基于ETM+的积雪提取方法研究——以新疆玛纳斯河流域为例

为了高精度地提取积雪信息, 消除森林覆盖区以及结冰河流水体对于积雪信息提取的影响, 以Landsat ETM+为数据源, 分析了玛纳斯河流域积雪信息提取的归一化差值积雪指数阈值, 并建立积雪信息提取方法. 对研究区进行了积雪信息提取, 并与国际数据服务平台所得的积雪信息提取结果进行了比较. 结果表明: 基于Landsat数据利用归一化差值积雪指数提取积雪信息时, 其合理阈值应为0.37; 通过总体精度以及Kappa相关系数在结冰水体区域以及森林覆盖区域的提取结果进行对比, 认定所使用的提取方法更加准确可靠.     

基于栅格尺度的双层融雪径流模型研究及应用

以新疆天山北坡军塘湖河流域作为研究区,基于物理机制构建双层分布式融雪径流模型,利用研究区数字高程模型(DEM)提取流域信息,运用GIS技术与遥感技术获取积雪、植被、土壤等与融雪径流模型有关的地表信息,并结合WRF中尺度数值预报模式作为该模型气象驱动数据,对研究区融雪期进行模拟,结果显示:2009、2010年峰值模拟期间,实测与模拟径流过程线拟合度高,QR合格率分别达87%、90.85%。该模型适用性较好,对融雪洪水预警具有一定的参考价值。     

基于GF-2卫星数据的矿山开发信息自动提取

我国高分系列卫星数据因具有重访周期短、价格低廉、精度较高的特点,在矿山开发监测工作中得到了广泛的应用。本文在深入了解高分二号卫星数据特征的基础上,以甘肃永登县为例,利用机器学习模型中支持向量机算法(Support Vector Machine,SVM)自动提取矿山开发信息,在处理的遥感影像上进行样本采集,借Matlab平台对样本及影像数据进行归一化、降维处理(PCA)。利用SVM模型进行信息自动提取过程中,选取径向基核函数(RBF),运用量子粒子群算法进行参数寻优,最终对提取结果进行野外调查。查证结果表明利用SVM模型进行矿山开发信息自动提取是可行的。该研究为国产数据在矿山监测应用中提供了新的思路。     

PSO-LSSVM模型在位移反分析中的应用

提出了一种基于均匀设计原理、最小二乘支持向量机(LSSVM)和粒子群优化算法(PSO)的快速位移反分析方法。该方法利用均匀设计和有限差分法获得学习样本,再用粒子群算法搜索最优的最小二乘支持向量机模型参数。并用最小二乘支持向量机回归模型建立反演参数与监测点位移值之间的非线性映射关系,最后用粒子群算法从全局空间上搜索与实测位移最吻合的反演参数。该反演模型利用了粒子群算法高效简单、均匀设计构造高质量小样本以及最小二乘支持向量机的小样本、泛化性能好的特点。将该模型应用于龙滩水电站左岸地下厂房区岩体地应力场的反演分析中,计算结果与实测的位移值和地应力值均吻合较好,说明了该模型在岩土工程快速反演分析中具有良好的应用价值。     

积雪水文模拟中的关键问题及其研究进展

针对近年来积雪水文模拟研究的发展趋势, 在简要评述积雪模拟基本方法的基础上, 分别就各类方法的不同着眼点展开讨论, 从模拟方案的简繁、 积雪面积等重要状态变量在模型中如何体现等角度进行了叙述.针对我国青藏高原积雪特征, 提炼出现阶段空间分布式积雪水文模拟中的3个关键问题: 网格尺度积雪空间异质性的模拟、 风吹雪的空间参数化、 季节性冻土下垫面的融雪模拟. 分别就这些问题, 回溯了国内外最新研究进展, 强调了发展积雪衰减曲线在网格尺度积雪模拟中的重要性, 讨论了山区环境中具有操作性的风吹雪空间参数化方案, 分析了冻土下垫面融雪研究存在的一些具体问题.     

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%.     

