GRACE与GRACE Follow-On重力卫星数据揭示出的黄河流域2002—2020年干旱特征

研究黄河流域干旱时空变化特征,对认知黄河流域水资源演化规律具有重要意义。本文充分利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)与GRACE-FO(GRACE Follow-On)重力卫星在大尺度范围下监测水文信息变化中的优势,基于2002年4月至2020年7月GRACE和GRACE-FO RL06 Mascon数据,计算了黄河流域陆地水储量异常(terrestrial water storage anomaly, TWSA)及对应的水储量亏损赤字(water storage deficit index, WSDI),据此分析了黄河流域上游、中下游干旱事件及其严重性、干旱持续时间、平均与最大水储量赤字等干旱特征,并与其他4种常用干旱指数,标准降水蒸散发指数(standardized precipitation evaporation index, SPEI)、自矫正帕尔默干旱指数(self correct-Palmer drought severity index, sc-PDSI)、标准化降水指数(standardized precip...     

利用GRACE/GRACE-FO时变重力场数据量化长江流域干旱事件特征

针对区域干旱事件特征精确量化的问题,本文首先提出了一种基于GRACE/GRACE-FO时变重力场数据的干旱事件评估方法,然后对基于GRACE/GRACE-FO数据的干旱指数进行了验证,最后利用上述评估方法探测了2002年4月—2020年12月长江流域发生的干旱事件,并对上述干旱事件特征进行量化分析。结果表明:在长江流域内,本文构建的干旱指数与传统干旱指数具有很好的一致性。在研究时间段内长江流域发生了8次较大的干旱事件,其中最严重的发生在2002年9月至2004年7月,共计持续了23个月,干旱严重程度为-14.07,平均40%的流域面积受到了干旱灾害的影响。     

利用GPS垂向位移监测西南地区干旱事件

GPS垂向位移包含了陆地水储量变化引起的地球弹性形变信息。本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)31个GPS台站2010年8月—2016年12月的垂向位移数据,分析我国西南地区的干旱事件。结果表明,GPS垂向位移的季节性变化与降雨、GRACE反演的水储量、河流水位变化具有较强的负相关关系,其异常变化(非季节性变化)与我国使用的综合气象干旱指数(CI)、GRACE干旱强度指数(GRACE-DSI)相关性较强(相关系数约为-0.70),而与标准化降水蒸散指数(SPEI)的相关性较弱。相比于CI干旱指数,GPS垂向位移能更好地探测短期降雨急剧减少引起的干旱事件。数据缺失影响了GRACE-DSI探测干旱的准确性,而SPEI的波动较大,且存在高估某些短期降雨严重性的情况。研究结果展示了GPS在干旱监测方面的可靠性和优势。     

SWARM监测松辽流域陆地水储量变化的适用性分析

针对GRACE与GRACE-FO卫星存在衔接空白且卫星加速度计已出现受损的情况，SWARM卫星监测可作为一种有效补充的技术手段。本文选择ASU、IGG和COST-G等机构的SWARM时变模型监测松辽流域陆地水储量变化，并与GRACE、GRACE-FO时变模型进行比较。结果表明：(1)各SWARM时变模型的前10阶位系数与GRACE模型精度接近，其中IGG-SWARM模型经1200 km高斯滤波后的信噪比，相较于ASU和COST-G模型分别高62.47%、55.99%;(2)IGG-SWARM时变模型可探测松辽流域大尺度陆地水储量的时空变化特征，识别流域内的显著旱涝事件，与GRACE、GRACE-FO时变模型均反映出松辽流域在2015年7月—2020年12月的陆地水储量整体呈上升趋势，两者在数据重叠时段的相关系数可达0.6以上。因此，SWARM时变模型可适用于监测松辽流域的陆地水储量变化研究。     

利用GRACE数据研究美国干旱产生的原因

利用GRACE和GLDAS数据计算美国2003年1月—2013年12月陆地等效水高的时间序列,两者结果呈强相关,相关系数为0.91.GRACE数据计算陆地水储量最低在2012年7月,这与欧洲干旱研究中心发布的帕尔默干旱指数(scPDSI)结果一致,证明了GRACE时变地球重力场模型具备探测干旱的能力.利用NOAA(Na...     

