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2:数据集成

数据集成是流域集成研究的核心环节,是发展、改进和验证模型的基础。介绍了"数字黑河"数据集成研究的进展:①定义了数据集成;提出数据库集成应具有数据的完整性、可获取性和有效管理3个基本特征;而模型数据集可根据流域集成模型对科学数据的需求,概化为驱动数据、参数集、验证和诊断数据三大类。②进一步丰富和完善了"数字黑河"信息系统;扩展了黑河数据库,较为系统地收集了黑河流域的基础地理数据、各类观测数据、科学试验数据和现有的模型数据集,在线数据量已扩充至1 000 GB,并且广泛共享。③介绍了模型数据集取得的进展及目前存在的问题;发展了制备高分辨率驱动数据的统计和动力降尺度方法;依靠数据融合方法制备了适用于模型的黑河流域土地覆盖图和土壤图。④指出了数据集成所面临的挑战和需要优先完成的迫切任务,核心是以发展流域集成模型为导向,进一步完善"数字黑河"信息系统,并且制备高分辨率和可靠的模型数据集。     

2005~2015年青藏高原多年冻土稳定性制图

连续性分类系统的适用性与数据匮乏是过去青藏高原多年冻土制图的两个主要问题.文章基于高海拔多年冻土稳定性分类体系,在模型对比基础上,利用支持向量回归模型集合模拟了划分多年冻土稳定性的年平均地温,生产了空间分辨率为1km的青藏高原多年冻土稳定性分布图.制图中使用了青藏高原2005~2015年间共237个钻孔年平均地温(年变化深度处温度)观测数据,利用统计学习方法融合了地面观测与遥感冻结指数、融化指数、积雪日数、叶面积指数、土壤容重、高程和高质量的土壤水分再分析资料.该图显示,青藏高原多年冻土面积约115.02(105.47~129.59)×10⁴km²,其中,极稳定型(?0.5℃)多年冻土面积分别为0.86×10⁴、9.62×10⁴、38.45×10⁴、42.29×10⁴和23.80×10⁴km²,分别占青藏高原多年冻土的0.75%、8.36%、33.43%、36.77%和20.69%.以模拟的多年冻土稳定性分布图为基础,定义了划分多年冻土稳定型的遥感年平均地表温度和冻结数标准,这两个标准对于多年冻土稳定型的划分结果一致性分别达到69.6%和75.3%,对于多年冻土范围划分的一致性分别达到了90.1%和91.8%.     

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.     

黑河遥感试验中尺度上推研究的进展与前瞻

尺度问题是遥感科学研究的一个关键科学问题,但其理论和方法的发展严重受限于稀缺的多尺度观测数据。黑河生态水文遥感试验(Hi WATER)的核心目标之一是开展多尺度观测以支持尺度转换研究。本文综述了Hi WATER中定点观测的尺度上推研究进展,内容包括:(1)尝试严格定义了空间平均、空间尺度上推、观测足迹、代表性误差、观测真值等概念;(2)介绍了Hi WATER获取的多尺度(单点—像元—区域—流域)生态水文观测数据;(3)发展了基于地统计理论的多尺度采样方法,改进了基于时间稳定性的采样方法;(4)定量评估了辐射、碳通量、土壤水分、地表温度单点观测的代表性误差,实证了异质性地表遥感产品真实性检验的不确定性主要来源于观测的时空代表性;(5)发展了定点观测的尺度上推方法,将克里格方法推广至回归克里格、面到面、不等精度观测等情形,发展了贝叶斯框架下的非线性尺度上推方法,实证了引入遥感观测作为协同信息可显著提高尺度上推的精度。总之,Hi WATER初步形成了从采样设计、多尺度观测、代表性误差的度量、尺度上推新方法到真实性检验的研究框架。     

2001-2018年石羊河流域植被变化及其对流域管理的启示

植被是流域生态系统的重要指标,植被景观管理也是流域综合管理的重要内容。综合利用长时间序列MODIS反射率和归一化差值植被指数（NDVI）产品及Landsat卫星遥感影像,基于谷歌地球引擎（GEE）平台,利用计算机自动分类的方法,监测了2001-2018年间石羊河流域的植被（包括灌溉土地）的逐年变化,结合降水、径流量和地下水位地面监测数据,分析了全流域植被指数、植被面积、灌溉土地范围的变化特征及其与水循环之间的互馈关系。研究发现,2001-2018年间,石羊河流域的植被面积以每年约135 km²的速率增加,其中,自然植被和灌溉土地分别以每年60.5 km²和74.6 km²的速率增加。除了金昌区的植被增加以灌溉土地为主外,其他区域都以自然植被的增加为主。特别是民勤地区,由于十多年的持续调水和有效退耕,地下水位近年来开始抬升,自然植被开始恢复。但与此同时,中游凉州区和永昌县的生态风险加大。未来可从灌溉规模控制、地表与地下水统一调度、景观分级和配置技术发展、优化产业结构、强化与流域外的连通性等方面加强流域综合管理,提高流域社会系统弹性,增强可持续发展能力。     

