全球30m分辨率人造地表遥感制图研究

伴随着全球人口增长与经济发展,城镇化进程预计将在全球范围内持续加速,而人造地表是城镇化在地表覆盖上的直接体现.一方面,人造地表的扩张为工业生产、经济活动、人员居住等提供合适的场地;另一方面,人造地表深刻改变了地球的自然表面,进而影响地表热量交换、水文过程以及生态系统等自然过程.因此,对全球人造地表进行精确制图对于自然科学与社会科学等相关领域研究都具有重要意义.本研究以全球2000与2010年两个基准年的30m分辨率遥感影像为基础,完成了全球两期30m分辨率的人造地表制图任务.首先,根据人造地表的地理内涵与30m分辨率影像上提取的可行性,从斑块层面上提出适用于该尺度的人造地表定义;其次,考虑到人造地表的光谱复杂性与空间异质性,对现有像素级分类与对象级分割技术进行组合,以实现较高精度的人造地表斑块提取;最后,通过人工编辑与质量控制的手段,进一步保证全球范围内的人造地表制图精度.独立精度评价结果显示,该地表覆盖分类产品的用户精度达到80%以上.可以认为,该套产品是目前全球尺度上,人造地表或相关地表覆盖类型产品中分辨率与精度都最高的分类成果.该数据将为开展全球城镇时空格局分析、生态环境健康诊断等相关研究工作提供重要的基础数据.     

亚洲人造地表覆盖遥感精细化分类与分布特征分析

人造地表覆盖是刻画人类活动对陆地表层生态系统影响的重要因素,具有高度动态、结构复杂和类型镶嵌等特征.由于当前缺乏有效的洲际尺度人造地表覆盖精细化遥感探测方法和高精度的数据产品,由此影响了城市化对区域气候、生态系统过程和全球环境变化影响评估的可靠性.本研究构建了人造地表覆盖等级层次结构分类系统,发展了基于2010年全球地表覆盖30m分辨率产品(GlobeLand30)的人造地表覆盖二级类型像元组分提取的技术方法,研发了亚洲2010年高精度城市建成区及其内部城市不透水地表和植被覆盖组分比例数据产品.基于多源数据融合和专家知识方法获取的城市建成区及其内部组分分类的总体精度为90.79%;城市内部不透水地表比例组分信息提取平均相对误差为0.87,总体上数据产品具有较高的质量和可靠性.遥感精细化信息提取局部误差与不同气候带城市建筑与植被镶嵌程度密切有关.遥感精细化分类表明,亚洲城市建成区面积181785.96km~2,占亚洲陆表面积的0.59%;城市内部结构组分中,城市不透水地表总面积为116504.72km~2,占亚洲城市建成区面积的64.09%,植被和裸土面积占34.56%.在空间上,城市不透水地表自东向西呈现集聚式、分散式和无显著分布特征三级梯度.中国、印度和日本等国家,城市不透水地表总面积排在前三位,分别占亚洲城市不透水地表面积的32.77%、16.10%和11.93%.研究发现,城市建成区内部不透水地表与植被覆盖组分比例与国家的经济发展程度及区域气候环境密切相关,对于经济较为发达的国家,城市建成区内部镶嵌类型中不透水地表比例相对较低,如韩国、新加坡城市不透水地表比例约为50~60%,公共绿地植被面积比例相对较高,而对于经济发展水平较低的国家,城市建成区内部镶嵌类型中城市不透水地表比例则接近或超过80%.城市建成区内不透水地表、植被组分及空间分布特征集中反映了亚洲地区人口集聚和经济发展水平以及对子流域环境健康状况影响程度.     

