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黑河遥感试验:回顾与展望

遥感学报 2023年第2期27卷 224-248页

作者：李新刘绍民柳钦火肖青车涛马明国晋锐冉有华闻建光徐自为李增元中国科学院青藏高原研究所、青藏高原地球系统与资源环境全国重点实验室、国家青藏高原科学数据中心北京100101 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室北京100101 中国科学院西北生态环境资源研究院、中国科学院黑河遥感试验研究站兰州730000 西南大学地理科学学院、重庆金佛山喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站重庆400715 中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091

地球系统科学的基石之一是地球观测系统,许多观测试验甚至成为一个阶段地球系统科学认识和研究方法进步的里程碑。在这些观测试验中,遥感试验始终是核心组成部分。黑河遥感试验是以中国典型内陆河流域——黑河流域为研究区,以流域内山... 详细信息

地球系统科学的基石之一是地球观测系统,许多观测试验甚至成为一个阶段地球系统科学认识和研究方法进步的里程碑。在这些观测试验中,遥感试验始终是核心组成部分。黑河遥感试验是以中国典型内陆河流域——黑河流域为研究区,以流域内山区冰冻圈、人工绿洲、天然绿洲的生态水文过程为研究对象,于2007年—2017年开展的大规模、多学科卫星—航空—地面综合遥感试验,历经“黑河综合遥感联合试验”和“黑河生态水文遥感试验”两个阶段,由52家单位,670余位科研人员参与,650多个试验数据集全部共享。黑河遥感试验以流域复杂异质性地表研究为特点,在多尺度观测方法创新、定量遥感发展、生态水文应用等方面取得了突破,实现了定量遥感和流域生态水文集成研究的深度结合。论文回顾了黑河遥感试验10年历程,凝练了尺度转换、异质性度量、不确定性定量的多尺度试验三原则,总结了星机地一体化、流域—子流域—足迹—单点多尺度嵌套、传感器网络、通量矩阵多尺度观测新方法,介绍了在多源遥感协同反演方法、异质性辐射传输模型、遥感产品真实性检验技术上的进步。在试验中也研发了降水、积雪、蒸散发、土壤水分、净初级生产力等10多种高分辨率流域尺度生态水文产品,并通过与流域生态水文模型的深度集成,算清了流域水账,揭示了绿洲—荒漠相互作用的完整图景,提出了涡动相关仪能量平衡不闭合的诊断方程。黑河遥感试验结束后,其观测系统转为黑河流域地表过程综合观测网继续运行,并持续孕育观测的新理论、新方法,更好地服务流域科学的探索和实践。

关键词：黑河流域遥感试验流域观测系统多尺度观测航空遥感定量遥感尺度转换遥感产品真实性检验流域科学生态水文

深度学习U-Net方法及其在高分辨卫星影像分类中的应用

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遥感技术与应用 2020年第4期35卷 767-774页

作者：杨瑞祁元苏阳中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

高分辨率遥感影像有精确的几何结构和空间布局,但是光谱信息有限,增大了对光谱特征相似地物的分类难度。针对高分辨率遥感影像分类的问题,采用深度学习U-Net模型分类方法。基于黑河下游额济纳绿洲高分二号遥感影像,通过U-Net模型提取胡... 详细信息

高分辨率遥感影像有精确的几何结构和空间布局,但是光谱信息有限,增大了对光谱特征相似地物的分类难度。针对高分辨率遥感影像分类的问题,采用深度学习U-Net模型分类方法。基于黑河下游额济纳绿洲高分二号遥感影像,通过U-Net模型提取胡杨、柽柳、耕地、草地和裸地五种地物覆被类型,分类总体精度和Kappa系数分别为85.024%和0.7956,并与传统的支持向量机(SVM,Support Vector Machine)和面向对象的分类方法比较,结果表明:相对于SVM和面向对象,基于U-Net模型的高分辨率卫星影像地物覆被分类,能够更好地对地物本质特征进行提取,分类效果较好,满足精度要求。

关键词：深度学习 U-Net模型高分二号遥感影像 SVM 分类

黑河中游乡镇建设水资源承载力评价及提升对策研究

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生态与农村环境学报 2023年第4期39卷 459-468页

作者：王鹏龙宋晓谕刘臣炜王勤花王宝中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 生态环境部南京环境科学研究所江苏南京210042

