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基于DEW模型的地球深部流体组成与水岩相互作用计算方法综述

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地学前缘 2024年第1期31卷 64-76页

作者：兰春元张立飞陶仁彪胡晗张丽娟王超北京大学地球与空间科学学院北京100871 北京高压科学研究中心北京100094

水岩相互作用会导致流体中元素的价态、赋存形式等发生改变,进而对元素的富集成矿、循环通量等产生影响。由于地球深部样品与实验数据有限,建立和使用地球深部流体模型可以有效地增加人们对深部流体及水岩相互作用的认知。Deep Earth Wa... 详细信息

水岩相互作用会导致流体中元素的价态、赋存形式等发生改变,进而对元素的富集成矿、循环通量等产生影响。由于地球深部样品与实验数据有限,建立和使用地球深部流体模型可以有效地增加人们对深部流体及水岩相互作用的认知。Deep Earth Water(DEW)模型是一种描述地球深部流体热力学性质的数据库,其可以与矿物热力学数据库联用,实现对地球深部水岩相互作用过程的模拟研究。本文阐释了使用DEW模型描述深部流体的必要性,叙述了应用DEW模型进行深部流体物种和水岩相互作用计算的基本原理,介绍了一种基于DEW模型计算流体物种的软件——FluidsLab,列举了地球深部流体以及水岩相互作用的应用案例与研究现状,最后对DEW模型后续的应用与发展方向进行展望。

关键词：水岩相互作用俯冲带地球深部流体热力学 DEW模型

一种考虑地形影响的GNSS-IR冻土冻融形变监测方法

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第1期49卷 77-89页

作者：刘善伟梁承佳万玮张洁马望中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院山东青岛266555 北京大学地球与空间科学学院北京100871

多年冻土区地表高程因活动层每年的融化和冻结而发生季节性下沉和隆起,对工程建筑的安全、生态环境的平衡以及全球气候变化等方面都具有重要的影响。利用全球导航卫星系统干涉反射(global navigation satellite systeminterferometricre... 详细信息

多年冻土区地表高程因活动层每年的融化和冻结而发生季节性下沉和隆起,对工程建筑的安全、生态环境的平衡以及全球气候变化等方面都具有重要的影响。利用全球导航卫星系统干涉反射(global navigation satellite systeminterferometricreflectometry,GNSS-IR)遥感对冻土冻融形变进行监测是一种新型技术手段。针对格洛纳斯(GLONASS)、伽利略(Galileo)系统等长重访周期卫星因每日轨迹不重复造成的地形影响,提出了一种考虑地形的冻土冻融形变监测方法,通过引入反射面倾斜角消除地形变化影响,反演得到更接近实际情况的季节性冻融形变。利用位于美国阿拉斯加北部的SG27站点2018年、2019年无雪日GNSS信噪比数据进行了实验,并与现有研究中的反演方法所得结果进行了对比分析,验证了该方法在冻土冻融形变监测中的有效性。实验结果表明,相比于不考虑地形影响的方法,GLONASS和Galileo所得地表高程变化具有更小的离散性以及更小的不确定性,与复合模型拟合的一致性和决定系数R2都有了一定提升,标准差总平均分别减小约28.9%和36.9%,R2总平均分别提高约0.23和0.24,且不可重复轨道每日数据利用率总平均增幅分别约为19.6%和22.8%。研究结果为监测冻土冻融形变提供了有价值的参考,同时拓展了多GNSS系统的GNSS-IR冻土冻融监测应用。

关键词： GNSS-IR 冻土冻融形变信噪比地形

基于主成分变换的星载升降轨极化SAR数据水体提取方法

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地球信息科学学报 2024年第4期26卷 1057-1074页

作者：孟庆港曾琪明北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所北京100871 北京大学空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室北京100871

利用光学遥感技术可以快速高效地获取大范围的地表水体信息,但是在洪灾监测等应用中,常常伴随多云、降雨等恶劣天气,难以及时获得高质量的光学遥感图像。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)技术具有全天时、全天候的特点,不受... 详细信息