几种地表微波比辐射率变化特征的地面观测

基于地表微波比辐射率观测试验,我们探讨了不同下垫面的地表微波比辐射率的变化特征以及降雨前后地表比辐射率的昼夜变化特征.同时,通过比较红外扫描仪和温度计同步测量的地表温度,发现将温度计浅埋土里比半埋土里测量的更为合理,后者测量的地表温度在中午时不合理偏高15～20℃.对于四种地表,草地比辐射率最高(～0.94),其次是裸土地比辐射率(～0.86),然后是沙地比辐射率(～0.82),水面比辐射率最小(～0.4).在微波辐射计观测入射角 > 60°时,土地和沙地比辐射率都随入射角度增加而减小,尤其前者更为敏感;草地和水面比辐射率随入射角度变化较小.不同地表比辐射率都呈现出昼夜差异,尤其土地、沙地和水面比辐射率在降雨之后的昼夜差异较为显著,夜里普遍偏高白天0.02～0.04;草地比辐射率昼夜差异较小,基本是白天略微高于晚上.降水后,草地微波比辐射率变化较小,裸土地和沙地比辐射率则显著降低.沙地和草地比辐射率随频率变化较小,裸土地比辐射率在降雨之后随频率明显增加.     

考虑边界区域的地表覆盖分类精度评价方法

地表覆盖作为地表状况的直接反映,与全球物质能量循环、气候变化以及人类社会经济活动等密切相关.地表覆盖分类数据通常利用遥感图像进行分类得到,其数据质量对全球环境监测及其变化研究与决策支持等过程有重要的影响.因此,对分类结果进行精度评估是地表覆盖分类的重要步骤.由于影像上不同地物类型边界处往往存在较多的混合像元,使得分类时处于边界处的像元分类精度相对低于内部像元,直接导致了类内自身的分类精度异质性增大,分类精度评估的不稳定性也随之增大.本文基于传统的分层抽样(stratified sampling,SS),提出了一种考虑边界区域的分层抽样方法(stratified sampling considering edges,SSCE).理论推导及实验结果表明,SSCE对总体精度(overall accuracy,OA)和kappa估计的准确性和稳定性均优于SS方法,主要结论为:在样本点总数较少的情况下,SSCE对分类精度估计的准确性高于SS方法;在相同的容许误差下,SSCE方法所需的样本数小于SS方法;分类图像中类内边界区域与内部区域分类精度的差异越大、其面积比例越均衡,SSCE方法越能准确地进行精度估计.因此,本文提出的SSCE方法能够以更少的样本获取代价、更高的准确性和稳定性对地表覆盖数据进行分类精度的评估.     

1776~1953年中国传统农区人口的格网化重建

本研究利用现代人口和环境因子数据,通过地理探测器分析辨识了人口分布的显著影响因子,进而构建了基于随机森林回归算法的人口空间分布模型,最后以史学界考订的历史人口数据为基础,重建了1776~1953年6个时间断面中国传统农区10km×10km分辨率的人口空间分布,并分析了人口分布的时空变化特征.研究发现:(1)显著影响中国传统农区县域之间人口密度差异的主要环境因子包括海拔、坡度、地势起伏度、距地区(州、府)级城市与省会城市的远近、距河流远近及气候湿润指数.(2)利用2000年传统农区1934个县级人口及上述环境因子数据,基于随机森林回归算法构建的人口空间分布模型的方差解释量(R²)为0.81,88.4%的县(区)的模型预测误差小于50%.(3)1776~1953年研究区人口总体呈增加趋势,1851年之前主要表现为长三角地区人口持续增长,该地区500人/km²以上的网格数由292增至683个;1851~1953年则以多地区人口普遍增加为主要特征,华北平原500人/km²以上的网格数由36增至88个,珠江三角洲地区由4增至35个.各时期人口分布的空间聚集特征不一,其成因涉及经济重心转移、传统观念、战乱、灾荒、移民政策等多方面.(4)本文重建与HYDE数据集在数据源、环境因子遴选和建模方法上均有所不同,与本文重建结果相比,1776~1851年HYDE的人口总体上东部偏少,西部偏多,1851年后城镇偏多,乡村偏少.     

非比例阻尼线性系统多点地震激励下的反应谱法

地震时从震源释放出来的能量以地震波的形式传至地表,而地表各点接收到的地震波是经由不同路径、不同地形地质条件而到达的,因而反映到地表的震动必然存在差异.对于平面尺寸较小的建筑物(如通常的工业与民用建筑),地震动空间变化对结构反应的影响不大,忽略空间变化变化能够满足此类建筑物的抗震设计要求.     