水资源承载力是内陆河流域乡镇以水定发展的基础。面向乡镇建设对水资源可持续利用的现实需求,在明晰乡镇水资源承载力内涵基础上,构建了一套内陆河流域乡镇尺度评价指标体系,以控制性指标和综合指数相结合,利用统计、遥感、调查等数据... 详细信息

水资源承载力是内陆河流域乡镇以水定发展的基础。面向乡镇建设对水资源可持续利用的现实需求,在明晰乡镇水资源承载力内涵基础上,构建了一套内陆河流域乡镇尺度评价指标体系,以控制性指标和综合指数相结合,利用统计、遥感、调查等数据开展了黑河中游乡镇水资源承载力评价及关键提升对策分析。结果表明,不同类型灌区和不同类型乡镇水压力指数与综合指数均存在明显差异,需对标关键领域实施承载力提升举措。现状年发展水平下,水权分配、高标准农田建设以及产业结构调整等政策措施均对乡镇水资源承载力具有一定提升作用。除产值模式外,各水权分配模式对水资源综合承载力的提升程度约为0.01%~1.87%,高标准农田建设和产业结构调整措施对水资源综合承载力的提升程度分别为1.91%~8.72%和0.11%~3.06%。

关键词：水资源承载力水权分配高标准农田产业结构乡镇

基于WRF模式的多源遥感降水资料数据同化研究

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遥感技术与应用 2017年第4期32卷 593-605页

作者：任静潘小多中国科学院西北生态环境资源研究院遥感与信息资源实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

基于WRF模式和四维变分同化4Dvar系统分别同化了从2015年7月1日0时至7月4日0时的TRMM 3B42(Tropical Rainfall Measuring Mission)、GPM(Global Precipitation Measurement)和FY-2G降水资料,并用HiWATER(Heihe Watershed Allied Telemetry Experimental Research)实验的气象站观测资料对结果进行验证。研究结果表明:与控制实验相比,同化多源遥感降水资料可提高降水模拟的精度,同化实验的降水均方根误差在0~4mm之间,其中同化GPM降水资料的结果最优,均方根误差在0.5~1.5mm;4类实验对2m处相对湿度的模拟普遍低于真实观测,相对湿度均方根误差均在10%~50%,且同化GPM降水资料更有利于QCLOUD(Cloud water mixing ratio)、QVAPOR(Vapor water mixing ratio)、QRAIN(Rain mixing ratio)等变量的模拟;同化降水资料对风场模拟的影响极为复杂,不同降水资料的同化结果在黑河上、中和下流域各有优势。在整个流域内10m处6h平均风速的实验值都明显地高于实际观测,其中同化GPM实验结果较好,均方根误差在1.5~3m/s。与TRMM 3B42和FY-2G降水资料相比,GPM降水资料更能捕捉到微量降水和固态降水。因此,同化GPM降水资料更有利于降水,湿度和风速的模拟。

关键词： TRMM 3B42 GPM FY-2G降水资料 WRF-4Dvar系统

祁连山TRwS204与中国标准雨量筒降水观测对比研究

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高原气象 2018年第3期37卷 747-756页

作者：郑勤陈仁升韩春坛宋耀选中国科学院西北生态环境资源研究院黑河上游生态-水文试验研究站甘肃兰州730000 中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

山区降水类型、过程和气候条件复杂多变,不同雨量筒观测结果均存在一定的误差,亟需了解常用人工和自记雨量筒之间及其与实际降水量之间的差异。针对中国标准雨量筒[无防风措施(CSPG_(UN))和配备单层Alter防风圈(CSPG_(SA))]和在祁连山... 详细信息

