基于物理模型的被动微波遥感反演土壤水分

利用土壤水分和海洋盐度(SMOS)卫星进行土壤水分反演的算法中,对地表发射率的描述仍采用半经验Q/H模型,该模型描述地表粗糙度对有效发射率在V和H极化下影响相同.基于微波散射理论模型-高级积分方程模型(AIEM)建立了一个针对SMOS传感器的参数配置,包含各种地表粗糙度和介电特性的裸露地表辐射模拟数据库,发展了L波段多角度地表辐射参数化模型.在此基础上,利用SMOS多角度双极化特点,建立了土壤水分反演算法.该算法可以消除粗糙度对土壤水分反演的影响,同时最小化反演过程中辅助信息引入带来影响.反演算法通过美国农业部提供的L波段多角度地基辐射计数据(BARC)进行验证,在20°~50°入射角,土壤水分反演精度在4%左右.     

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。     

不同尺度的土壤含水量主被动微波联合反演方法研究

土壤含水量是水文、农业和气象等领域的关键参数,而微波遥感是目前监测土壤含水量最有效的手段之一。本文利用主动微波与被动微波数据,结合其他多源遥感数据,运用随机森林算法分别在主动微波数据分辨率尺度和被动微波数据分辨率尺度下完成主被动微波数据的土壤含水量联合反演。首先对被动微波尺度的地表覆盖类型与归一化植被指数(NDVI)参数进行空间分辨率优化,再利用回归ReliefF方法对两种尺度所用的输入变量的重要性进行评估,并对输入变量进行优选,最后对比主被动微波数据土壤含水量联合反演和单独利用主动/被动微波数据进行反演的精度,分析主被动微波联合反演方法的有效性。结果表明：在主动微波尺度,主被动微波联合反演的精度相比单独利用主动微波数据反演的精度有所提升,相关系数r由0.691升至0.744,RMSE由0.084 8 cm³/cm³降至0.079 6 cm³/cm³;在被动微波尺度,主被动微波联合反演的精度反而比单独利用被动微波数据反演的精度更低,相关系数r由0.944变为0.939,RMSE由0.043 5 cm...     

被动微波反演裸露区土壤水分综述

被动微波具有全天候、穿透性以及不受云的影响等特征,使其在反演土壤水分时具有很大的优势。通过研究发现,被动微波遥感是反演土壤水分的各种技术中最有效的方法之一。概括了主要的被动微波传感器并从被动微波遥感的原理出发,针对被动微波遥感裸露区地表随机粗糙面的模型以及土壤水分反演算法作了简要介绍。     

应用极化雷达估算农作物覆盖地区土壤水分相对变化

通过应用一阶离散植被模型,结合前人研究成果及雷达极化特性提出了多时相多极化雷达后向散射消除农作物覆盖层影响的算法:①应用已知的假设关系将植被层的体散射用交叉极化的总散射代替;②分析并将垂直极化的总后向散射中贡献很小的植被-土壤多次散射忽略;③将直接地表的后向散射分解成土壤水分与地表粗糙度的函数,使用重轨数据消除了地表粗糙度和农作物覆盖层的影响,并使用多时相全极化L波段(频率为1.2GHz)机载雷达测量数据进行验证,成功的估算了地表土壤水分的相对变化。     

卫星遥感反演土壤水分研究综述

土壤水分是影响地表过程的核心变量之一。精准地测量土壤水分及其时空分布,长期以来是定量遥感研究领域的难点问题。简要回顾基于光学、被动微波、主动微波和多传感器联合反演等卫星遥感反演土壤水分的主要反演算法、存在的难点和前沿性研究问题,介绍了应用土壤水分反演算法所形成的3种主要全球土壤水分数据集,包括欧洲气象业务卫星（ERS/MetOp）数据集、高级微波扫描辐射计（AMSR-E）数据集、土壤湿度与海洋盐分卫星（SMOS）数据集,并结合目前存在的问题探讨卫星遥感反演土壤水分研究的发展趋势。     

基于AMSR2被动微波积雪参量高精度反演方法研究

以新疆为研究区域建立了被动微波遥感积雪深度高精度反演模型,采用高空间和时间分辨率AM SR2被动微波遥感数据(2012年11月-2015年3月逐日数据),结合研究区域海拔高度、坡度、坡向、沙漠,荒漠和地表粗糙度等地形、地貌特征,考虑冰川、水体、林地等地表覆盖类型和不同季节的新雪、干雪和湿雪等积雪属性的微波辐射特征,以决策树阈值法为基础,通过采集样本分类建立起多种雪深判识阈值,在此基础上建立AMSR2高精度积雪深度反演综合模型,分类分析不稳定积雪和冰川信息,从而实现雪深在60 cm以内的积雪深度AMSR2反演的主要原理、思路及方法,并对模型的反演结果跟台站实测或者野外观测积雪值以时间和空间角度进行检验.结果表明:该综合模型能够定量判识研究区域复杂地形地貌条件下的1~60 cm积雪厚度,检验的复相关系数为0.74~0.88,均方根误差为2.92~6.14 cm,平均绝对偏差指数为3~4 cm,雪深误差5 cm的精度为91%~94%,雪深误差2.5cm的精度为81%~87%.     

