卫星重力与光学遥感组合的念青唐古拉山脉冰川变化分析

利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)和GRACE-FO重力卫星数据,反演了2002年8月至2020年4月间念青唐古拉山脉冰川质量变化,并结合光学遥感技术对念青唐古拉山脉西段冰川面积和储量变化进行估计.结果表明:①研究时段内念青唐古拉山脉冰川整体呈退缩趋势,2013年之后消融速度有所增加.②通过与夏季温度变化和降水异常对比,能够发现温度变化与冰川消融曲线相关性较好,降水在研究时段内持续减少,说明温度升高和降水减少是念青唐古拉山脉冰川质量常年亏损的主要原因.③念青唐古拉山脉西段冰川面积2003—2017年间共减少了72.30 km2,年均减少速率为5.16 km2/a,海拔5600～5800 m区间内冰川面积退缩最为明显.④卫星重力和光学遥感技术协同应用可以优势互补,既能快速定位变化剧烈的区域,又能对冰川信息进行精准提取,从而实现从大范围到小区域的多尺度监测.目前,两种技术联合应用方面仍存在一些不足,有待进一步研究.     

GRACE卫星的冰川消融与水储量变化探讨

针对青藏高原地区的冰川消融会影响发源于该地区的长江流域水储量变化这一情况,该文对二者的相关性进行深入研究。基于GRACE卫星2004—2010年重力数据,联合水文模型,利用水量平衡法,计算得到青藏高原地区冰川消融的平均速率为0.369cm/a,表明青藏高原冰川正在以较大速率消融;进而反演建立青藏高原和长江流域两个区域质量变迁的时间序列,计算得到两个区域的平均变化速率分别为-0.095cm/a和0.381cm/a,表明青藏高原地区的质量在以缓慢的速率减少,而长江流域水储量具有逐年增加的趋势且变化速率更大;最后通过分析计算结果,得出青藏高原地区冰川消融对长江流域水储量变化的贡献占其整个水量变化的20%。     

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。     

GRACE时变重力场与GPS速度场地表沉降研究

针对地表沉降与地下水储量变化相关性这一问题。该文选取华北地区这一地表沉降典型区域,①利用2003—2009年GRACE月重力场模型和全球陆地数据同化系统GLDAS-Noah模型求得华北地区地下水储量平均变化速率为-16±2 mm/a;②利用1999-2009年275个GPS站点垂直方向速度求得华北地区地表沉降平均速率为-30 mm/a;③结合2003—2009年中国地面2 472台站降水资料和WGHM全球水文模型进行分析。结果表明,华北地区地下水储量变化与年降水量的关系并不明显,地面沉降与降水量的相关性也不明显,但与地下水储量有着显著的关联,地表沉降严重地区的地下水储量下降趋势较大,华北地区地下水储量变化与地表沉降变化整体呈现下降趋势。     

GRACE和GLDAS数据的京津冀地区地下水储量变化及其影响因子分析

针对京津冀地区地下水储量快速减少,影响了地下水资源的可持续利用和生态环境保护的问题,急需系统研究掌握地下水储量变化趋势,该文利用基于2010—2020年GRACE和GLDAS连续观测数据,运用趋势分析和偏相关分析等方法探讨了京津冀地区地下水储量时空变化规律,分析了其与相关要素时空变化的关联特征。结果表明：2010—2020年京津冀地区地下水储量变化整体上呈下降趋势,空间上呈现出东北向西南下降程度逐渐加深的态势,且大部分区域下降趋势极为显著;关联分析结果显示,地下水储量变化与NDVI在一定程度上表现为负相关,说明农业生产与植被恢复在一定程度上以地下水储量减少为代价;与年总降水量在一定程度上表现为正相关,降水能够对地下水储量起到一定的补给作用;与地表温度表现为负相关性,地表温度的升高不利于地下水储量的恢复。相关成果为京津冀地区地下水监测与管理提供一定的信息支撑。     

基于GRACE时变重力场模型研究印度河-恒河流域水储量变化

印度河和恒河是亚洲的重要河流,流经区域也是印度次大陆人口最集中的地区,研究该区域水储量变化对于保障当地生态环境和经济发展有重要意义.本文利用GRACE_RL05时变重力场模型反演2002-2016年的印度河-恒河流域内陆地水储量变化,并结合GLDAS水文模型获取区域地下水储量变化.研究发现:2002-2016年印度河和恒河流域陆地水储量和地下水储量均呈下降趋势,其中两流域的地下水下降的速率(分别为-7.2 mm／a和-4.7 mm／a)超过整体水储量的下降趋势;综合水文模型数据分析表明:该区域水储量下降的原因是蒸发量上升和降水持续减少的背景下,农业灌溉过程中过度抽采地下水导致的.      