地质钻孔信息形化管理系统框架设计与关键技术研究

钻孔是重要的地下信息获取手段, 为了有效地存储和管理青藏铁路建设中大量使用的钻孔信息, 讨论了一种适合野外单机工作环境下, 空间信息与复杂非空间信息结合存储和访问的机制, 即“混合数据模型”机制, 并基于该机制实现钻孔数据的存储与管理. 通过 UML方法和“设计模式”的思想,设计并实现了“地质钻孔信息图形化管理系统”的核心架构, 采用 GIS和自动生成柱状图的方法, 解决了传统钻孔数据维护和表现的难点.     

基于多源数据融合方法的中国1 km土地覆盖分类制图

精确的全球及区域土地覆盖数据是陆地表层过程研究的重要基础。在集成研究兴起和多种数据并存的背景下,利用多源信息融合技术进行大尺度土地覆盖制图具有重要的现实意义。证据理论清楚地表达了由于不确定和不完全信息所带来的对命题认识的“无知”,能够确定相应的假设在目前的认知与知识状态下的确定、不确定和“无知”程度,是多源数据决策融合的重要方法。基于证据理论,将2000年中国1∶10万土地利用数据、中国植被图集（1∶100万）的植被型分类、中国1∶10万冰川图、中国1∶[KG-*2]100万沼泽湿地图和MODIS 2001年土地覆盖产品（MOD12Q1）进行了融合,最终基于最大信任度原则进行决策,产生了新的、IGBP分类系统的2000年中国土地覆盖数据。新的土地覆盖数据在保持了中国土地利用数据的总体精度的同时,补充了中国植被图中对植被类型及植被季相的信息,更新了中国湿地图,增加了中国冰川图最新信息,使分类系统更加通用。     

基于机器学习的第三极季节冻土最大冻结深度未来变化预测

最大冻结深度是季节冻土的重要指标,预测第三极地区未来最大冻结深度的变化,对于理解该区域的环境变化,指导生态保护、农牧业生产、工程建设等都具有重要意义。本研究利用基准时期（2000s）良好训练的支持向量回归模型,使用集合模拟策略,预测了2050s和2090s第三极地区在4种SSP情景下最大冻结深度的变化。结果表明,在可持续路径（SSP126）、中间路径（SSP245）、区域竞争路径（SSP370）和化石燃料为主发展路径（SSP585）情景下,不包括多年冻土退化为季节冻土的区域,相对于基准期,季节冻土的最大冻结深度到21世纪末将分别减小10.41 cm(11.69%)、24.00 cm(26.95%)、37.71 cm(42.34%)和47.71 cm(53.57%)。最大冻结深度的减小具有海拔依赖性,随着海拔的升高,最大冻结深度减小的速率变大,但是海拔超过5 000 m后,最大冻结深度减小速率逐渐减小,这与升温的海拔依赖性较为一致。最大冻结深度的变化也与生物群区有关,在4种SSP情景下,山地草地和灌木区的最大冻结深度减小速率最快,到21世纪末平均每十年分别减小1.80 cm、3.77 c...     

青藏高原地区近地表冻融状态判别算法研究

青藏高原地区以其独特的气候水文特征被称为“亚洲水塔”, 这一地区广泛分布的冻土及其冻融过程对地表非绝热加热与水文过程具有重要影响。然而, 恶劣和复杂的地理环境为这一区域的地表冻融过程本地观测和遥感监测均带来极大挑战。本文利用AMSR-2传感器遥感数据开展青藏高原地区的近地表冻融判别算法研究, 包括判别式算法和季节性阈值算法, 并使用4个青藏高原典型地区的土壤温湿度密集观测网数据对算法进行区域适应性优化。研究特别针对季节性阈值算法进行了两点改进: 首先考虑到地表发射率的变化对于冻融相态的转变指示更为直接,故采用6.9 GHz水平(H)极化的准发射率替换季节性阈值算法中的原有冻结因子; 其次使用一种新的数据归一化方法：标准差归一化方法, 用以替代原有的离差归一化方法, 并通过阈值设定对判别精度的影响分析改进后的优势。结果证明, 冻融判别式算法在升轨时期的整体精度最具优势, 其优势在于能够减少夏季地表发射率复杂变化导致的误判, 基于标准差归一化方法的季节性阈值算法在降轨时期的整体精度具有优势。通过对不同典型区域的冻融土辐射特征和判别精度的分析, 发现地表发射率的变幅(初始液态含水量)大小是影响所有冻融判别算法精度的最关键因素。