基于地面观测的异质性下垫面像元尺度地表温度模拟研究进展

遥感反演的地表温度是研究全球气候变化和区域水分与能量交换的关键参数,准确获取地表温度对诊断地球环境变化意义重大。然而在异质性下垫面,像元尺度地表温度相对真值获取困难,导致遥感反演的地表温度的不确定性难以准确评估,影响了遥感反演的地表温度的深入应用。梳理了基于地面观测数据的异质性下垫面像元尺度地表温度模拟研究进展,依据模型是否构建真实空间分布,归纳了修正几何投影模型、真实结构三维模型和其他模型等,并对比了几种模型的优缺点。最后,指出了异质性下垫面像元尺度地表温度模拟中尚待解决的问题,并探讨了以后的研究方向。     

基于被动微波的寒旱区地表温度反演

以各频段水平极化和垂直极化发射率问的相关关系为条件,利用被动微波数据反演地表温度.算法既解决了地表温度反演过程中发射率难以确定的问题,又克服了热红外遥感受大气影响较大的缺点,其物理意义清晰,计算简便.算法以MODIS温度产品为评价标准,对36.5GHz和89 GHz反演结果进行分析.结果表明:89 GHz亮温数据反演精度高于36.5 GHz;与耕地和草场反演精度相比,裸土和山地反演精度较高.其原因在于高频数据穿透能力较低,能更好地表达地表温度.同时,低频数据相对高频更容易受到地表土壤水分变化的影响,发射率相对不够稳定,对反演结果有一定影响.     

球坐标系密度界面反演方法及在华南大陆的应用

密度界面反演方法在油气勘探、推断区域构造、获取地壳结晶基底面、莫霍面起伏形态等方面具有重要意义。现有的密度界面反演方法大多基于笛卡尔坐标系统,当涉及到大区域乃至全球尺度的密度界面反演时,地球曲率的影响将不可忽视,需考虑基于球坐标系Tesseroid模型的密度界面反演方法。然而,受计算精度和效率制约,已有的基于Tesseroid模型的密度界面反演方法并不能很好地适用于地表重力观测数据的反演计算。笔者基于前人研究,给出了一种适用于地表观测数据的球坐标系密度界面反演方法。该方法首先将常规的球坐标系高斯—勒让德重力积分公式进行简化,提高了重力正演计算效率。随后,引入并改进了前人的自适应剖分方案,提高了重力正演计算精度。在此基础上,采用Cordell迭代优化算法,得到了适用于地表观测数据的球坐标系密度界面反演方法。通过模型数据试验,对本文球坐标系密度界面反演方法进行了验证。结果表明,笔者对高斯—勒让德积分公式加以改进和引入改进的自适应剖分方案后,很好地克服了计算精度和效率对地表观测重力计算的掣肘,并且,基于球坐标系的密度界面反演结果优于基于笛卡尔坐标系的密度界面反演结果。在华南大陆实际数据试验中,利用文中方法得到的华南大陆的莫霍面深度与前人得到的莫霍面深度具有较高的吻合度,莫霍面自西向东逐渐抬升,西部抬升剧烈,东部抬升平缓,沿武陵山—贵桂交界一带呈现明显的NNE向莫霍面梯级带,验证了文中方法的科学有效性。     

岩体变形监测时序分析与动态建模

基于时序ARMA模型, 分析了岩体变形监测数据的动态建模及其预测的基本方法, 并用ARMA模型对板岩山危岩体监测数据进行建模及预测, 取得了较好的效果。     

基于灰色GM（1,1）模型的城市工业用水量预测

介绍灰色理论建模原理和模型参数辨识方法,并以实例（抚顺地区1994~2004年工业用水资料）建立灰色GM（1,1）预测模型,运用残差检验与后验差检验2种方法对模型进行精度检验,其模型拟合精度达98.72%。用所建立的模型对抚顺2001~2004年工业用水量进行外推预测。结果表明,该灰色模型用于工业用水量预测,符合其灰色特性,通用性好,并且所需数据少,计算量适中,预测结果与当地实际情况比较吻合。     

耦合SWAT与RIEMS模拟黑河干流山区径流

以黑河干流山区为研究区,采用1：100 000植被类型图、1：1 000 000土壤类型图和气象水文观测数据,耦合SWAT水文模型与RIEMS高分辨率区域气候模式,模拟1995-2010年月径流变化过程,探讨水文模型气象驱动数据的优化方法和气候水文模型耦合的区域适宜性。RIEMS气候模式输出精度较高,降水、温度、湿度、风速的相关系数均在0.80以上,均通过了0.01显著性水平检验,时空分辨率达到6 h和3 km。构建虚拟气象站点,弥补气象观测站点稀少且分布不均匀的不足,对水文模型气象驱动数据进行优化;遵循多时间尺度、多变量和多站点的原则来校准模型。结果表明,径流模拟值与观测值的过程趋势拟合程度较好,NSE均在0.60以上,PBIAS介于±20%之间,R²达到0.70以上。径流模拟在枯水期表现较好,在丰水期存在一定的误差,主要是受降水驱动数据偏高的影响,气候模式模拟能力需要提高,水文模型空间插值方法和气候水文模型耦合方案需进一步完善。总体来看,耦合SWAT模型与RIEMS模式能够较好地模拟黑河干流山区水文过程,可为流域水资源的预测和管理提供科学依据。     

