利用多源卫星数据研究青藏高原湖泊水储量变化及其影响因素

青藏高原分布着地球上海拔最高、数量最多的高原湖泊群,也是我国湖泊最集中的地区,有效掌握青藏高原湖泊水储量变化对于我国水资源有效利用具有重要意义。本文的研究核心是联合多源卫星数据研究青藏高原湖泊水储量变化,主要内容包括水陆交界处波形重跟踪算法研究、多源测高数据融合、利用测高和遥感数据计算湖泊水储量变化、结合GRACE数据进行湖泊水量平衡分析和青藏高原湖泊的气候变化响应研究等。     

SWOT卫星对青海湖的水位监测潜力研究

青藏高原湖泊群水位变化是反映全球气候变化的重要指标。在实测数据稀缺和现有卫星时空覆盖范围低的限制下，基于雷达干涉模式的新一代SWOT (Surface Water and Ocean Topography)卫星可为全球内陆水体提供高时空分辨率和高精度的水位信息，是对传统观测形式的有力补充。在卫星发射之前探讨其监测潜力具有重要意义。本研究以青藏高原最大的青海湖为例，使用CNES SWOT水文模拟器，模拟2010年—2018年类SWOT水位序列。通过分别采用实测水位、光学水位和雷达水位作为SWOT模拟器驱动，探讨了SWOT模拟器模拟精度对输入驱动的敏感性，并在多个尺度下评价了其模拟表现。结果表明：多种驱动数据情景下，类SWOT水位均可在季节和全年尺度上捕捉青海湖水位变化过程，相关系数和纳什效率系数分别在0.9—1.0和0.8—0.99变化；且可较好监测到青海湖水位长期变化趋势。SWOT具有监测青藏高原湖泊群水位动态的巨大潜力，能够有效观测湖泊水位变化。     

卫星测高数据监测青藏高原湖泊2010年—2018年水位变化

青藏高原湖泊水位变化是气候变化和生态环境变化研究的重要指标。随着Cryosat-2观测数据的日益丰富和处理技术的提升,可以有效监测更多湖泊的水位变化信息。本研究构建了基于噪声去除技术、改进的波形重跟踪处理算法（ImpMWaPP）和误差混合动态模型为一体的高精度湖泊水位序列提取方法,利用Cryosat-2 SARIn数据获取到133个青藏高原湖泊2010年—2018年的高精度水位序列,并分析了这些湖泊水位变化的时空变化特征。总体上,青藏高原湖泊的水位继续呈上升趋势,但上升速度较2003年—2009年趋缓,年均变化率0.159 m/a。从地域分布上,北部湖泊的水位上升最为显著,而南部湖泊的水位则趋于稳定。从时间上,2010年—2012年和2016年—2018年,大多数湖泊的水位呈现快速上涨,而其他时间水位相对稳定或略有下降。     

近30年青藏高原可可西里盐湖面积动态变化及其影响因素分析

青藏高原湖泊是全球气候变化的敏感指标,对全球气候变化具有很强的反馈作用。由于卓乃湖的溃堤,地处于青藏高原腹地的可可西里盐湖迅速扩张,这不仅对周边草地植被及流经的冻土造成危害,对青藏铁路和青藏公路的正常运行也产生了干扰。本文利用多源遥感监测手段对可可西里盐湖近30年面积进行监测,从时空变化趋势上提取盐湖面积的动态变化并进行成因分析。结果表明：(1)2011年9月卓乃湖溃决,导致可可西里盐湖面积1990—2020年增大了178.535 km²;(2)自2020年可可西里盐湖的引流工程完工,盐湖面积得到有效遏制,并在2021年缩小至191.145 km²;(3)盐湖湖岸线自1990—2020年主要在东南部和西南部有显著扩张,而最大的变化是盐湖东部由以前伸入湖中央的半岛变为孤岛;(4)面积与降水、气温呈显著相关关系,与日照时长、冰川融水呈弱相关关系。     