联合重力卫星和水井资料监测华北平原地下水储量变化

华北平原作为人口最多的平原地区,其地下水资源开采十分严重,常态对该地区地下水储量（ground water storage,GWS）变化的精确监测具有重要的生态意义。利用重力卫星数据反演了华北平原的GWS变化,并与水文模型、降水资料、南水北调调水量和地下水井资料进行对比分析,提出融合浅层GWS变化和深层地下水变化方法,得到总地下水的贡献。研究结果表明,重力卫星与全球陆地数据同化系统模型估计的水储量变化均表现出明显的季节性特征;重力卫星反演的GWS变化与浅层地下水井资料估计结果一致性较好;考虑深层地下水的贡献,融合浅层和深层地下水井资料估计结果和重力卫星反演结果吻合更好,相较于仅使用浅层地下水估计结果吻合度更高,并表明浅层地下水为GWS变化的主要变化量;2003—2017年,华北平原地下水处于长期亏损趋势（-1.3±0.6 cm/a）;2018—2020年,重力卫星反演结果与同时段内顾及深层地下水井资料的总GWS亏损速率几乎一致;2021年,重力卫星和地下水井资料与前期观测结果形成鲜明的U型反转,GWS均呈增长趋势;降雨和南水北调对华北平原的水储量变化具有直接影响,对缓解GWS亏损和地下...     

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GRACE和水文数据探测松花江流域地下水时空变化

松花江流域地处高纬度地区,是中国重要的粮食产地之一,开展该地区地下水变化的探测和分析工作对揭示区域地下水变化特征、保障社会经济可持续发展、保护区域生态环境有重要意义。采用美国德克萨斯大学空间研究中心发布的重力场恢复与气候实验卫星重力数据,联合全球陆地数据同化模型和全球降水测量计划卫星降水数据反演了松花江流域2002—2017年地下水时空变化,引入可持续性指数定量探测了该区域地下水时空可持续性,并与降水、温度数据及实测水井数据进行对比。研究表明：松花江流域在研究时段内地下水以0.34 cm/a的速率持续增加,空间上从南到北地下水恢复速率依次增大;研究时段内流域地下水系统呈现出严重不可持续性;地下水与降水、温度数据存在明显滞后关系,其变化受降水影响显著;卫星手段反演结果与测井数据在重合时段具有相同的地下水恢复趋势,并存在一定的滞后现象。     

青藏高原区域水储量变化的GRACE RL06和TRMM联合反演

近10年来,独立成分分析（ICA）逐渐被引入地球时变重力场的成分提取中。ICA因其提取成分的独立性,解决了运用主成分分析（PCA）时各提取成分仅互不相关的这一关键性问题。基于负熵的FastICA算法是常见的ICA方法,该算法的收敛较梯度算法快,且负熵的稳健性较峭度更好。本文采用上述算法,旨在探寻青藏高原区域水储量成分与降水成分之间的联系。研究表明,青藏高原的水储量变化较降水存在着7个月的延迟效应,显示出除季节性冻土与冰川的冻融和季风气候所带来降水贡献之外,还客观存在着因区域内水交换造成的延迟。结合特征信号来看,青海中部、西藏西部与西藏中东部之间的年均水储量变化刚好相反,在全球变暖所导致的冻土与冰川加速消融的大背景下,因气候与内外流区的不同造成区域水储量变化的差异性,此外上述区域的水储量变化也因青藏高原南北板块构造的不同而体现出差异性。研究证明了在大尺度范围内运用FastICA算法分析区域水储量成分及其相关因素变化的可行性。     

基于CryoSat-2数据的纳木那尼冰川冰面高程变化方法研究

随着全球气候变暖,中亚地区大部分冰川逐渐变薄。高海拔山地冰川的变化会影响到周边地区的水资源和海平面变化,因此,我们需要高精度的地表高程观测数据来监测冰面高程变化。本文以喜马拉雅山脉西段的纳木那尼冰川为例,基于CryoSat-2卫星雷达高度计SARIn模式数据,修改了伪重复轨平面拟合方法,并计算了从2010年8月至2016年7月的冰面高程变化。纳木那尼冰面平均高程变化率为-0.47±0.44 m/year,整体呈现变薄趋势,与前人文献的结果基本一致,表明CryoSat-2数据在山地冰川使用伪重复轨平面方法估算高程变化有效可行。     

Monitoring thickness and volume changes of the Dongkemadi Ice Field on the Qinghai-Tibetan Plateau (1969–2000) using Shuttle Radar Topography Mission and map data