GPS-MR技术用于降雪厚度监测研究

降雪是重要的淡水资源,也是全球气候系统中重要的组成部分.目前全球雪深探测主要依靠站点稀疏的人工探测仪或低时空分辨率的遥感卫星.近几年,基于不同地表介质引起GPS多路径效应的GPS-MR技术以其全天候,自动化,时空分辨率高、无需建网等诸多优点成为雪深探测领域的一个新型探测手段,本文在国内首次开展了基于测量型接收机的GPS-MR探测雪深研究.首先详细给出了基于GPS信噪比观测值的GPS-MR技术进行雪深探测的基本原理;其次结合实测GPS观测数据和雪深测量数据,分别利用单颗和多颗GPS卫星对GPS-MR探测雪深的可行性与探测精度进行深入研究与分析.初步实验结果表明基于信噪比观测值的GPS-MR技术可用于雪深探测,与实测雪深数据相比其探测精度约为10cm左右,尤其可用于暴雪监测.GPS-MR技术不仅可充分挖掘全球密集GNSS网络用于地表环境监测(雪深探测、海平面变化、土壤湿度、植被变化、火山活动等)的潜能,而且可进一步精化GNSS多路径模型误差,以期进一步提高GNSS用于精密定位与地表环境监测的精度.     

云南及其邻近地区三维速度图象

利用地震层析成象法重建了云南及其邻近地区地壳、上地幔三维速度结构图象,成象结果表明:(1)地壳上部的速度图象与地表已知的地质特征明显相关,康滇地轴显著高速,形成了一个接近地表的高速岩体;文山州低速,速度约为5.40km/s.(2)地壳下部在北纬26-31°,东经100-104°长条带内有低速层存在,四川盆地的地壳比50km(?) 要浅.(3)层析成象结果不仅揭示了研究区域速度的横向不均匀性,也可以从地壳底部的速度图象大致看出红河断裂带的走向,沿红河断裂带两侧速度差异很大.(4)腾冲地区从25-110km 里有一低速柱,这可能是地幔玄武岩上涌造成的.(5)研究区域地壳厚度的轮廓大致是西边厚、东南薄.(6)从地壳底部的速度图象发现,5级以上的大部分地震都发生在速度梯度较大的地方,特别是高速、低速的过渡地区,低速区地震很少.(7)在450km 处,介质的横向不均匀性仍然很明显.     

云南及其邻近地区三维速度图象

利用地震层析成象法重建了云南及其邻近地区地壳、上地幔三维速度结构图象,成象结果表明:(1)地壳上部的速度图象与地表已知的地质特征明显相关,康滇地轴显著高速,形成了一个接近地表的高速岩体;文山州低速,速度约为5.40km/s.(2)地壳下部在北纬26-31,东经100-104长条带内有低速层存在,四川盆地的地壳比50km(?) 要浅.(3)层析成象结果不仅揭示了研究区域速度的横向不均匀性,也可以从地壳底部的速度图象大致看出红河断裂带的走向,沿红河断裂带两侧速度差异很大.(4)腾冲地区从25-110km 里有一低速柱,这可能是地幔玄武岩上涌造成的.(5)研究区域地壳厚度的轮廓大致是西边厚、东南薄.(6)从地壳底部的速度图象发现,5级以上的大部分地震都发生在速度梯度较大的地方,特别是高速、低速的过渡地区,低速区地震很少.(7)在450km 处,介质的横向不均匀性仍然很明显.      