GNSS垂向位移反演中国大陆地区陆地水储量变化

为了研究中国大陆地区的陆地水储量变化，利用陆态网182个GNSS站点垂向坐标时间序列反演了中国大陆地区2011—2021年的陆地水储量变化，并结合GRACE时变重力场数据、GLDAS水文模型和GPM降雨数据对中国大陆地区不同流域的陆地水储量反演结果进行对比分析。结果表明：(1)中国西南地区陆地水储量变化振幅最为显著，华南地区次之，西北内陆地区最不明显；(2)GNSS的结果与GRACE和GLDAS总体上具有较高的一致性，但在不同地区存在差异。其中，华南地区多种数据集一致性较高，华北地区则相对差异较大，可能是受该地区地下水减少的影响。结果表明GNSS可以作为监测区域陆地水储量变化的有效手段。     

基于GRACE/GRACE-FO反演华北平原2002—2021年水储量变化

针对华北平原水资源分布不均的问题，该文利用2002年4月—2021年12月共237个月的重力恢复和气候实验(GRACE)卫星、GRACE-FO卫星重力数据对华北平原的水储量变化情况进行了研究，采用奇异谱插值填补GRACE与GRACE-FO间的空白期数据，并联合3家Mascon产品、全球陆面同化系统水文模型与全球降水气候中心降水数据进行综合性比较和分析，实现了对华北地区水储量时空变化情况的探究。结果表明，华北地区陆地水储量整体呈下降趋势，亏损速率为-0.927 6 cm/a,且具有明显的季节特征，与降水量的变化情况一致，经过相关性分析，GRACE、GRACE-FO与3个Mascon产品反演的水储量变化存在较高的相关性，相关系数均在0.89以上。     

基于GRACE与降水的干旱研究分析

针对干旱问题,采用GRACE重力卫星数据进行反演监测,并对该技术在监测应用中的问题进行了研究.以陕西省与四川省为例,分析了陆地总水储量及降水对干旱的影响,采用基于两者相结合进行计算的干旱指数来检测干旱的发生,并与实际干旱情况及其他干旱指数进行对比,结果表明:该指数能够较好地检测出实际干旱事件且与其他干旱指数有较强的相关...     

陕西省GPS基准站垂直形变的陆地水负荷效应

基于GPS、GRACE以及GLDAS 3种数据从均方根、相关性、周年振幅和相位4个方面对陕西省22个GPS基准站的垂直负荷形变进行定量分析和研究,结果表明:陕西省GPS垂向形变时间序列中,陆地水负荷形变并不明显,其中GRACE的贡献值为11.7%,GLDAS的贡献值为11.0%;GPS与GRACE以及GPS与GLDAS的相关系数大于等于0.5的站点比例分别是63%和77%;对于振幅而言,GPS的振幅最大,GRACE的振幅其次,GLDAS的振幅最小。文中研究陕西省陆地水负荷形变的量值和特征,为获取更高精度的构造形变提供依据。     

GNSS与加速度计融合超高建筑动态监测数据分析

针对影响全球导航卫星系统(GNSS)变形监测精度的多路径误差，该文建立基于经验模态分解(EMD)算法的系统趋势分离模型，修正GNSS变形序列。构建多速率卡尔曼滤波Rauch-Tung-Striebel(RTS)平滑模型，融合超高层建筑的GNSS和加速度计监测数据，充分发挥两种传感器各自的优势。针对超高层建筑首次应用能量差值法确定变分模态分解的分量数，进而对分量进行频谱分析以提取超高层建筑的主模态振动频率。模拟数据表明，该文算法能够提高分析精度，融合位移的均方根为4.3 mm,相关系数为0.95,信噪比为12.66 dB。通过长春海容广场大厦采集的监测数据进一步验证得出，与单一传感器相比，该文算法能够提高位移数据的采样率，增加数据的完备性，削弱GNSS高频噪声的影响，提取到超高层建筑前两个主模态振动频率为0.19、0.28 Hz。     

车载GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合导航方法

为提升复杂环境下低成本车载导航系统的容错性能,本文研究了基于次优增益融合(SGF)算法的GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法。该方法首先根据阿克曼转向几何建立了四轮里程计测速补偿模型,提升了惯性测量单元(IMU)安装中心处的前向和侧向测速精度;然后设计了基于卡方检验统计量的故障检测与分类准则,充分利用了可获取的观测信息;最后构建了随机模型和信息分配因子(ISF)弹性优化模型,分别从传感器层和决策层减少了异常观测的影响,实现了车载多源信息的弹性融合。通过实际跑车数据对GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法进行测试验证。试验结果表明,本文方法能有效减少子系统故障对全局状态估计的影响,提升复杂环境下系统的容错性能。此外,与经典的联邦卡尔曼滤波(FKF)算法相比,SGF算法全局融合精度损失有限,计算效率却显著提升,有利于多源信息弹性融合的实际工程应用。     

利用GRACE与Sentinel-1反演地下水变化与地表沉降研究

针对地表沉降与地下水变化之间的关系研究,助力资源开发与灾害防治之间突出矛盾的解决。该文利用GRACE/GRACE-FO卫星观测数据反演京津冀地区的地下水变化情况,利用Sentinel-1卫星观测结果,通过小基线集干涉测量技术(SBAS-InSAR)计算该区域的地面沉降速率,在地下水变化分析的基础上研究地下水变化与降雨的相关关系,并进而得到地表沉降与地下水变化的相关关系。结果表明,2003—2020年京津冀地区地下水储量呈减少趋势,变化速率达到-11.4 mm/a,降雨量年际变化较大,对地下水储量亏损存在影响;京津冀地区中,北京市地表形变相较于地下水变化滞后时间约为3个月,地下水变化与地表形变存在较高的相关性,二者相关系数达到0.758。     

