黑河流域生态水文传感器网络设计

在黑河上游八宝河流域和中游盈科灌区,以无线传感器网络为纽带,高效集成流域尺度内密集分布的、多源异构传感器的各种气象、水文及生态观测项目,建立自动化、智能化、时空协同的、各观测节点远程可控的生态水文传感器综合观测网络;通过优化地面采样方案,精细观测和准确度量流域尺度内空间异质性较强的关键水文生态要素的时空动态过程、时空变异性和不确定性;研究针对星载/机载遥感真实性检验的地面传感器采样方案,精细验证遥感反演精度,深入挖掘各种遥感手段在流域综合观测中的作用和潜力;全面提高流域水文生态过程的综合观测能力和观测自动化水平。     

黑河流域遥感—地面观测同步试验：科学目标与试验方案

介绍了黑河流域遥感-地面观测同步试验的科学背景、科学问题、研究目标以及观测试验方案和观测系统布置.总体目标是,开展航空-卫星遥感与地面观测同步试验,为发展流域科学积累基础数据;发展能够融合多源遥感观测的流域尺度陆面数据同化系统,为实现卫星遥感对流域的动态监测提供方法和范例.以具备鲜明的高寒与干旱区伴生为主要特征的黑河流域为试验区,以水循环为主要研究对象,利用航空遥感、卫星遥感、地面雷达、水文气象观测、通量观测、生态监测等相关设备,开展航空、卫星和地面配合的大型观测试验,精细观测干旱区内陆河流域高山冰雪和冻土带、山区水源涵养林带、中游人工绿洲及天然荒漠绿洲带的水循环和生态过程的各个分量;并且以航空遥感为桥梁,通过高精度的真实性验证,发展尺度转换方法,改善从卫星遥感资料反演和间接估计水循环各分量及与之密切联系的生态和其他地表过程分量的模型和算法.由寒区水文试验、森林水文试验和干旱区水文试验,以及一个集成研究--模拟平台和数据平台建设组成.拟观测的变量划分为5大类,分别是水文与生态变量、驱动数据、植被参数、土壤参数和空气动力参数.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开.布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其他水文要素观测网络;使用了5类机载遥感传感器,分别是微波辐射计、激光雷达、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机;获取了丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波、激光雷达等卫星数据.     

数字黑河的思考与实践4:流域观测系统

数字化的流域观测系统是数字流域的重要组成部分.①首先介绍了水循环卫星遥感和地面观测的最新进展,以及航空遥感在流域观测中的重要作用.②介绍了对于流域观测系统的构想.认为流域观测系统应兼顾陆面过程、水文、生态观测的不同空间尺度和时间尺度,监测与控制试验并重,地面与遥感配合,重视采样设计,重视新兴观测手段,与信息系统扣模型高度集成,科学目标导向,模型需求驱动.③黑河流域观测系统由位于流域上中下游不同景观带的野外研究站、综合观测试验以及气象水文业务化观测网络组成,在流域内先后开展了HEIFE实验、金塔试验和黑河综合遥感联合试验.④介绍了对于流域观测系统的进一步构想:增强遥感观测能力是关键,集成遥感、地面观测和模型模拟才能更好地定量估计水循环,流域观测系统应和信息系统、综合模型等共同构成流域科学研究的信息基础设施,更好地为流域科学服务.     

黑河流域生态—水文观测试验与水—生态集成管理研究

对黑河流域水—生态—经济系统研究的主要内容“流域生态—水文观测试验与流域水—生态集成管理”做了概要论述。认为流域水循环、生态水、集成水管理三大科学问题的解决必需加强该领域的研究;结合黑河流域的前期基础、研究现状和能力建设,提出了近期研究的4个领域：流域水循环、水平衡与可利用水资源;流域生态—水文过程与生态环境用水;人类活动驱动的流域水—生态系统演变;流域生态—水文野外平台与流域集成环境。对此进行了进一步的阐述,对该方面研究的方法论和技术难点亦做了简述。     

黑河流域上游寒区水文遥感-地面同步观测试验

介绍了黑河流域上游寒区水文遥感-地而同步观测试验,论述了试验目标与研究内容、试验区的选择设计以及寒区水文长期观测试验.上游试验以理解寒区水文过程、提高寒区定量遥感水平为主旨,以积雪和冻土为主要研究对象,开展了微波辐射计、高光谱成像仪航空遥感和地面同步观测,并选择典型小流域进行长期寒区水文过程观测与研究.试验集中在冰沟积雪小流域、阿柔草场和扁都口裸露耕地3个不蚓地表覆盖区,以积雪和冻土变量与参数的测量为主.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开,分别布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其它水文要素观测网络;航空飞行传感器分别采用微波辐射计、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机,收集获取了试验区丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波等卫星数据.通过试验,初步构建了上游寒区航空-卫星-地面综合数据集,可以应用于改进和验证寒区陆面/水文过程模型.     