青藏高原生态地质环境遥感调查研究

自2003年始开展的青藏高原生态地质环境遥感调查与监测项目已取得了阶段性的成果，本文就项目涉及到的第四纪基础地质 与第四纪冰川遗迹、现代冰川雪线、湖泊湿地、荒漠化等专题成果进行了简要介绍。本文明确了项目开展的意义，给出了青藏高原 生态地质环境质量的评价结果，强调了地学因素对于青藏高原生态地质环境形成与演化的控制作用，以及近30a来全球气候变化对 高原生态地质环境适应性变化的驱动作用。     

基于多时相图谱的青藏高原湖泊变化检测研究

利用多期遥感影像,对青藏高原南羌塘地区纳木错湖泊流域北部进行解译,提取了多时相地学信息图谱,发现1992-2005年间,湖泊面积扩张且整体变化呈加快趋势。分析了研究区内典型湖泊的变化特征,确定了稳定增加的湖泊面积。通过多时相地学信息图谱检测的变化信息与区内多年气象数据的复合分析,探讨了湖泊变化与气候变化的响应关系。     

基于Faster R-CNN和MorphACWE模型的SAR图像高原湖泊提取

青藏高原湖泊是高原生态环境中最重要的自然要素之一,实现青藏高原湖泊调查与监测是现阶段迫在眉睫的任务.由于水体在SAR图像上呈现出独特的镜面反射特征,使得利用SAR图像进行湖泊的提取与分析成为当下研究热点.为进一步排除干扰地物影响、提高分类准确度,采用欧空局Sentinel-1A干涉宽幅模式的斜距单视复数产品(SLC)为...     

青藏高原地表冻融循环与植被返青期的变化趋势及其气候响应特征

青藏高原特殊的地理环境使其对全球气候变化十分敏感,所以研究其地表冻融循环和植被返青期的时空动态对于回顾和预测青藏高原对全球气候变化的响应具有重要意义。本文通过利用双指标地表冻融状态识别算法和被动微波亮温数据(SMMR、SSMI和SSMIS)来获取青藏高原长时间序列(1982年—2013年)逐日地表冻融状态,通过对GIMMS全球植被指数数据产品进行NDVI的滤波重建和返青期提取来获取青藏高原植被长时间序列(年份)的返青期;并且分析了地表冻融循环和植被返青期的变化趋势、相互关系及对青藏高原气候变化的响应特征。总体来看,在空间上,青藏高原的地表冻结集中发生在10月30日至次年4月2日,平均地表融化首日集中在5月12—27日,平均植被返青期集中在5月19—29日。植被返青期平均发生在地表融化首日后的3.94±5.58日,两者具有显著的相关关系(R=0.51,P=0.003)。青藏高原的地表融化首日和植被返青期在1982年—2013年间经历了推迟、提前再推迟的3个过程,融化时间和返青期在1982年—1987年分别以1.93±1.81 d/a和0.28±1.01 d/a的速度推迟;在1987年—2006年分别以0.67±0.20 d/a和0.13±0.16 d/a的速度提前;在2006年—2013年分别以0.97±0.84 d/a和1.04±0.52 d/a的速度推迟。中国气象局布设在青藏高原的CMA气象站的温度数据表明,高原的春季地表0 cm土壤温度呈持续上升的趋势,而植被返青期和地表融化首日并未持续提前,这可能是由几十年来高原不同地区降水等其他环境因素变化的差异造成。同时在气温持续升高期间,植被返青期的返青温度阈值也不断具有上升的趋势(R=0.72,P0.001),这可能与植被适应气候变化的自身调节能力有关。     

青藏高原湖泊和NDVI变化反映的生态地质环境问题

分析湖泊源区生态地质环境对湖泊变化的影响,建立湖泊变化、源区归一化植被指数(NDVI)变化与生态地质环境演变的关系,提出"湖泊、NDVI遥感动态监测的生态地质环境评价"方法("L-N").基于20世纪90年代初(TM)至2000年初(ETM)的湖泊遥感调查数据,结合相应NOAA/AVHRR NDVI数据,利用L-N方法完成青藏高原生态地质环境评价.研究结果表明:青藏高原生态地质环境总体呈恶化趋势,高原北部的边缘地带、长江情系上游、特别是柴达木盆地较为明显,雅鲁藏布江流域、高原东南部情况较好;L-N方法有助于提高遥感环境监测效率,湖泊、NDVI遥感监测具有重要的生态地质环境意义.     