台州地区地下水储量变化的CORS网反演

为了突出连续运行基准站(CORS)网对地下水储量监测能力,该文基于CORS网的高精度大地高时间序列,联合大气、土壤水和海平面变化等地表质量负荷数据,根据地球负荷形变理论,采用移去恢复技术,反演了台州地区2017年1月-2019年6月的地下水储量变化,并与GRACE-FO监测结果进行对比.结果 表明:①CORS网反演的地下水储量具有明显的季节性与年际特征,秋冬季节地下水储量较少,春夏季节地下水储量增多,年变化幅度达到1000 mm.②在空间分布上,台州中东部地区及沿海地区变化量,比西北部的内陆地区变化量大.③与GRACE结果相比,除局部区域存在差异,整体上时空变化趋势具有较高一致性.在小区域的地下水储量反演中,CORS网具有可行性.     

联合卫星测高、GRACE与温盐数据分析红海海平面变化季节性特征

本文利用卫星测高、GRACE与温盐数据监测2003-2014年红海海平面变化，并分析了蒸发降水以及亚丁湾-红海质量交换对红海质量变化的影响。红海地区单一的温盐数据存在覆盖不全或质量不佳的问题，综合CORA、SODA与ORAS4温盐数据估算结果得到平均比容海平面变化，以改善比容信号的精度。针对GRACE数据处理过程中截断与空间平滑滤波引起的泄漏误差，提出改进尺度因子纠正泄漏误差，利用卫星测高数据进行模拟实验验证了改进尺度因子的有效性。利用传统尺度因子和改进尺度因子反演的红海质量变化周年振幅分别为16.1±1.3 cm和20.5±1.7 cm，利用卫星测高和温盐数据估算的质量变化周年振幅为20.2±1.0 cm，表明改进尺度因子可有效减小泄漏误差的影响，改善GRACE模型反演红海质量变化的精度。卫星测高、GRACE卫星重力数据以及平均温盐数据具有较好的一致性，联合GRACE和温盐数据估算的红海综合海平面变化周年振幅为16.6±1.7 cm，与卫星测高估算的总海平面变化周年振幅（16.2±0.9 cm）基本一致，表明多源数据可构成完整的红海海平面监测手段。相比于降水-蒸发作用，红海质量变化受红海与亚丁湾的海水质量交换的影响更为显著，其主导了红海质量的季节性变化。     

联合GPS和GRACE研究青藏高原南部地区垂直形变的季节性波动

利用青藏高原南部地区GPS站点近10 a（2004年至2014年）的观测资料,结合重力场恢复与气候实验卫星（Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE）同时期观测数据反演得到的该区域水文负荷变化引起的垂向位移,发现该地区利用GPS和GRACE获取的垂向位移时间序列存在一定相关性,多数站点的相关系数在0.7左右,特别是沿喜马拉雅造山带区域内的站点相关性更高;此外,大部分站点（例如CHLM、KKN4）拟合的周期项振幅和相位也较为一致。计算GRACE估算垂直信号改正GPS结果前后的加权均方根误差（weighted root mean square,WRMS）,并定义R_WRMS来表征GRACE改正GPS垂向季节性波动的有效性,其数值越接近1表明GPS和GRACE数据具有越大的一致性。研究发现GPS站点的R_WRMS有明显差异:最大和最小值分别是0.96（TPLJ）和0.24（XZGE）,平均值为0.64,这与青藏高原南部地区垂直运动的复杂性有关,存在多种因素（构造运动、冰川均衡调整、大气和非潮汐海洋负荷,水文负荷、GPS交点年误差等）的共同作用。     

PWV对全球气候变化的响应研究

利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)反演得到全球118个IGS站点和251个探空站的大气可降水量(precipitable water vapor,PWV),结合温度、降水以及干旱指数资料,利用多种回归分析法(线性模型,断点模型和转折点模型)对全球PWV、温度、降雨和干旱的趋势和相关性问题进行研究。结果表明:①在全球大陆区域,PWV、温度和降雨上升速率分别为0. 215 mm/decade、0. 67℃/decade和0. 029 mm/decade;②PWV和标准化降水蒸散发指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)之间没有直接相关性,但基于PWV获取的降雨转换率(rrecipitation conversion rate,PCR)与SPEI具有较强相关性,全球范围内近91%的地区相关系数大于0. 5,这为干旱监测提供了一种新方法。     