Abstract

This paper presents the first measurement of multi-decadal thickness and volume changes (1969–2000) of the Dongkemadi Ice Field (DIF) in the Tanggula Mountains, central Qinghai-Tibetan Plateau, China, using multi-source remote sensing data. These include the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) Digital Elevation Model (DEM) acquired in February, 2000, a DEM generated by digitising analogue topographic maps from 1969, and Landsat ETM+ imagery from 2000. Digital glacier outlines and GIS-based processing were used to calculate an elevation difference map to evaluate the relative elevation error of these two DEMs over ice-free areas. This method was also used to identify regions of glacier elevation thinning and thickening corresponding to glacier mass loss and gain. Analysis of 67,520 points on flat grass and rock terrain surrounding the DIF, with a slope less than 25°, showed a mean elevation difference of –0.90 m and a standard deviation of 5.58 m. A thickness change error within ±6 m was estimated. Between 1969 and 2000, 76.51% of the whole DIF area appeared to be thinning while 23.49% showed thickening. The average glacier surface thinning was –12.58 m with a standard deviation of 18.29 m and the estimated volume loss was 1.17 km³. The standard deviation of volume change was 0.0006 km³ over the DIF. A thinning rate up to 0.41±0.194 m a^?1 or 0.038 km³ a^?1 for the volume loss was observed for the whole ice field, which seems to be evidence for the ongoing retreat of glaciers on the Qinghai-Tibetan Plateau. It was found that the spatial thickness change pattern derived from the remote sensing method was consistent with the thickness change results of the Small Dongkemadi Glacier (SDG) from field measurements. The estimated error of the annual thickness change rate was on the order of 5%. The relationship between elevation change and absolute glacier elevation over typical glaciers was also analysed, showing considerable variability. These changes have possibly resulted from increased temperature and decreased precipitation in this region.     

利用GRACE反演陕甘晋高原地下水储量变化

采用GRACE时变重力场模型和GLDAS水文模型反演了陕甘晋高原地下水储量的时空变化,并与TRMM降雨资料及实测水井数据进行了对比分析。研究结果表明：在时间域上,整个区域的地下水在2005-2014年大约以3.6±0.7 mm/a的速率递减;在空间域上,整个区域自西向东10年内的递减速率依次增大,其中山西中部地区最大。与TRMM降雨资料的对比发现,降雨与地下水储量变化强相关,但不是引起地下水储量减少的原因。与水井实测数据对比发现,除特殊情况外,本文反演得到的结果与水井水位变化趋势基本一致。     

中国地区3"SRTM高程误差特征

系统评估了中国地区航天飞机雷达地形测绘任务（Shuttle Radar Topography Mision,SRTM）3″高程误差的分布及其与地形和地表覆盖因素的关系。通过单因子分析法,使用从50多万个样本点中提取的地表特征属性确定误差的变化规律。结果显示:SRTM高程误差与不同地形和地表覆盖类型关系密切;坡度增大误差由正变负,误差绝对值增大;正误差集中在偏北坡向,负误差集中在西南坡向;误差随植被覆盖增加而增大;冰川、沙漠、湿地区域误差整体为负,城镇建筑区的误差整体为正;坡度作为主导因素,同时影响其他因素对高程误差的作用。数据在某些区域存在明显高程异常,在平坦地区存在条带现象。整体上SRTM高程误差在中国地区呈现复杂的变化规律。     

联合卫星SAR和地基SAR的海螺沟冰川动态变化及次生滑坡灾害监测

受全球气候变化的影响，近年来中国藏东南及横断山脉多数冰川物质持续亏损、运动速度减缓，导致泥石流、滑坡等灾害频发。为突破光学遥感受气候条件制约的瓶颈，联合卫星合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）和地基SAR两种技术手段，选取海螺沟冰川作为典型研究区域，开展时序监测分析。基于对近11 a间获取的38景PALSAR系列影像的像素偏移统计表明，海螺沟1号冰川粒雪盆和冰瀑布上沿区域整体运动最快，最大速度超过2 m/d；在海拔2 900~3 900 m的冰舌区，冰川运动趋缓，速度降至0.1~0.4 m/d；随着季节更替，海螺沟冰川运动速度呈周期性波动，积累区的夏冬两季差异为25%~35%，而冰舌段的差异则高达4倍。在年际变化方面，海螺沟1号冰川的运动速度平均减缓率为每年7.27%，消融区内减缓率高达每年15.57%。同时，使用像素偏移追踪和Stacking-InSAR（interferometric SAR）方法在海螺沟U型谷北坡探明了多处不稳定滑坡体，统计分析表明，此类滑坡运动与冰川消融具有强相关性，滑移速度于每年夏季达到峰值，2018年度最大滑移速度为南北向100 mm/d、东西向50 mm/d。进一步分析地基雷达的高频实时监测数据，确定该滑坡体的滑移速度在2018-07-09达到峰值（150 mm/d），并于随后失稳垮塌，详细展现了整个蠕变致灾过程。相关研究数据及监测结果可为冰冻圈及山地灾害研究提供参考。     

