在陆面过程研究中深入应用的一个方面 ,国际陆面过程合作实验是这项研究的重要保证。     

Satellite remote sensing applications for surface soil moisture monitoring: A review

Surface soil moisture is one of the crucial variables in hydrological processes, which influences the exchange of water and energy fluxes at the land surface/atmosphere interface. Accurate estimate of the spatial and temporal variations of soil moisture is critical for numerous environmental studies. Recent technological advances in satellite remote sensing have shown that soil moisture can be measured by a variety of remote sensing techniques, each with its own strengths and weaknesses. This paper presents a comprehensive review of the progress in remote sensing of soil moisture, with focus on technique approaches for soil moisture estimation from optical, thermal, passive microwave, and active microwave measurements. The physical principles and the status of current retrieval methods are summarized. Limitations existing in current soil moisture estimation algorithms and key issues that have to be addressed in the near future are also discussed.     

Remote sensing of soil moisture: implications for groundwater recharge

Remote sensing provides information on the land surface. Therefore, linkages must be established if these data are to be used in groundwater and recharge analyses. Keys to this process are the use of remote sensing techniques that provide information on soil moisture and water-balance models that tie these observations to the recharge. Microwave remote sensing techniques are used to map the spatial domain of surface soil moisture and to monitor its temporal dynamics, information that cannot be measured using other techniques. The physical basis of this approach is presented with examples of how microwave remote sensing is utilized in groundwater recharge and related studies. Electronic Publication     

北斗一号/GPS双模手持终端野外遥感地质矿产查证系统设计

针对野外遥感地质矿产查证工作特点,研究设计基于北斗一号/GPS双模手持终端的野外遥感地质矿产查证系统。该系统一方面可进行野外遥感地质矿产查证的相关业务工作,如遥感影像及矢量图的加载显示、添加编辑查证点、控制点片采集等;另一方面,野外作业人员可以通过北斗一号卫星模块,回传定位及其他信息至管理中心,便于进行作业管理,并为野外作业人员提供安全保障。      

基于地基GPS与MODIS遥感影像的映射函数与大气可降水汽分析

为了提高短期和中小尺度灾害性天气可降水汽预报的准确性和实时性,利用西安地基GPS数据和MODIS遥感影像,采用NMF、GMF和VMF1映射函数设计了4种获取天顶干延迟初始值的方案,探讨了映射函数对计算天顶总延迟的影响。结果表明：在卫星高度角为10°时,VMF1映射函数反演效果和精度最佳,GMF映射函数次之,NMF映射函数最弱,而在卫星高度角为15°时,上述3种映射函数效果相当。最后,结合综合水汽含量与可降水汽的关系,通过计算地基GPS和MODIS遥感影像综合水汽含量,得到了地基GPS和MODIS遥感影像可降水汽（PPWV-GPS,PPWV-MODIS）,并拟合了二者之间的线性关系,结果为PPWV-MODIS=1.421 7PPWV-GPS-2.143,相关系数为0.952 1。