青藏高原32年湿地对气候变化的空间响应

青藏高原是全球气候变化敏感区,其湿地状况对该区的生态安全有重要影响。基于1975年MSS,1990年TM,2000年ETM和2006年CBERS遥感数据,建立4大类10亚类湿地的遥感解译标志;通过目视和人机交互解译,结合多年野外调查资料,获取4期湿地信息数据;经过Kriging空间插值处理获得1962—2007年青藏高原每一年的年平均降水和气温空间数据;应用Arc Info软件进行Grid计算,以遥感数据的时相分布图为控制层,分别生成4期气温镶嵌图和降水镶嵌图;使用AML宏语言实现湿地变化与气候因子(温度和降水)基于像元的相关分析、偏相关分析和复相关分析,在空间上定量分析湿地变化与气候变化的响应关系。结果表明:青藏高原1975—2000年湿地总面积持续减少,2000年后有所回升;以干燥为主要特征的柴达木流域、祁连山区及黄河流域的湿地变化对降水变化的响应较敏感;在青藏高原整体升温、尤其是低温地区增温幅度较大的情况下,以冰川融水作为补给的湿地对气温变化的响应较为敏感。     

Remote sensing of alpine lake water environment changes on the Tibetan Plateau and surroundings: A review

Alpine lakes on the Tibetan Plateau (TP) are key indicators of climate change and climate variability. The increasing availability of remote sensing techniques with appropriate spatiotemporal resolutions, broad coverage and low costs allows for effective monitoring lake changes on the TP and surroundings and understanding climate change impacts, particularly in remote and inaccessible areas where there are lack of in situ observations. This paper firstly introduces characteristics of Tibetan lakes, and outlines available satellite observation platforms and different remote sensing water-body extraction algorithms. Then, this paper reviews advances in applying remote sensing methods for various lake environment monitoring, including lake surface extent and water level, glacial lake and potential outburst floods, lake ice phenology, geological or geomorphologic evidences of lake basins, with a focus on the trends and magnitudes of lake area and water-level change and their spatially and temporally heterogeneous patterns. Finally we discuss current uncertainties or accuracy of detecting lake area and water-level changes from multi-source satellite data and on-going challenges in mapping characteristics of glacial lakes using remote sensing. Based on previous studies on the relationship between lake variation and climate change, it is inferred that the climate-driven mechanisms of lake variations on the TP still remain unclear and require further research.     

Variations in the Ice Phenology and Water Level of Ayakekumu Lake,Tibetan Plateau,Derived from MODIS and Satellite Altimetry Data

The alpine lakes on the Tibetan Plateau (TP) are highly sensitive to variations in climate changes, and the lake ice phenology and water level are considered to be direct indicators of regional climate variability. In this study, we first used 14 years of moderate resolution imaging spectroradiometer snow cover products to analyse the freeze dates, ablation dates, and ice coverage durations. The lake level changes during 2002–2015 were estimated, derived from satellite altimetry and Hydroweb data. Unexpectedly, the freeze dates of lake ice greatly advanced, and the ablation dates were markedly delayed. The complete freezing duration lengthened by approximately 77 days. As a result of the warm-wet climate in the northern TP, the lake area expanded from 770 to 995 km² during 2002–2015, and the water levels rose by 4.2 m in total, at a rate of 0.3 m/year. The progressive expansion of Ayakekumu Lake profoundly affected the ice phenology. Larger water volume with larger thermal capacity likely led to the delaying of ablation dates, with the freezing point depression caused by decreasing salinity. Some new narrow and shallow bays located in southern and eastern Ayakekumu Lake were conducive to early freezing of ice. Additionally, the changes in air temperature, precipitation, potential evaporation, and sunshine duration may be related to the prolonged ice cover duration since 2002. In sum, accurate measurements of lake ice and water levels are critical for understanding the water resource balance and hydrologic cycle in arid or semi-arid regions of China.     