地震、测井和地质数据融合与实现

厚覆盖区地下地质模型所依靠的数据主要是地震和测井资料,但地震数据反映范围广而分辨率低,测井数据则分辨率高而反映范围小,如何有效地将两者组合利用,克服各自不足是论证的重点,说明了用数据树的形式组织所有井与地震地质等数据,并能同时生成和编辑多口井的合成地震记录,来确定不同井的深时关系,为把不同域的地震数据和测井数据融合显示建立基础,提供了实时修改子波的频率和相位来做合成记录的功能,也有反射系数与子波的分布褶积等最新的方法,以慢镜头的形式说明合成记录的形成过程。这些功能的应用,给用户确定正确的地下速度场提供了先进的手段,为地质模型建立提供了先进的方法。     

重磁电联合反演在银—额盆地勘探中的应用

依据大地电磁测深连续二维反演结果初步确定构造与地层,通过综合分析区内物性特征给定地层与岩石的物性参数,建立正演地质—地球物理初始模型,在地质、钻井、地震资料约束下进行重磁电联合反演,不断修改地质—地球物理模型和大地电磁测深连续二维反演结果,使重磁正演数据和实测数据拟合度达到最佳。在银—额盆地构造与地层解释中的应用结果表明,重磁电联合反演可以有效克服单方法解释的多解性,准确识别地质层位,大大提高定量解释的精度。     

氮类污染物在土壤中迁移转化规律试验研究

在分析氮物质迁移过程的基础上,借助于土柱物理模型试验装置,试验研究了氮类污染物在土壤中迁移转化规律,得到了NH₄+-N、NO₃--N在土柱内的时空变化过程。在分析实测资料后,建立了考虑氮的迁移和转化的数学模型。根据实测资料和数学模型的数值解,运用最优化技术率定模型参数,参数验证结果与独立的实测值吻合良好。     

冰川消融耦合模型研究

以冰川的热量、固态、液态平衡为依据,结合液态降水和冰川热量收支等关系,导出完备的冰、热和液态水耦合冰川消长模型。应用于乌鲁木齐河源1号冰川及其总控制水文点,通过4～5年径流过程和冰川物质平衡的模拟检验,表明结构是合理的,效果是好的。     

面向对象的GIS水文水资源数据模型设计与实现

分析和总结了地理信息系统(GIS)在水文水资源应用中存在的问题与挑战。在ArcHydro数据模型框架的基础上,对面向对象的GIS水文水资源数据模型的结构与实现进行了深入研究与探讨。面向对象的GIS水文水资源数据模型能够很好地表达水文对象的空间位置、特征属性、时间属性以及对象间的拓扑关系,能完整地描述水文现象在地理空间的运动过程,并在江西省中部清丰山流域地理信息系统建设中应用。应用结果表明,面向对象的GIS水文水资源数据模型为设计水文空间数据库提供了一个通用的结构框架,有助于推动GIS在水文学研究与水资源管理的深入应用。     

中国及邻近陆域海域地球内部三维结构及动力学研究

根据国内外最新地球物理和其它地学资料,采用多学科多手段进行综合反演,建立中国及邻区高分辨率地球三维结构模型,为地学各领域提供高精度多参数地球三维模型数据库。对中国及邻近陆域海域岩石圈软流圈结构,过渡带以下直至核幔边界的地幔速度三维分布进行研究。探讨东亚及西太平洋边缘海板块运动、地幔对流、圈层耦合及物质运移等深部动力学问题。对中国大陆及边缘海各地块的结构及相互作用,特别是有关中国东部及边缘海岩石圈拉张减薄、西部岩石圈汇聚增厚的深部动力学过程作了探讨。     

再生水灌溉条件下氮磷运移转化实验与数值模拟

利用二维饱和-非饱和土壤氮磷运移转化模型nitrogen-2D对污水灌溉试验的实测数据进行了分析, 结果证明所提出的模型可以较好的描述土壤中的水分运动和氮的转化运移过程, 土壤含水量及铵态氮剖面模拟值与实测数据吻合程度较好.用检验过的数学模型模拟了不同污水灌溉方案下土壤及地下水中不同形态氮及磷的变化情况, 分析了不同灌溉方案下土壤的氮磷平衡和农田养分平衡状况, 结果表明: 适度的污水灌溉, 硝态氮和无机磷不会淋溶出1.5m土层, 不会对地下水造成氮磷污染; 施入土壤的铵态氮, 由于有较强的吸附性, 不易被作物直接吸收, 49%转化成硝态氮, 作物根系吸收以硝态氮为主, 氮肥当季利用率为23.3%;反硝化是进行污水灌溉时旱地土壤氮素的主要损失形式, 约占施入氮量的12.6%.