利用光学遥感技术可以快速高效地获取大范围的地表水体信息,但是在洪灾监测等应用中,常常伴随多云、降雨等恶劣天气,难以及时获得高质量的光学遥感图像。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)技术具有全天时、全天候的特点,不受阴雨天气的影响,相比光学遥感具有明显的优势。本文首先总结和分析了目前基于星载SAR数据提取水体的方法和存在的问题,以Sentinel-1数据为例,为了弥补单极化阈值法和哨兵一号双极化水体指数(Sentinel-1 Dual-Polarized Water Index,SDWI)方法的不足,提出了双极化第一主成分水体指数(Dual-Polarized First-Principal-Component Water Index,DFWI)。其次,为了解决雷达阴影容易与水体相互混淆的问题,提出了3种升降轨极化SAR水体提取方法:升降轨VH极化方法(AscendingDescending VH-Polarization Water Index,AD-VH)、升降轨VV极化方法(Ascending-Descending VV-Polarization,AD-VV)和升降轨双极化第一主成分水体指数(Ascending-Descending Dual-Polarized First-Principal-Component Water Index,AD-DFWI)。最后,选择云南省洱海和土耳其Hatay 2个研究区进行水体提取实验,分别对应水体的常态化监测和应急监测等不同的应用场景。根据用户精度、生产者精度、虚警率和F1-score共4种指标对上述不同方法得到的水体提取结果进行精度评价和分析。实验结果表明:(1)本文所提方法相比单极化阈值法和SDWI法的分类精度明显提高,在2个研究区中,精度相对最高的方法均为AD-DFWI法,F1-score指标分别达到了97.83%和88.33%;(2)升降轨极化SAR水体提取方法不仅较好地解决了雷达阴影和水体相互混淆的问题,而且图像直方图中双峰分布特点更加显著,水体和非水体的可分离性更高,综合性能更好。本文提出的方法未来可以为水体提取和洪灾监测等应用提供参考。

关键词：极化SAR 水体提取洪灾监测雷达阴影主成分变换升降轨阈值法 Sentinel-1

利用结合土地覆盖类型的自适应DS-InSAR方法监测矿区地表形变

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北京大学学报（自然科学版） 2024年第2期60卷 265-276页

作者：张志亮曾琪明杨立功北京大学遥感与地理信息系统研究所北京大学地球与空间科学学院北京100871 空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室北京100871

针对传统时序InSAR技术在测量点选取过程中多采用全局单一阈值,在受时空失相干影响严重和短时间内形变梯度较大的矿区容易出现测量点稀疏且空间采样不足,因而无法获取矿区地面沉降完整信息的问题,以覆盖大同矿区的22景ALOS-1数据为例,... 详细信息

针对传统时序InSAR技术在测量点选取过程中多采用全局单一阈值,在受时空失相干影响严重和短时间内形变梯度较大的矿区容易出现测量点稀疏且空间采样不足,因而无法获取矿区地面沉降完整信息的问题,以覆盖大同矿区的22景ALOS-1数据为例,利用结合土地覆盖类型的自适应DS-InSAR方法(ADSI-CLC)获取该区域长时间序列地表形变信息。ADSI-CLC方法形变测量结果的时空分布模式与StaMPS-SBAS方法具有相似性,且与高分辨率光学遥感影像上的采矿设施保持良好的空间相关性。ADSI-CLC方法可以显著地提高测量点的数量和空间分布密度,在研究区识别出的DS点数量约是StaMPS-SBAS方法的4倍。两种方法的测量结果在无形变和小形变区域吻合程度较高;在大形变区域,StaMPS-SBAS方法无法有效地获取形变结果,而ADSI-CLC方法由于测量点数量的增加,反演得到的形变测量结果基本上符合由采矿活动造成的漏斗状的空间分布特征,间接地验证了该方法在矿区地表形变监测中的可靠性和有效性,证明ADSI-CLC方法能够提供更详细的时空形变细节信息,更好地服务于矿区地表稳定性的监测和预警。

关键词： ADSI-CLC方法分布式散射体矿区形变监测大同矿区

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时空图神经网络在PM浓度预测中的应用综述

计算机科学 2024年

作者：唐博源李琦北京大学地球与空间科学学院

大气细颗粒物(PM2.5)因其对健康和环境的严重负面影响而备受公众关注。实现PM2.5浓度的高精度时空预测对于指导居民有效防范健康风险、协助环境监管部门制定科学的环境保护策略至关重要。研究旨在探索提高PM2.5浓度预测准确性的有效方... 详细信息