基于GEE的鄱阳湖湿地植被长期变化特征及其对水文情势的响应北大核心CSCD

针对鄱阳湖湿地植被长期变化的科学问题,本文基于谷歌地球引擎(GEE)遥感大数据平台和CART分类回归树算法提取鄱阳湖2000—2017年涨水期、丰水期、退水期和枯水期的年时序植被分布范围,阐明其时空变化特征;在此基础上,结合水位数据分析湿地植被与水文情势变化之间的响应关系。结果表明,(1)2000—2017年,枯水期、涨水期、丰水期和退水期鄱阳湖湿地植被平均面积分别为846.35、679.03、172.35、508.63 km^(2)。(2)2000—2017年,不同水位期鄱阳湖湿地植被总面积均呈增加趋势,并有向湖心演变的趋势。(3)鄱阳湖植被面积受水位影响显著,水位与植被面积呈负相关,降水异常(如极端降水或严重干旱)是导致植被面积明显偏离平均面积的主导因素。本文结论有助于鄱阳湖湿地生态系统的健康诊断,对鄱阳湖湿地保护和修复政策的制定具有科学参考意义。     

多源卫星测高数据监测拉昂错1992年—2020年水位变化

青藏高原湖泊水位是反映生态环境变化的重要指标,为了使用多源卫星测高数据构建高精度、长时序的湖泊水位时间序列,本文提出了一种基于大气路径延迟校正、波形重定、异常值检测、卫星间偏差调整的高精度湖泊水位序列构建策略.以拉昂错为研究对象,利用本文方法对TOPEX/Poseidon、Jason-1/2/3高度计数据进行处理,构建...     

Lake variations in response to climate change in the Tibetan Plateau in the past 40 years

The Qinghai-Tibetan Plateau plays an important role in global climate and environmental change and holds the largest lake area in China, with a total surface area of 36,900 km². The expansion and shrinkage of these lakes are critical to the water cycle and ecological and environmental systems across the plateau. In this paper, surface areas of major lakes within the plateau were extracted based on a topographic map from 1970, and Landsat MSS, TM and ETM+ satellite images from the 1970s to 2008. Then, a multivariate correlation analysis was conducted to examine the relationship between the changes in lake surface areas and the changes in climatic variables including temperature, precipitation, evaporation, and sunshine duration. Initial results suggest that the variations in lake surface areas within the plateau are closely related to the warming, humidified climate transition in recent years such as the rise of air temperature and the increase in precipitation. In particular, the rising temperature accelerates melting of glaciers and perennial snow cover and triggers permafrost degradation, and leads to the expansion of most lakes across the plateau. In addition, different distributions and types of permafrost may cause different lake variations in the southern Tibetan Plateau.     

LANDSAT Sub-pixel Analysis in Mapping Impact of Climatic Variability on Prairie Pothole Changes

The Prairie Pothole Region in the United States contains millions of seasonal, semi-permanent, or permanent lakes and wetlands that typically range in size from 0.1 to 10 ha. These lakes and wetlands are vulnerable to climate change, especially in our study area in South Dakota, in which a period of deluge following a sharp drought considerably expanded the areal extent of prairie pothole lakes during the last decade of the twentieth century. Preliminary estimates of lake areas, determined using LANDSAT 5 and 7 images, had appreciable errors especially for the smallest of these lakes. This article describes a new sub-pixel approach integrated with a CART (Classification and Regression Tree) model using a GIS (Geographical Information System) to quantify mixed water pixels along lake boundaries to improve area estimations for pothole lakes. Errors in estimated area were typically 10% or less for lakes greater than 1 ha in size. An analysis of lakes in our study area demonstrates how lake area changed with the transition from drought to deluge. Small lakes exhibited a distinct seasonal variation in contrast to large lakes that tended to follow precipitation trends more broadly. The total water area of lakes is consistent with broad variation in rainfall.     

基于夜间灯光数据的河南省城市扩张及驱动力研究

以河南省为研究区,利用2000—2018年夜间灯光数据、NDVI数据和VANUI数据提取城市建成区.在建成区面积和灯光强度两个方面的变化进行论述,利用景观指数对河南省城市景观进行定量分析,采用主成分分析法对河南省建成区扩张驱动力进行分析.结果表明,河南省建成区面积从1937 km2增加到5155 km2;灯光强度从75...     