黑河综合遥感联合试验

黑河综合遥感联合试验是在我国第二大内陆河流域-黑河流域开展,以水循环及与之密切联系的生态过程为主要研究对象的大型航空、卫星遥感与地面同步观测科学试验。它由中国科学院西部行动计划项目黑河流域遥感-地面观测同步试验与综合模拟平台建设和国家重点基础研究发展计划项目陆表生态环境要素主被动遥感协同反演理论与方法联合组织实施。     

生态水文研究前沿问题及生态水文观测试验

自1987年Ingram HAP提出生态水文学概念以来,生态水文学得到了快速的发展。2007年,“生态水文学与环境可持续性”已成为UNESCO/IHP第7阶段计划的主题之一。回顾了生态水文学概念的变迁,综述了有关术语及其科学内涵,简要分析了水循环与生物地球化学循环、水文与生态系统相互作用、水文过程与生命过程耦合、绿水及其生态作用等方面关注的科学问题及其观测研究进展;介绍了黑河流域生态水文学研究的初步认识。     

黑河流域生态水文样带调查

样带研究是研究全球变化与陆地生态系统关系最有效的途径之一。通过在黑河流域上、中、下游分别确定具有代表性的流域样带和空间网格,系统调查植被、土壤、水文、地貌和气候特征及人类活动和社会经济特征,建立相应的数据库。完善流域整体概念的野外观测试验研究网络,形成以流域为单元、科学问题为导向的生态—水文过程的数据—模拟研究平台,使我国流域生态水文研究进入国际先进行列。     

黑河流域山区植被生态水文功能的研究

依据土壤-植被-大气系统的结构特性,从林冠层、苔藓-枯枝落叶层、土壤层剖面结构分析了黑河流域山区水源涵养林在水文过程中的作用.观测试验表明,林冠截留大气降水的32.7%,使到达林地的水分相对减少而养分增加,而林冠遮荫使林内土壤蒸发仅为林外草地的34.2%.苔藓-枯枝落叶层疏松多孔,最大持水量可达12.5mm水层深,加上表层较高的体积含水量和较小的水分变差系数,使其在涵蓄一部分大气降水的同时具有良好的保水性能.林地土壤具有良好的渗透性和涵蓄大气降水的能力,从而减少了地表径流量.森林的蒸散发使林区空气湿度高于周边地区17%,形成山区独特的森林小气候,从而进一步影响着山区的水文过程.     

黑河流域遥感-地面观测同步试验:森林水文和中游干旱区水文试验

主要介绍了黑河流域遥感—地面观测同步试验(Watershed Allied Telemetry Experimental Research,WATER)的第二阶段,即以森林水文过程及中游干旱区生态水文过程为主要目标的中游试验。简要阐述了试验目标与研究内容,重点介绍了航空飞行试验、地面同步试验和加密观测试验的样方布置、数据获取与处理以及研究进展与展望。中游试验的核心研究内容是紧密围绕森林水文及中游干旱区水文的水循环问题开展航空遥感、地面同步观测试验和水文与生态参数加密观测试验,改善蒸散发反演模型和算法,探讨尺度转换方法。其中航空试验使用了微波辐射计、激光雷达(LiDAR)、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机5类传感器,飞行了17个架次和72个小时。     

黑河流域典型景观植被带陆面过程同步观测研究

为了解内陆河流域不同尺度内与水循环及生态过程有关的水分、热量分布规律,在黑河流域上中下游选取3个典型植被景观带建立观测场,并布设环境观测系统(ENVIS)进行环境要素的同步观测.结果表明,山区森林草地灌丛复合生态区陆面是冷性湿润的下垫面,中游绿洲荒漠接触带是干性、较湿润的下垫面,下游荒漠河岸林景观带是干热性的下垫面.     