AN AUTOMATIC ALGORITHM ON ESTIMATING SUB-PIXEL SNOW COVER FROM MODIS

积雪覆盖(snow cover)是气候、水文和生态环境等研究领域中很重要的参数之一.与积雪覆盖二值技术不同,亚像元雪盖反演技术可以在给定卫星观测空间分辨率前提下进一步提高积雪覆盖面积的反演精度.“多端元光谱混合分析”方法反演亚像元积雪覆盖度具有物理意义明确、精度高等优势.但由于其需要通过端元选取、最小二乘法反演等计算,运行效率较低,难以满足大数据量计算.我们发展了一种改进“多端元光谱混合分析”方法反演MODIS亚像元积雪覆盖的算法.该算法通过对MOD09GA数据进行图像端元自动提取,并利用能够代表图像端元类的典型端元库进行“多端元光谱混合分析”反演亚像元积雪覆盖.我们在端元选取、多端元线性混合模型分解等方面进行了改进与发展,不仅保证了产品精度,同时提高了计算的时效性.     

基于EOS/MODIS的新疆积雪监测

积雪是新疆水资源的重要组成部分,是环境变化的重要因子,其动态变化监测意义重大.利用EOS-MODIS地球观测卫星接收数据,选择新疆13个地州(区、市)为监测对象,对2002年1月至2003年11月EOS/MODIS卫星近2500条轨道资料的处理分析,提取监测区晴空影像图163张,并对对应地区的积雪面积及深度用归一化差分积雪指数NDSI分层阈值法进行监测方法的初步探讨.结果表明,该监测方法对于提取积雪的空间分布信息是可行的.     

滑坡灾害空间预测支持向量机模型及其应用

随着GIS技术在滑坡灾害空间预测研究中的广泛应用,滑坡灾害空间预测模型成为研究的热点问题。在总结滑坡灾害空间预测研究现状的基础上,简要介绍了两类和单类支持向量机的基本原理。以香港自然滑坡空间预测为例,采用两类和单类支持向量机进行滑坡灾害空间预测,并与Logistic回归模型进行了比较。结果表明,两类支持向量机模型优于Logistic回归模型,而Logistic回归模型优于单类支持向量机模型。     

能量平衡融雪模型在乌鲁木齐河源区的应用

山区融雪是内陆河流域重要的径流补给来源,融雪径流模拟是干旱区水文预报的研究热点。针对山区积雪消融的不确定性过程,根据能量平衡原理,以乌鲁木齐河源区融雪性洪水多发期为研究时段(2010年3月14日~4月12日),结合MODIS积雪产品和气象观测数据,采用GIS空间分析平台,阐述了融雪过程中能量平衡各收支通量变化的计算过程,并分析了融雪水量空间分布特征。模拟计算结果表明:乌鲁木齐河源区显热通量和潜热通量的日空间变化波动相似,但方向相反;日融雪量数值波动不大,但日融雪量空间分布不均,日平均融雪水量约为8.6 kg/m~2;融雪产流模拟结果和同期出山口水文站监测结果相吻合,Nash-Sutcliffe系数(R~2)和径流体积差分析(D_v)分别为0.76和6.72%,满足精度要求。该研究结果对干旱区内陆河流域融雪型洪水预报具有参考意义。     

非线性时变增益模型在新疆喀什中小河流洪水模拟中的适用性研究

近年来受人类活动和气候变化影响,新疆喀什地区水文非线性特征凸显,使得传统考虑单一线性的模型精度不高,以新疆喀什地区中小流域为研究对象,应用非线性时变增益模型,结合该流域1999-2017年实测洪水数据分析该模型在新疆喀什地区中小河流洪水模拟的适用性。研究结果表明:采用新的模型洪水模拟精度可到乙级以上精度,明显好于传统模型。研究成果对于新疆喀什地区中小河流防洪预警具有重要参考价值。     