360阶均衡重力模型研究的进展及其在全球重力模型中的应用

确定高阶地球引力位的模型通常需要分布在全球上的精确地表重力资料.由于在一些地区精确的重力资料尚无法获得或很少,因此在现有重力数据基础上开展估算重力异常方法的研究十分重要.本文检验了由爱利-海斯坎宁(Airy/Heiskanen)均衡假说导出的地形均衡位场调和系数与低阶地球卫星引力位模型相结合的可能性. 首先讨论了新编缉的全球地形数据库,这个数据库提供了有关地形分类(如冰的夜盖范围等)的附加信息.然后把确定地形均衡位场调和系数的严谨公式用于解释不同的地形类型.利用这个公式及级数展开法来确定直到360阶的地形均衡位场的全部系数集.这些系数与由地球卫星得出的模型(GE‘I一Tl/T2)相结合来估算lOX1’平均重力异常值.通过把估算的异常值与观测值以及由地球卫星高度导出的异常值相比较,可得出以下结论:(a)当地球卫星模型为36阶而地形均衡系数为37阶以上时可获得理想的结果.例如,36阶的GEM一TZ与37一180阶地形均衡系数相结合时,6237个IOXI。的异常差的均方根(、)是士18 mG目,有一个小于10mGal的标准偏差,这个均方根可与偏差为士27mGai的地表异常的均方根相比较.仅用36阶的GE卜I-TZ模型估算相同的地表重力异常值时均方根偏差为士22 mGal.(b)冰的影响是值得注意的,并且对重力资料稀少的两极地区可提高估算异常值的质金.(c)估算异常的总精度大约等于现有的地球物理预计异常的总精度.然而,在这种方法中对低阶应用地球卫星模型可能解决与地球物理异常区城偏差有关的问题.     

利用GRACE时变重力场探测2010年中国西南干旱陆地水储量变化

GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)卫星计划为监测陆地水储量变化提供了有效技术手段.本文采用2003至2010年共计8年的GRACE月重力场模型反演中国西南区域陆地水储量变化,与GLDAS(Global Land Data Assimilation System)全球水文模型进行对比分析,其结果在时空分布上均符合较好,同时在2009年秋至2010年春该区域陆地水储量均呈现明显减少,与该时段云贵川三省的干旱事件相一致;比较分析了2009年秋至2010年春GRACE反演陆地水储量变化与TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)合成数据计算的月降雨量的时空分布,两组结果均与西南干旱事件对应时段与区域十分吻合;对近8年的陆地水储量变化与月降雨量数据进行相关性分析,其结果表明陆地水储量变化与降雨量强相关,即降雨量是导致陆地水储量变化的主要因素;分析该区域地表温度变化,结果显示2009年9月至2010年3月地表温度均比历史同期高,地表温度的升高加剧了陆地水储量的减少.     

ZH-1卫星LAP数据校正及与Swarm B数据差异分析

针对ZH-1卫星朗缪尔探针(LAP)原位电子密度观测数据远小于其他系统观测数据的问题,本文利用COSMIC及COSMIC 2在中纬度地区的掩星数据,得到对LAP数据的校正关系,并进一步利用与ZH-1具有相似飞行高度的Swarm B卫星全球等离子观测数据对校正后的LAP数据进行检验,以评估校正结果的准确性和可靠性.检验结果认为:(1)校正后的LAP数据与Swarm B数据基本一致,两者在中纬度地区符合较好,在赤道地区仍有明显偏差.(2)这一偏差与观测数据值的大小有关,在较小观测值时两者符合较好,较大观测值时差异变大,可能与两个卫星载荷的不同动态响应特性有关.(3)经过线性校正的LAP数据不会改变相对变化关系,但拓展了数据的应用场合.     