利用GPS垂直位移反演云南省陆地水储量变化

地表质量的重分布会引起固体地球的弹性形变,GPS连续运行观测站能够精确测定地表负荷引起的地壳形变。本文通过模拟数据对利用云南省及其周边47个中国大陆构造环境监测网（陆态网）台站反演云南地区陆地水储量的可行性进行分析：以水文模型周年振幅为真值,计算47个台站点的负荷形变,同时加入随机误差构成模拟观测数据,最后采用模型反演陆地水储量变化;1000次的随机模拟试验表明利用当前GPS台站数据可有效地反演云南地区陆地水储量变化。基于上述结论,笔者反演了云南省2010—2014年陆地水储量变化,GPS反演结果表明：云南省陆地水变化呈现明显的地域分布特征,西南部高山地区的水储量周年变化高于东部平原地区;在时间尺度上,云南省大部分地区水储量在10月（夏季末）达到最大值,在4月（冬季末）达到最小值;云南省2010—2014年陆地水呈缓慢增长趋势,约为20 mm/a。通过GPS陆地水储量反演结果与GRACE、GLDAS以及TRMM数据综合对比分析,表明利用云南地区当前GPS台站可以作为独立观测量用于GRACE与GRACE Follow-on衔接期间的陆地水储量变化监测。     

无人机遥感与XGBoost的红树林物种分类

无人机遥感数据会衍生大量的光谱、纹理与结构特征,如何提取优势特征是提高红树林物种分类效率和精度的关键问题。针对深圳福田红树林自然保护区缓冲区获取的无人机高光谱影像和Li DAR点云数据,本研究旨在利用极端梯度提升算法(XGBoost)的"特征重要性"属性筛选出适合红树林物种分类的8类优势特征:基于无人机高光谱影像的单一特征(光谱波段、植被指数和纹理特征:F1—F3)及其融合特征(F4)、基于Li DAR点云的单一特征(高度和强度特征:F5和F6)及其融合特征(F7)、高光谱影像与Li DAR点云的融合特征(F8);基于以上优势特征构建8个XGBoost分类模型。结果表明:综合物种分类精度及其制图结果,基于F8特征的模型分类性能最佳(总体精度为96.41%,莫兰指数为0.5520);基于单一数据源融合特征(总体精度,F4:96.74%;F7:90.64%)的分类性能优于基于单一特征(总体精度,F1—F3:90.31%、92.20%和91.96%;F5和F6:87.66%和81.99%);基于融合特征(F4、F7和F8)和纹理特征(F3)分类图的莫兰指数比基于单一特征(F1、F2、F5和F6)的更大。本文论证了无人机遥感数据和XGBoost方法在基于像元的红树林物种精准分类上具备可行性,可为红树林生态系统健康、保护与恢复的立体监测提供科学依据和技术支撑。     

厦门地区地表形变季节性波动规律分析

利用厦门市连续运行基准站(Xiamen continuously operating reference station,XMCORS)系统站点2013-2015年的观测资料,结合重力恢复与气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)卫星的同时期观测数据,反演得到的该区域水文荷载变化引起的地表位移,发现该地区利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)和GRACE卫星获取的地表位移时间序列均存在明显的季节性波动,且存在一致性.定量计算周期项振幅发现GNSS观测的XMCORS测站水平方向上的振幅比垂直方向的小,东、北方向振幅平均值分别为1.13 mm和0.78 mm,垂直方向振幅约为水平方向振幅的3倍,达到3.05 mm.GRACE卫星获取的振幅小于GNSS获取的振幅,这说明GNSS时间序列中可能存在一些未模型化的误差引起周期性变化,具体原因仍然需要进一步分析.     

利用互信息和IPSO-LSTM进行滑坡监测多源数据融合

针对滑坡监测中的多源异构数据融合问题,结合互信息(mutual information, MI)、改进粒子群优化算法(improved particle swarm optimization, IPSO)和长短期记忆神经网络(long short-term memory,LSTM),提出一种新的多源异构监测数据融合方法。该方法基于互信息对影响滑坡变形的多个环境因子变量进行筛选,将筛选后的环境因子变量作为LSTM模型的输入变量,以滑坡累计位移量数据作为期望输出数据,并通过改进的粒子群寻优方法对模型进行参数寻优,获取模型的最优参数组合,进一步提高融合模型的预测精度。采用中国贵州省六盘水市水城县发耳滑坡的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)实测数据进行实验,结果表明:基于互信息和IPSO-LSTM的数据融合算法适用于具有多源异构监测数据的滑坡变形预测,且基于互信息的环境因子变量筛选方法优于Pearson相关系数筛选方法,经改进粒子群算法参数寻优后,融合模型的均方根误差(root mean square error,RMSE)达到2.6 mm,平均绝对误差达到1.7 mm,拟合优度达0.994。