山区降水类型、过程和气候条件复杂多变,不同雨量筒观测结果均存在一定的误差,亟需了解常用人工和自记雨量筒之间及其与实际降水量之间的差异。针对中国标准雨量筒[无防风措施(CSPG_(UN))和配备单层Alter防风圈(CSPG_(SA))]和在祁连山常用的TRwS204称重式雨雪量计[配备单层Alter防风圈(TRwS_(SA))],于2014年9月至2017年8月在祁连山黑河上游葫芦沟小流域开展了同步降水观测对比试验,以按照世界气象组织推荐的固态降水测量标准安装的中国标准雨量筒的修正值作为标准降水量。结果表明:(1)CSPG_(UN)、CSPG_(SA)和TRwS_(SA)降雨观测的平均动力损失(平均动力损失与平均标准降雨量的百分比)分别为0.21 mm(3.4%)、0.12 mm(1.9%)和0.61 mm(9.8%),雨夹雪分别为0.37 mm(7.6%)、0.16 mm(3.3%)和0.51 mm(10.5%),降雪分别为0.27 mm(10.2%)、0.09 mm(3.4%)和0.57mm(21.4%)。(2)CSPGUN和CSPG_(SA)动力损失的差异主要与防风圈的使用有关,而CSPG_(SA)和TRwS_(SA)动力损失的差异主要与雨量筒形状不同有关,同时本研究结果还可能受到TRwS204特定误差的影响。(3)当风速高于2.0 m·s^(-1)时,各雨量筒降雨捕捉率出现明显的降低。因雨夹雪和降雪期间的平均风速较低,只有CSPGUN降雪捕捉率随风速的增加出现一定的降低。

关键词：中国标准雨量简 TRwS204称重式雨雪量计降水对比观测动力损失降水类型

高寒山区面降水量获取方法及影响因素研究进展

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高原气象 2017年第6期36卷 1546-1556页

作者：王磊陈仁升宋耀选中国科学院西北生态环境资源研究院黑河上游生态-水文试验研究站甘肃兰州730000 中国科学院内陆河生态水文重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

主要总结了高寒山区面降水数据的获取方法、影响因素及时空分布的研究进展,并指出了面降水量数据获取可能的解决途径。通常地面观测及空间插值、大气数值模式估算、遥感反演是面降水数据的主要获取方法,但应用于高寒山区都有一定局限性... 详细信息

主要总结了高寒山区面降水数据的获取方法、影响因素及时空分布的研究进展,并指出了面降水量数据获取可能的解决途径。通常地面观测及空间插值、大气数值模式估算、遥感反演是面降水数据的主要获取方法,但应用于高寒山区都有一定局限性:地面观测点稀缺限制了各种空间插值方法的精度;大气数值模式,不能有效地模拟高寒山区复杂地形下的局地降水空间分布;地基遥感(多普勒雷达)受地形遮挡和自身条件的限制,空基遥感数据的精度受限于卫星搭载降水雷达的性能、卫星过境频率及空间分辨率等因素;对降水分布的估算存在很大误差。水汽源、坡向、海拔与下垫面地形是影响高山区降水量及其时空分布的主要因素。为此,在黑河上游祁连高山区,已进行的小范围加密观测、基于遥感空间格网的矩阵观测及大范围撒网式观测,仍是了解高寒山区降水量时空分布规律的基础;有待提高精度和时空分辨率的卫星数据,以及有效的地面-卫星遥感数据同化方法的研究,也将成为获取高寒山区精确的面降水量的有效途径;大气数值模式的降尺度研究也是一种途径,有待进一步研究。

关键词：高寒山区面降水量获取方法影响因素时空分辨率

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黑河流域中上游水热通量足迹模型的对比分析

遥感技术与应用 2021年第4期36卷 887-897页

作者：孙赛钰王维真徐菲楠中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省遥感重点实验室黑河遥感试验研究站甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 中国科学院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室甘肃兰州730000

遥感技术是获取区域地表水热通量的重要手段,利用地面观测值对遥感估算水热通量进行验证时,存在空间尺度不匹配的问题,结合足迹分析可以较好地解决这一问题,为遥感蒸散发模型提供空间尺度匹配的验证数据。利用黑河流域上游阿柔超级站和... 详细信息