我国新疆北部地区雪面雨日数时空变化特征分析

在全球变化背景下,雪面雨发生频次增加,致灾风险加大,认识雪面雨时空变化特征对于防洪减灾具有重要意义。基于我国新疆北部地区42个国家气象站1960—2015年逐日气温、降水、雪深、天气现象等气象观测数据,制定降水类型、地面状态、雪深等共同判定雪面雨事件的参数化方案,进而分析新疆北部地区雪面雨日数时空变化特征及其与气温、海拔的关系。结果表明：近56 a来新疆北部地区雪面雨日数以0.3 d·（10a）^-1的速率呈缓慢增加趋势;空间分布上,新疆北部地区雪面雨主要集中于塔城北部、伊犁河谷、乌鲁木齐河源地区,其中塔城裕民县最多,年平均雪面雨日数12.2 d;相关分析显示雪面雨日数及雪面雨量均与海拔呈显著正相关。该研究有望提升对新疆干旱区雪面雨事件这一诱发雨雪混合洪水重要现象的科学认识,为新疆地区致灾洪水过程分析以及洪水监测预警提供参考。     

2001-2012年新疆融雪型洪水时空分布特征

利用2001-2012年新疆区域内发生的融雪型洪水资料,分析研究了近12 a新疆融雪型洪水时空分布特征.结果表明:新疆融雪型洪水与前一年10月至当年3月新疆全站总累计降水量大小相关,降水量大的年份,对应的融雪型洪水发生次数也多;冬末至夏季融雪型洪水在北疆地区基本上是从西向东、从南向北的先后顺序出现,而在南疆地区的融雪洪水基本上是从西向东、从北向南先后顺序出现.新疆融雪型洪水主要集中出现在春夏季,其中,北疆地区在3月,南疆地区在7月发生较多;伊犁河谷、昌吉、阿勒泰、和田等地区及青河、乌鲁木齐、阿克陶、民丰等市县是新疆融雪型洪水的高发区.     

北疆地区融雪洪水及其前期气候积雪特征分析

依据水文观测资料,对北疆地区发生融雪洪水前期气温、降水、积雪和诱发洪水的升温条件进行了分析,得出了发生融雪洪水的定量指标,有助于今后开展融雪洪水预报。     

干旱区融雪径流模拟的研究进展与展望

融雪径流模拟是干旱区水文水资源研究的热点问题,对干旱区春季融雪洪水风险评估和流域水资源管理至关重要。结合文献查询及资料分析,重点讨论了不同类型融雪径流模型的特征和发展情况,比较了不同融雪径流模型在干旱区一些典型河流的应用情况,并对其功能及优缺点进行了评估。结合对目前流域融雪径流模拟研究中存在的问题的分析,提出未来融雪径流模拟要注重提高数据分辨率的观点。借助多源遥感数据驱动获取更为精确的输入数据,在数据获取难度减小、精度提高的基础上山区融雪径流模拟将更多地以基于能量平衡的物理性模拟为主。模型的构建要充分考虑由气候变暖所带来的其它参数的变化,精确描述山区融雪过程,以提高对融雪径流的模拟精度。     

阿克苏河洪水类型及其形成的500hPa环流特征

利用阿克苏河两条支流和干流的月径流量以及年最大洪峰流量资料,分析了阿克苏河的洪水特征.阿克苏河西支托什干河主汛期在5~8月,北支库玛拉克河与阿克苏河干流的主汛期在7~8月,库玛拉克河的洪水对阿克苏河干流洪水作用更大.托什干河洪水以融雪型、融雪叠加暴雨型两种类型为主,库玛拉克河洪水以融雪(冰)型、融雪(冰)叠加冰湖溃坝型为主,阿克苏河干流洪水以混合型最多见,其次是融雪(冰)型.年最大流量排名前15位的洪水中,阿克苏河两条支流与干流在1987年以后分别出现了7~9a,在此基础上分析归纳了三类形成阿克苏河流域主要洪水的500hPa环流模型.阿克苏河流域主汛期形成混合型洪水的500hPa环流特征为:新疆高压脊稳定在天山山区中部及以东地区,5880gpm等高线北界稳定在天山上空或天山以北,西部边界在帕米尔高原以东的南疆盆地上空,中亚地区为副热带低槽活动区,环流形势相对稳定.主汛期形成融雪(冰)型洪水的500hPa环流特征为:新疆高压脊向北发展且稳定维持3d以上,5880gpm等高线北界稳定在天山以北,西部边界在帕米尔高原以西.春季形成融雪型洪水的500hPa环流特征为:帕米尔高原及西天山受新疆高压脊控制,稳定维持3d以上,高压脊内5840gpm等高线北边界维持在40°N以北.     