大气细颗粒物(PM2.5)因其对健康和环境的严重负面影响而备受公众关注。实现PM2.5浓度的高精度时空预测对于指导居民有效防范健康风险、协助环境监管部门制定科学的环境保护策略至关重要。研究旨在探索提高PM2.5浓度预测准确性的有效方法，特别是时空图神经网络技术在该领域的应用潜力与挑战。首先回顾了PM2.5浓度预测方法的发展历程，随后深入探讨了时空图神经网络与空气质量监测网络的结合点，包括图的构建策略。进一步系统地概述了应用于PM2.5浓度预测的时空图神经网络模型，并分析了在预测任务中应考虑的主要因素以及时空模块的设计。最后，从多源数据融合、动态图建模、数据稀疏性问题以及模型评估标准的缺失等多个维度，全面探讨了基于时空图神经网络的PM2.5浓度预测所面临的挑战，并提出了可能的发展方向。

关键词： PM 浓度预测深度学习图神经网络时空相关性多源数据

Noah-MP陆面过程模式在雅鲁藏布江流域径流模拟中的适用性评估

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科学通报 2024年第4期69卷 630-644页

作者：杨恒雷享勇郑辉费雯丽刘志武林佩蓉中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院北京100038 北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所北京100871 中国科学院大气物理研究所北京100029

雅鲁藏布江(以下简称雅江)流域的气象水文模拟是当前全球变化研究的热点与难点.Noah-MP(the Noah land surface model with multi-parameterizations)陆面过程模式作为该区域气象水文双向耦合过程的重要数值模拟工具,鲜有研究针对其径... 详细信息

雅鲁藏布江(以下简称雅江)流域的气象水文模拟是当前全球变化研究的热点与难点.Noah-MP(the Noah land surface model with multi-parameterizations)陆面过程模式作为该区域气象水文双向耦合过程的重要数值模拟工具,鲜有研究针对其径流模拟能力进行过系统性评估,限制了模式在该区域的水文应用.本研究基于中国区域地面气象要素数据集CMFD(China Meteorological Forcing Dataset)驱动Noah-MP模式,对雅江流域2000~2018年的径流进行时空分辨率为3 h/5 km的数值模拟;选取与流域径流产生机制相关的10个主要物理过程,评估了16种参数化方案组合对于径流模拟的影响,并确定了最优参数化方案组合.结果表明:(1)采用默认参数化方案,Noah-MP在奴下站的月尺度模拟纳什效率系数NSE(Nash-Sutcliffe efficiency)为0.23、偏差百分比PBias为–35.79%,而采用基于临界温度的雨雪分离方案、改进的二流近似辐射传输方案以及基于BATS的产流方案后,PBias分别减少至–23.36%、3.85%、–17.19%,NSE分别提高至0.37、0.58、0.60,显著优于默认方案;(2)进一步基于优选方案进行组合,奴下、羊村、奴各沙的月尺度径流NSE分别提高至0.89、0.87、0.81,而最上游拉孜站NSE仅为–0.06,低于个别方案,这表明拉孜流域的产流机制可能不同于下游流域.研究结果表明,无参数率定的Noah-MP模式在雅江径流模拟中的表现较为优异,具有较高的应用潜力,未来可通过进一步改进雨雪分离、辐射传输、产流过程的参数化方案来提高模式在高寒区的径流模拟能力.

关键词：陆面过程模式参数化方案雅鲁藏布江流域径流模拟适用性

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工业地理信息系统的设计和关键技术研究

遥感学报 2024年第5期28卷 1189-1205页

作者：毛善君张鹏鹏张浩源陈金川李梅陈华州北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所北京100871 北京龙软科技股份有限公司北京100190

自20世纪60年代地理信息系统理论、技术和软硬件系统产生以来,已经在传统地学以及数字城市、智能交通、高科技战争等领域得到广泛应用。在全世界范围内,智能化矿山、智能化工厂的建设是大势所趋,与此相关的厂房、设备、零部件、工作环... 详细信息

自20世纪60年代地理信息系统理论、技术和软硬件系统产生以来,已经在传统地学以及数字城市、智能交通、高科技战争等领域得到广泛应用。在全世界范围内,智能化矿山、智能化工厂的建设是大势所趋,与此相关的厂房、设备、零部件、工作环境也属于地理空间对象,而且这些实体之间也存在空间关系。为此,基于智能化矿山、智能化工厂日常生产对象的时空特性和管控需求,结合数字孪生、工业控制、大数据分析等技术,本文提出了工业地理信息系统IGIS(Industry Geographic Information System)的概念及数据模型,并在工业智能化的背景下,构建了包括设备层、数据采集传输层、IGIS平台层、业务服务层和应用决策层的框架体系。针对数据标准规范、时空数据协同处理、工业环境数字孪生、工业设备数字孪生、时空数据智能分析和组态控制等关键技术问题提出了解决方案,为实现智能化矿山、智能化工厂宏观微观空间对象的一体化拓扑表达、存储、分析和协同控制提供了统一的时态地理信息系统(TGIS)远程管控平台。该平台已经在中国多对煤矿的矿井和选煤厂得到了初步应用,验证了系统的实用性和可行性。