遥感技术是获取区域地表水热通量的重要手段,利用地面观测值对遥感估算水热通量进行验证时,存在空间尺度不匹配的问题,结合足迹分析可以较好地解决这一问题,为遥感蒸散发模型提供空间尺度匹配的验证数据。利用黑河流域上游阿柔超级站和中游大满超级站的涡动相关仪观测数据,对常用的3种水热通量足迹模型Kormann&Meixner(KM)模型、Kljun模型和Hsieh模型的输入参数进行了敏感性分析,并比较和分析了3个模型单时次和日尺度的足迹结果差异,为足迹模型的合理选用提供参考依据,以服务于数据质量判别和遥感模型的验证。结果表明:①奥布霍夫长度(L)是KM模型和Hsieh模型的敏感因子,L值变化时,Hsieh的足迹结果变化大于KM,而Kljun模型对L的敏感程度不高;观测高度(z_(m))和侧向风速标准差(σ_(v))也是3个模型的敏感因子。②单时次30 min尺度上,KM和Hsieh的通量贡献源区大小和形状吻合较好,但与Kljun足迹结果存在显著差异;Kljun的源区范围明显较小,上风向通量贡献峰值明显大于KM和Hsieh,且上风向通量贡献峰值的位置明显小于另外两个模型。③日尺度上,3种足迹模型的水热通量源区形状相似,Kljun模型的源区范围最小。实验结果为足迹模型的合理选用提供参考依据,以服务于碳、水热通量数据质量判别和遥感模型的验证。

关键词：涡动相关仪水热通量足迹模型通量贡献源区黑河流域

黑河下游五种不同植被类型土壤呼吸的差异性解析

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干旱区地理 2017年第3期40卷 598-605页

作者：任志国马明国宋怡中国科学院西北生态环境资源研究院黑河遥感试验研究站甘肃兰州730000 甘肃省遥感重点实验室甘肃兰州73000 西南大学地理科学学院重庆400715 中国科学院地球环境研究所陕西西安710061

土壤呼吸的微小变化会对大气CO_2浓度产生重大影响,尤其在极端干旱区。通过对黑河下游额济纳旗四道桥的混合林、胡杨、柽柳、农田及裸地的土壤呼吸进行研究,结果表明:2014年夏季5种不同植被类型的土壤呼吸速率大小排序:胡杨柽柳混合林>... 详细信息

土壤呼吸的微小变化会对大气CO_2浓度产生重大影响,尤其在极端干旱区。通过对黑河下游额济纳旗四道桥的混合林、胡杨、柽柳、农田及裸地的土壤呼吸进行研究,结果表明:2014年夏季5种不同植被类型的土壤呼吸速率大小排序:胡杨柽柳混合林>柽柳>农田>胡杨>裸地,各类型的5 cm处土壤温度和湿度无明显变化规律,土壤温度在22~35℃,土壤湿度集中在13%~61%的变化范围。探究了5种不同植被类型的土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度、地表温度、空气温度及空气湿度的线性相关关系,发现它们的土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度、空气温度、空气湿度之间无显著相关(P>0.05),表明水热因子对土壤呼吸的影响具有很大的不确定性。

关键词：黑河下游植被类型土壤呼吸

荒漠-过渡带-绿洲界定--以石羊河流域为例

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中国沙漠 2020年第2期40卷 177-184页

作者：毛忠超李森张志山胡宜刚李昌盛中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站甘肃兰州730000 中国科学院西北生态环境资源研究院沙漠与沙漠化重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 甘肃省植保植检站甘肃兰州730000

中国西北干旱区发源于山地的河流为中下游地区带来了丰富的水土资源,在荒漠中孕育出绿洲,过渡带位于其间,构成荒漠-过渡带-绿洲地理景观单元。界定荒漠、过渡带、绿洲的空间分布,可为干旱区生态系统格局、过程和服务方面的精确认知评价... 详细信息

中国西北干旱区发源于山地的河流为中下游地区带来了丰富的水土资源,在荒漠中孕育出绿洲,过渡带位于其间,构成荒漠-过渡带-绿洲地理景观单元。界定荒漠、过渡带、绿洲的空间分布,可为干旱区生态系统格局、过程和服务方面的精确认知评价提供空间参考。以石羊河流域为例,选取训练样本,利用常用遥感指标和景观格局指数,通过判别分析方法,对荒漠、过渡带和绿洲空间范围进行界定。结果表明:采用通过逐步判别分析筛选出的6项遥感指标和2项景观指数构建的判别函数,与单独利用遥感指标或景观指数构建的判别函数,计算出训练样本的判别准确率分别为92.4%、84.0%、70.2%。采用遥感指标结合景观指数的综合判别分析,比单独利用遥感指标或景观指数判别准确率分别提高了8.4%,22.2%。经综合指标判别分析,得出除主要山地外的石羊河流域荒漠、过渡带和绿洲面积分别为133万、49万、58万hm2。

关键词：荒漠-过渡带-绿洲遥感景观判别分析