干旱区内陆河流域生态水文综合集成研究

针对干旱区内陆河流域生态环境问题,面对国家重大需求及地球系统科学发展方向,指出内陆河流域生态水文综合集成研究的必要性,旨在为精细管理水资源,提高单方水产出效益（经济效益和生态效益）提供思路。以黑河流域为例,追踪流域研究历程,目前从野外调查试验观测,模型模拟到研究平台建设,黑河流域的数据知识的积累已基本具备开展流域生态水文综合集成的条件,但仍然存在着巨大的挑战。根据存在的问题,提出未来进行集成研究应加强的3个方面：①加强综合观测;②强调人文因素的定量研究和人文过程的研究;③重视模型、模拟方法在描述和反演地理真实中的应用。     

生态-水文中无线传感器网络应用研究

无线传感器技术的成熟推动了无线传感器网络在环境监测中的广泛应用.但在高寒高海拔极端恶劣环境下,开展无线传感器网络应用的较少.从生态-水文研究出发,选取关注度较高的黑河流域一级支流马粪沟子流域为研究区域,配合现有定点观测系统,提出一种适宜生态-水文模型需要的面上密集数据观测的无线传感器网络系统框架.重点讨论了无线传感器观测网络的实现方案、观测点的选取、传感器节点的部署、节点的网络拓扑构成以及传感器网络的软、硬件组成,实现了已经部署的无线传感器观测网络的数据自动采集、自动传输、自动处理及数据可视化展示等,总结并分析了无线传感器网络在生态-水文应用与研究中存在的问题和经验,并对应用前景进行了展望.     

从无人机遥感、数据融合、生态价值谈自然资源要素综合观测体系构建

自然资源要素综合观测体系建设是自然资源部全面贯彻习近平生态文明思想、践行山水林田湖草是生命共同体发展理念、实施自然资源"两统一"管理的重要举措.这项基础性、公益性、紧迫性的建设工程对于解决我国自然资源长期且连续定位观测研究不够、预判资源环境数据支撑不足、实现以自然资源综合区划为管理单元、评价资源综合承载力、研究资源间耦合平衡过程、预判资源环境生态演变趋势及优化自然资源空间结构配比,具有十分重要意义.自然资源调查、监测与观测研究是获取自然资源现状、预判未来状态的主要手段.我国自然资源调查、监测体系相对完善,但观测研究体系相对不系统,数据积累相对不足.为了更好地搭建自然资源要素综合观测体系,分别从无人机遥感观测、数据融合及自然资源资产价值方面给出了建议:充分利用和发挥无人机组网遥感观测、倾斜摄影测量等技术,开展自然资源立体观测;借鉴降水、陆面、海表和三维云气象多元数据融合经验,开展自然资源要素综合的数据融合;利用森林资源生态服务价值评价经验,开展自然资源资产价值核算.这些建议对自然资源综合观测体系的科学构建具有借鉴作用.     

从无人机遥感、数据融合、生态价值谈自然资源要素综合观测体系构建

自然资源要素综合观测体系建设是自然资源部全面贯彻习近平生态文明思想、践行山水林田湖草是生命共同体发展理念、实施自然资源“两统一”管理的重要举措。这项基础性、公益性、紧迫性的建设工程对于解决我国自然资源长期且连续定位观测研究不够、预判资源环境数据支撑不足、实现以自然资源综合区划为管理单元、评价资源综合承载力、研究资源间耦合平衡过程、预判资源环境生态演变趋势及优化自然资源空间结构配比,具有十分重要意义。自然资源调查、监测与观测研究是获取自然资源现状、预判未来状态的主要手段。我国自然资源调查、监测体系相对完善,但观测研究体系相对不系统,数据积累相对不足。为了更好地搭建自然资源要素综合观测体系,分别从无人机遥感观测、数据融合及自然资源资产价值方面给出了建议: 充分利用和发挥无人机组网遥感观测、倾斜摄影测量等技术,开展自然资源立体观测; 借鉴降水、陆面、海表和三维云气象多元数据融合经验,开展自然资源要素综合的数据融合; 利用森林资源生态服务价值评价经验,开展自然资源资产价值核算。这些建议对自然资源综合观测体系的科学构建具有借鉴作用。