1961~2016年全球变暖背景下冰川物质亏损加速度研究

过去几十年间,全球冰川物质亏损的加速趋势日益显著,而这种加速趋势将对全球海平面上升、流域水资源以及冰冻圈灾害等方面产生深远的影响.针对目前关于冰川物质亏损加速度的研究仍然比较贫乏的问题,本研究利用实测冰川物质平衡记录和最新的融合实测资料与大地测量法表面高程变化的冰川物质变化数据,对全球冰川物质亏损加速度进行研究.结果表明,1961~2016年全球冰川物质亏损经历了显著的加速过程.在全球尺度上,冰川物质亏损加速度分别为(5.76±1.35)Gt a^-2(冰量损失加速度)和(0.0074±0.0016)m w.e.a^-2(单位面积冰量损失加速度).在区域尺度上,冰川主要分布区(除南极冰盖边缘地区)的冰量损失加速度大于冰川储量较小的区域,其中阿拉斯加地区的冰量损失加速度最大((1.33±0.47)Gt a^-2).对单位面积冰量变化而言,冰川分布面积较小的区域和几个主要冰川分布区都呈现出较大的冰川消融加速度,其中欧洲中部的冰川单位面积物质亏损的加速度最大((0.024±0.0088)m w.e.a^-2).全球气候变暖是冰川物质亏损加速的主要驱动力.通过对比研究,发现格陵兰冰盖和南极冰盖对全球海平面上升贡献的加速度均大于冰川.本研究将有助于提升对冰川变化机理的认识,为应对冰川变化的影响提供科学依据.     

全球水质量迁移对海平面空间模式周年变化的影响

大气、陆地水和海洋之间的水质量迁移对海平面的影响一般假定为均匀薄层分布.但实际上,水质量负荷重新分布一方面会使地壳产生形变,另一方面会引起重力位势场变化(引力位和离心力位),这都会对海平面时空变化特征产生影响,两方面之和称为负荷自吸引效应(SAL).海洋模式模拟的时变洋底压力结果一般符合Boussinesq假设即体积守恒,忽略了大气、陆地水和海洋之间水质量交换的影响.本文基于海平面变化方程,联合陆地水模型、大气地表气压模型、海洋洋底压力模型和GRACE反演的冰川质量变化,详细讨论了2003-2010年SAL对海平面周年变化的影响.主要结论有:(1)SAL对全球海平面周年变化有显著影响,振幅在1.3~19 mm.其中近海岸和低纬度区域受影响较大.(2)在SAL引起的海平面周年振幅变化的因素中,陆地水储量变化因素最大,大气因素次之,非潮汐海洋影响最小.但非潮汐海洋对海平面周年相位空间变化的影响最为复杂.(3)通过与国际长期验潮站观测数据结果比较,在ECCO海洋模式估计的洋底压力结果中引入SAL,能多解释约5.3%观测信号方差.     

全球陆表水体空间格局与波动初步分析

陆表水体是人类生存和发展的最重要资源之一,也是全球水循环主要组成部分之一.全面地掌握陆表水体的空间分布、持续地测定其动态变化,是全球生态环境健康诊断的一项重要工作.根据30 m分辨率全球地表覆盖数据产品(Global Land 30)中的两期陆表水体数据产品(Global Land 30-water 2000和Global Land 30-water 2010),利用MODIS时间序列数据对其进行时相订正,通过水域面积、水域率及其空间变异系数的指标,按全球、经纬度、大洲及气候区等不同层次分析了陆表水体及空间分布格局和时间波动.遥感监测结果显示,全球陆表水体总面积达367.67×104 km2,占全球陆表面积的2.73%.陆表水体空间分布极为不均,主要集中于北半球的中高纬度地区和热带地区.对比2000与2010年两期的水域面积差异,总体波动不大,但是区域差异较明显.Global Land 30-water产品及统计数据为分析全球陆表水体空间分布格局、揭示其地域差异、研究时空波动规律以及诊断生态环境健康提供了重要基础数据.     

红山台磁通门磁力仪观测数据对比分析

对2010-2012年红山地磁台2套相同厂家和型号的磁通门磁力仪GM4-1和GM4-2产出的数据进行背景噪声、基线值、预处理分数据和日均值几个方面的对比分析.结果显示:(1)两套仪器各分量日均值变化曲线形态一致性较好;(2) GM4-2各分量的噪声值和月剩余标准差值均大于等于GM4-1各分量的噪声值.(3) GM4-2仪器相对于GM4-1仪器灵敏度较低.分析的结果能较好地反映出2套仪器观测数据的内在质量,也能客观地反映出红山台各套仪器的工作状态及绝对观测对相对记录的控制水平.     