无/缺水下地形数据的高原堰塞湖水量遥感估算

水量遥感动态监测对于高原堰塞湖风险评估、预报预警和处置决策等具有重要意义。针对高原无资料或缺资料区,充分利用空天遥感技术,文章提出了一种无/缺水下地形数据的高原堰塞湖水量遥感定量估算方法。该方法首先通过遥感水域面积提取,获取堰塞湖淹没空间范围;进而采用不规则复杂多边形中线定位算法,确定堰塞湖中心线位置;然后基于河道中心特定点高程信息,结合局部河道比降估算,生成堰塞湖水下地形河道中线约束因子;再根据河道边坡高程信息和水下地形约束因子自适应拟合出局部堰塞河道的水下未知地形;最后通过三维曲面离散积分实现堰塞湖水量遥感动态定量估算。实验以东帕米尔高原的萨雷兹堰塞湖为研究区,展开遥感水量调查与局部验证研究,结果表明:萨雷兹堰塞湖当前水域面积约为89.09 km²,水量约为162.49亿m³;这一结果与专家预估的水资源量155—165亿m³基本吻合。经局部模拟实验精度对比验证,模拟结果与实际数据动态误差总体控制在10%以内,相关系数达到0.95(P<0.01,双尾),进一步证明了算法的鲁棒性和估算结果的可信度。为无/缺水下地形数据的高原堰塞湖水量遥感估算提供了一种有效的方法,实现了水下地形未知的高原堰塞湖水量遥感快速反演与定量测算。     

中国湖泊分布与变化：全国尺度遥感监测研究进展与新编目

湖泊提供重要的生产生活用水,在维系生态安全方面发挥显著的价值。中国地理环境复杂多样,湖泊类型各异,不同湖区间的湖泊时空变化特征及驱动机制复杂。两次全国湖泊调查是国家尺度的湖泊变化监测的开创性工作,近年来伴随遥感数据源的海量积累和湖泊遥感提取方法的快速发展,大尺度湖泊水体变化遥感监测研究取得了长足的发展。然而,由于人工判读、湖泊类型判别依据和遥感数据源时相的差异,湖泊水体遥感提取结果及面积估算存在不同程度的出入。首先,本文总结了现有全国尺度湖泊监测研究的遥感数据源、方法和结果,分析了不同研究分析结果差异的可能原因。其次,本文基于1980s—2010s时段Landsat影像制图的湖泊水淹频率数据集的最大水域范围信息,提取并生成了全国湖泊新编目,以其作为该时段内湖泊判定和水体变化监测空间约束的统一参照,避免了因遥感数据时相与年际、年内湖泊水域范围波动对遥感提取结果及湖泊面积计算带来的差异。最后,本文从湖泊水淹范围频度的统计角度,初次提出了可体现湖泊面积年内与年际变化情况的统计指标——概率等效面积,用于监测和指示湖泊水域动态。结果表明,近30年来,中国有3741个最大水域范围大于1 km²的湖泊,总面积约93723 km²,其中青藏高原湖区的湖泊数量约占全国三分之一,总面积超过了全国的一半。全国湖泊总面积呈显著上升趋势,不同湖区的变化趋势差异明显:青藏高原湖区和新疆湖区湖泊面积显著上升,东部平原湖区、内蒙古高原湖区和云贵高原湖区显著下降,东北平原与山地湖区波动式变化、趋势不显著。研究结果总体表明中国湖泊水资源的时空不平衡状况在加剧。     

1990-2019年艾丁湖流域城市空间扩展遥感监测

基于卫星遥感影像,监测艾丁湖流域1990-2019年土地覆盖类型变化,并利用多种城市变化监测指数及雷达图方法,揭示以自然流域为研究范围的城市扩展变化过程,并探究其驱动机制.结果表明:①1990-2019年,流域内土地类型变化巨大,城市扩展明显,建成区面积扩大了近3倍;②流域内城市扩展经历了中速扩张和高速扩张两个阶段;③...