关键词：遥感工业地理信息系统智能化矿山智能化工厂数字孪生可视化管控

基于地震和InSAR联合反演2018年M_(L)5.7兴文地震破裂过程

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地震地质 2024年第2期46卷 397-413页

作者：缪思钰张海江古宁李俊伦谭玉阳华思博张勇中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026 南方科技大学地球与空间科学系深圳518055 中国海洋大学海洋地球科学学院青岛深海圈层与地球系统教育部前沿科学中心海底科学与探测技术教育部重点实验室青岛266100 北京大学地球与空间科学学院北京100871

2018年12月16日发生的M_(L)5.7兴文地震很可能是由页岩气水力压裂所诱发,确定此类震级较大的诱发地震的震源破裂过程具有重要意义。文中利用近震数据和InSAR数据联合反演,获得了兴文地震的破裂过程。与单独使用地震数据或InSAR数据进行... 详细信息

2018年12月16日发生的M_(L)5.7兴文地震很可能是由页岩气水力压裂所诱发,确定此类震级较大的诱发地震的震源破裂过程具有重要意义。文中利用近震数据和InSAR数据联合反演,获得了兴文地震的破裂过程。与单独使用地震数据或InSAR数据进行反演相比,联合反演得到的地震破裂过程可同时拟合2种类型数据,因此具有更高的时空分辨率。联合反演结果显示该地震为典型的单侧破裂,破裂方向近N向。破裂过程的持续时间为6s,能量释放主要集中在前5s,呈分段式破裂。主震破裂过程分为2个阶段:沿着断裂的走向,紧挨着震中的0~5km范围内为破裂的第1阶段(1~3s);距震中6~8km处为破裂的第2阶段(3~5s)。同震滑移主要集中在5km以浅的区域,峰值滑移约为0.27m,这可以解释为何M_(L)5.7兴文地震造成了较为严重的破坏。结合前震和余震分布可以看出,前震主要集中在滑移区的东部,说明该区域在主震发生之前就已发生破裂,意味着该区域可能存在注入的流体。余震主要分布在滑移区周围,是由主震破裂后的余滑引起的。对比单独反演结果,联合反演克服了台站分布不均匀的影响,提高了破裂分布的分辨率,所得结果更加符合真实物理过程。文中联合反演得到的破裂模型为进一步研究诱发地震机理、地震灾害评估和震后防灾减灾奠定了基础。

关键词：兴文地震地震破裂过程诱发地震有限断层反演 InSAR联合反演

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一种有效的适合F-J方法从背景噪声资料中提取多阶频散曲线的台阵划分方法

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地球物理学报 2024年第2期67卷 492-502页

作者：袁艺陈晓非北京大学地球与空间科学学院北京100871 中国地震局第二监测中心西安710054 广东省地球物理高精度成像技术重点实验室(南方科技大学) 深圳518055 南方科技大学地球与空间科学系深圳518055

近年发展起来的从地震背景噪声提取多阶频散曲线的F-J方法是一种台阵分析方法,对某一特定的研究区域内台阵的划分方式直接影响成像的效果.当研究区域地下结构较简单,且台站间距比较均匀时,可以使用简单的平移式移动阵列法;然而若研究区... 详细信息

近年发展起来的从地震背景噪声提取多阶频散曲线的F-J方法是一种台阵分析方法,对某一特定的研究区域内台阵的划分方式直接影响成像的效果.当研究区域地下结构较简单,且台站间距比较均匀时,可以使用简单的平移式移动阵列法;然而若研究区域地下结构复杂多变,尤其是台站间距疏密不均时,就需要根据具体的地域特征灵活划分台阵.本文介绍了一种适用于地下结构复杂及台站间距不均匀区域的台阵划分方法,具有一定的普适性.我们将其应用于美国阿拉斯加及加拿大西北部,验证了相比于简单的沿经纬度移动阵列,我们的分区方法确实大大提高了结果的分辨率,为后续反演研究区域三维速度结构提供了坚实的保障.

关键词： F-J变换台阵划分方法多阶面波阿拉斯加