国际湖沼学会2009年学术讨论会通知

淡水资源是人类最宝贵的资源,不仅是所有生命赖以生存的物质,也是决定社会经济发展的主要因素之一.随着全球人口的增加和社会经济的快速发展,淡水资源短缺的现象日益严重,而富营养化、有机物污染、生物入侵、土地利用变化等因素使淡水生态系统不断退化,进一步加剧了淡水资源的紧缺,甚至威胁到人类的健康与生存.同时,全球变化,尤其是气候变暖,不仅影响到降雨和淡水资源的分布,还影响到淡水生态系统和水环境的变迁,因此如何应对全球变化所带来的影响成为未来水环境保护与治理必须考虑的重要内容.     

全球地表热流的产生与分布

全球地表热流是反映地球内部热与动力学过程的一种主要能流.本文在三维球坐标框架下，就几个不同的粘度模型分别研究地幔内部密度异常(基于全球地震层析结果)以及板块运动激发的地幔流动的热效应及其对于观测地表热流产生和分布特征的贡献.由于地幔动力系统具有较高的Pe数，可以期望由板块运动激发的地幔流动将强烈地扰动地幔内部初始传导状态下的温度场以及地表热的热流分布.结果表明，与地幔内部密度异常产生的热效应相比，运动的板块及其激发的地幔流动在全球地表观测热流的产生和分布特征上起着更为重要的作用.观测到的大洋中脊处的高热流在很大程度上可以归因于板块激发的地幔流动的热效应.计算的平均温度剖面较好地揭示了岩石圈和D″层的温度特征，即温度随深度的剧烈变化，这与我们目前通过其他手段对岩石圈和D″层的温度结构了解是一致的.一个下地幔粘度比上地幔高出30倍的粘度结构(文中使用的粘度模型2)较之其余模型的拟合程度似乎更好.     

固体潮位移InSAR相位模拟及对广域地表形变监测的影响初探

固体地球潮汐(Solid earth tide,SET)在地表产生的径向位移可达40～50 cm,形变梯度可达2 cm/100 km,是各种精密大地测量和地球物理观测必须考虑的因素之一.随着星载合成孔径雷达干涉测量(Interferometric synthetic aperture radar,InSAR)地表形变监测范围的不断增大以及对精度要求不断提高,固体潮位移对InSAR观测的影响不容忽视.本文利用固体潮位移理论模型,根据InSAR测量基本原理和Sentinel-1卫星成像参数,模拟了固体潮位移InSAR相位,定量分析了其时空分布特征,并以我国江汉平原和北美大平原的Sentinel-1数据为例,探讨了固体潮位移InSAR相位对广域地表形变监测的影响.结果表明:(1)固体潮位移对InSAR广域地表形变监测存在较大影响,在250 km×250 km范围中,以C波段为例,其相位变化可达12 rad(对应52 mm视线向形变);(2)固体潮位移相位在中低纬度(60°S—60°N)地区变化较大,两极地区较小,且在时间上具有明显的周期性;(3)在Sentinel-1 InSAR观测中,通过固体潮位移相位改正去除了干涉图中的部分低频相位偏差,相比原始干涉图,改正后的解缠相位标准差减小了约29%.本研究对于认识固体潮位移InSAR相位的时空分布特征以及提高星载InSAR广域地表形变监测的准确度与可靠性均具有重要意义.     

地电阻率季节干扰变化分析

结合我国实际,本文提出四类地电阻率季节变化的干扰模型.经模型理论计算及同有季节变化的四十多台站的实测资料对比得出:(1)地电阻率季节变化是探测深度偏浅时,地表层电性变化,特别是表层地下水水位年动态变化所引起的一种与地震无关的干扰变化.其变化形态与量级取决于干扰模型、地电断面类型以及探测深度.(2)通常地电阻率季节变化与浅层电阻率变化的符号一致,呈现出正常季节变化;但对 K,Q 型地电断面,当干扰层位于地表第一层时,将从某一供电极距开始,出现反常的季节干扰变化.(3)当探测深度大于300m 时,不论正常的还是反常的季节变化,其幅度都将小于2%.因此,只要适当选择台址或加大供电极距使探测深度足够大,便可排除或压低这种干扰.