我国新疆北部积雪中痕量元素的时空分布及污染评估

积雪中记录的痕量元素含量,能很好地评估当地大气污染状况。利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）,对2018年1月和3月采自新疆北部的天山北坡、伊犁河谷、塔城地区和阿勒泰地区的积雪样品进行了16种痕量元素测试。结果表明：北疆地区积雪中痕量元素含量的平均值在0.06 ng·g^-1（Cd）～1 481.1 ng·g^-1（Al）之间。时间分布上,消融期多数痕量元素浓度低于积累期、稳定期;Pb、Cr等元素消融期含量高于其他时期,可能与外源输入有关。空间分布上,塔城地区和天山北坡的多数痕量元素含量高出伊犁河谷和阿勒泰地区1~3倍。与其他地区雪冰中痕量元素含量对比,发现新疆北部高出青藏高原北部1~3倍,与受人类活动影响较大的天山乌鲁木齐河源1号冰川相应痕量元素浓度接近,揭示了新疆北部积雪中痕量元素较高的浓度特征。元素富集系数表明,Fe、Be等元素主要来自地壳粉尘,Pb、Cd、Zn、As等元素呈显著富集（EFc>10）,受人类排放活动主导。结合后向气团轨迹分析,塔城地区的痕量元素可能受到哈萨克斯坦的影响,阿勒泰地区的痕量元素可能受到中亚、阿尔泰山南缘等地的影响,天山北坡与伊犁河谷主要受新疆本地气团的影响。     

新疆阿勒泰地区的洪水特性

受洪水补给来源和阿尔泰山山势影响,阿勒泰地区洪水发生时间比新疆其他以高山永久积雪和冰川融水补给为主的河流偏早。因此,从认识洪水特性、预防洪水灾害角度出发,对阿勒泰地区洪水发生机制、时空分布和变化特点进行分析研究是很有必要的。利用阿勒泰地区各主要河流1960~2011年历年洪峰、冬季和汛期降水、气温和700hPa高空温度资料,对洪水发生机制、时空分布和变化特点进行分析。结果表明:(1)本区洪水类型有融雪型洪水、融雪与降水混合型洪水和暴雨型洪水;(2)洪水与冬季积雪和汛期气温、降雨有关;(3)汛期过程相对短,主汛期发生时间以5月下旬至6月中旬期为主;(4)洪水挟沙能力强,汛期含沙量占年含沙量近90%;(5)暴雨洪水多发生于阿勒泰地区的中东部区域河流上;(6)全区洪水具有同步性,洪水年际变化相对小。     

新疆冬季雪水资源估算及分布特征

应用2004—2010年EOS/MODIS遥感积雪监测资料,结合新疆89个气象站雪深、雪密度50年的观测记录,估算新疆冬季雪水当量,并对时空特征进行研究。结果表明:① 2004—2010年新疆年雪水当量最大峰值为368.83亿m3(2009—2010年)、最小峰值为93.91亿m3(2006—2007年),最大峰值是最小峰值的4倍左右,且6年中峰值出现的最早和最晚时间相差5旬。② 新疆雪水资源分布存在4个区域:南疆、东疆、伊犁和博州、北疆东北部,不同区域雪水当量峰值出现时间不同。新疆雪水当量峰值应该是4个区域峰值之和。③ 新疆雪水当量50年来呈现年际间的大幅波动,发展趋势沿着斜率为0.083 2的直线上升,表明雪水资源在逐年增多;波动幅度逐步加大,表明雪水资源偏少的年份有时也会发生。