联合GRACE和GLDAS数据的河南省地下水储量反演与时空变化分析

针对利用传统监测手段难以高效获取地下水储量观测数据的问题,基于GRACE重力卫星的大尺度水资源储量反演已成为当前水资源调查的研究热点。本文利用2012-2016年CSR机构发布的GRACE RL06月解数据,通过等效水高反演得到河南省陆地水储量时序结果,扣除由同期GLDAS水文模型计算得到的地表水储量时序数据,从而得到河南省地下水储量时序变化数据结果。经与地下水位监测井实测数据进行对比验证,相关系数显著性水平达0.01,表明本文算法流程具有较高的可靠性。进一步的统计分析结果表明,河南省北部地区的地下水储量呈亏损态势,最大变化率超过26 mm/a;河南省中部和东部地区地下水储量有一定盈余,最大变化率超过16 mm/a,相关结果数据与河南省水利局公布的全省主要地下水超采区范围吻合。本文旨在利用GRACE重力卫星数据与GLDAS水文模型反演获取河南省地下水储量空间分布差异及演变趋势,相关算法流程可为广域地下水储量调查监测提供技术支撑;研究数据可为该区域地下水资源的合理利用与保护提供参考。     

利用GRACE反演昆士兰州地下水储量变化

昆士兰州作为澳大利亚的第二大州,开展针对该地区地下水储量变化的监测与分析对当地生态环境与用水管理政策制定具有重要现实意义. 利用德克萨斯大学空间研究中心(CSR)发布的重力反演与气候实验卫星(GRACE)时变重力场模型与全球陆地数据同化系统(GLDAS)地表同化模型,对昆士兰州地下水储量时空变化进行监测分析,并与实测水井数据和全球降水气候学项目(GPCP)降雨资料进行验证分析. 研究结果表明:时间上昆士兰州地下水在2003—2015年约以1.3±0.09 cm/a的速率递增,空间上呈现东增西减的显著空间差异;与GPCP降雨资料对比发现,降雨是影响地下水储量变化的主要因素;与水井实测数据对比发现地下反演结果与水井水位变化趋势基本一致.      

Evidence for Mountain Glacier Changes in Semi-arid Environments based on Remote Sensing Data

Countries like Iran, which are geographically situated in a rather arid and warm regions, will suffer more from global warming than countries located in humid and semi-humid regions. In such environments, analyzing the variations of mountain glaciers can reveal several aspects of climate change patterns more efficiently in comparison to the other geo-indicators. The present study reports some evidence of changes for Alamkouh glacier between 1955 and 2010 based on several mediums to high-resolution satellite images. Considering that most part of the Alamkouh glacier is covered by debris and delineating its actual area is not possible, planimetric change analysis was restricted to the clean-ice regions. The object-oriented classification approach was used to estimate the clean ice areas. This technique takes into account the shapes of the features along with their spectral patterns. Results revealed that clean ice regions of Alamkouh glacier shrank since 1955 with an overall area reduction of about 59 %. Although the general observed trend is a clean ice area reduction, some advancement was detected over the period from 2000 to 2010. During 1992–2000, the maximum reduction in the clean ice area was observed (0.08 km².a^?1). However, clean ice area of the case study has partially increased about 0.028 km².a^?1 from 2000 to 2010. Supra-glacial lake change analysis illustrated that at the surface of the glacier, lakes have been enlarged remarkably in the past 55 years (about 4.75 times greater). In addition, clean ice area and the surface area of supra-glacial lakes oscillated in compliance with each other. The findings revealed that the maximum expansion of supra-glacial lake occurred during 1992–2000, which demonstrate the glacier maximum reduction during this period. This shrinkage in the Alamkouh glacier caused an extensive glacial lake outburst flood in Jun 2011. The results of this study agree with documented changes in other mountain glaciers located in arid and semi-arid environments and they also confirm the application of mountain glaciers in climate variations monitoring over such regions.     

高斯混合模型自动阈值法遥感冰川信息提取

利用阈值法进行遥感地物提取效率高、准确率高,但是在阈值的选取方面,传统的手动选取阈值,自动化低,需反复试操作,且易受主观因素影响。文中通过期望最大算法对局部冰川区域归一化雪覆盖指数建立高斯混合模型,去除区域内的混合像元类,再利用高斯混合模型模拟纯净化后的冰川类、非冰川类的NDSI分布情况,根据改进后的高斯混合模型分布情况,自动计算出区域内的冰川提取阈值。本文对不同海拔的3个区域进行算法实验,然后将新疆哈密的哈尔里克山冰川提取边界与冰川编目数据进行对比验证。研究结果表明,该方法自动计算的冰川提取阈值结果可靠、精度高,在差异较大区域仍较稳定,有一定的应用价值。