近40a岱海水域面积与水量变化遥感监测

岱海是中国重要的自治区级湖泊湿地自然保护区之一,近年来受气候变化和人类活动影响,岱海湖面严重萎缩,水量逐年减少。基于1977—2019年Landsat系列中高分辨率卫星遥感影像,利用改进的归一化差异水体指数法提取岱海水域面积,结合湖泊数字高程模型（DEM）和实测高程数据,利用逐像元法对岱海水量变化进行了估算。结果表明：1977—2019年岱海水域面积呈现萎缩趋势,43 a间共减少了91.86 km²,缩减比例达63.19%;1977—2019年岱海水量呈现下降趋势,库容量降低了9.03亿m³,年减少速率为0.22亿m³/a;岱海水量与水域面积呈现明显相关性且逐年递减,在不采取任何措施的情况下,以当前的多年平均萎缩速率,自2019年起,岱海将会在7 a后即2026年消亡。     

基于GF-1/WFV的钱塘江叶绿素a和总悬浮物浓度遥感估算

为了探究高分一号(GF-1)卫星对河流水体水质参数遥感反演的效果,使用GF-1卫星数据的16 m分辨率的GF-1/WFV传感器数据和地面实测数据,基于地面实测光谱反射率数据模拟WFV波段组合,构建水体叶绿素a和总悬浮物浓度遥感模型,从而对钱塘江流域杭州段水体水质参数进行估算。研究结果表明:基于B1-B3差值的二次多项式模型可用于叶绿素a浓度估算(R²=0.83,RMSE=0.74 μg/L),基于B3波段的二次多项式模型可用于总悬浮物浓度的估算(R²=0.92,RMSE=1 mg/L);通过模型应用于准同步的GF-1/WFV数据,较好反映了低潮位钱塘江杭州段水体叶绿素a和总悬浮物浓度的空间分布,为高分一号卫星数据遥感监测钱塘江水色参数做出了有益的探索性工作。研究方法及结果对其他流域河流水色遥感研究具有参考价值。     

海河平原地下水储量变化的重力卫星反演和流域水量平衡

南水北调工程向华北输水与地下水压采的实施,一定程度改变了海河平原供用水格局,影响了海河平原的地下水储量。准确监测地下水储量变化是水安全保障和地下水战略储备的基础。本研究以水资源公报数据为基准,比较了重力卫星(GRACE)不同的信号处理方法和相关产品,反演了2003—2020年海河流域总水储量及其平原区地下水储量变化,分析了海河流域2000—2019年供用水结构变化和水量平衡关系,量化了总水储量变化对流域蒸散发估算的影响。结果表明：GRACE JPL Mascons数据反演的海河平原地下水储量变化与水资源公报数据的决定系数最高;2003—2020年海河平原地下水储量总体分3阶段呈下降趋势,2003—2011年、2012—2015年和2016—2020年的下降速率分别约为-23.9±1.3亿m³/a、-75.5±5.3亿m³/a、-37.3±2.6亿m³/a;在不考虑海河流域年总水储量变化条件下估算的2003—2019年多年平均蒸散量(521 mm/a),与考虑年总水储量变化的多年平均蒸散量(530 mm/a)相差约10 m...     

呼伦湖水深反演及湖盆三维模型分析

以呼伦湖为研究区,利用Landsat TM影像和多次实测水深数据,应用多波段组合回归模型,构建湖盆三维模型,并对其作可视化操作与空间分析,解析呼伦湖地形与水文特征的关系.结果表明:最优水深反演模型为对数反射波段+对数热红外波段模型;应用ArcGIS的3D分析工具对TIN模型进行三维分析,得到了呼伦湖水位-蓄水量关系式.     

近十年可可西里盐湖水量变化及其影响因素分析

由于全球气候变暖的影响,青藏高原湖泊开始逐步扩张,对自然环境和野外基础设施产生了威胁。为研究气候变化对湖泊水量的影响,利用2010～2018年青海可可西里腹地盐湖（又名68道班盐湖）的CryoSat-2卫星测高数据和Landsat遥感影像数据,分别提取了盐湖的水位及面积,结合实测获取的盐湖水下地形数据,计算并构建库容关系曲线,并结合气候变化特征进行了驱动力分析。结果表明：（1） 2010～2011年,湖泊水量增加了0.2亿m3,这一阶段盐湖还是独立湖泊;之后上游卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔湖3个湖泊的湖水开始注入盐湖,盐湖成为流域水量“接收者”,水量开始快速增加,仅1 a就暴涨近12亿m3（该阶段主要为上游3个湖泊溢出水量）;2016年开始以平均每年约5.5亿m3的速度上涨;9 a间,盐湖的水量增加近33亿m3,并且作为流域水量的“接收者”,盐湖还在持续扩张。（2）降水量增加是盐湖扩张的主要因素,温度上升引起的冰川融化和冻土融水是湖泊变化的另一气候因素,但可能不是决定性因素。     

呼伦湖多波段遥感水深反演模型研究

为探求呼伦湖水深分布及水下地形情况，本文以5组Landsat TM/ETM+影像数据及湖区分布的41个实测水深点为基础，应用太阳光波段及热红外辐射波段组合模型进行水深模拟，通过对模型验证及误差分析，得出最优模型为对数模型；进一步的敏感性分析表明，以波段6的敏感度为最大。应用最优模型对波段进行运算，反演效果较好，以2007-09-24为最优年份。其结果证实了融入热红外辐射的多波段水深反演模型，适用于北方寒旱区水体并可推广应用。     

基于MIKE FLOOD耦合模型的洪水淹没风险分析:以北京市某科学城为例

为科学制定城市空间发展及相关规划,对城市暴雨洪水进行精细化模拟,以北京市某科学城为例,利用MIKE FLOOD平台,基于基础地理、河道断面、闸坝工程、暴雨洪水、防洪规划及调度等数据构建了河道一维、研究区二维的大尺度、高精度耦合模型,模拟范围包括山区120 km²、平原区267 km²。根据设计洪水和2021年潮白河生态补水实测数据进行了模型参数率定和验证,准确模拟了现状和规划情景下的河道洪水漫溢及洪水淹没情况。结果表明：模拟水位与率定及验证水位差均不大于0.20 m,纳什系数接近于1,均方根误差较小。模型对包含山区和平原区的大区域范围及精细化河道断面和网格尺度模拟结果较好,适用于科学城洪水淹没风险分析。现状条件下,科学城内仅沙河牤牛河基本满足20 a一遇防洪标准,20 a、50 a和100 a一遇洪水条件下科学城淹没面积分别为0.45 km²、0.76 km²和3.06 km²,淹没主要集中在沙河中游部分河段以及沙河、雁栖河下游入河口处两岸。规划条件下,科学城内河道基本满足防洪...     

基于Landsat-9影像的云龙湖水深反演研究

基于Landsat-9多光谱及全色影像，以云龙湖东湖为研究区域进行水深反演研究。为选取能够有效提高影像空间分辨率且能保持水深波段相关性的融合方法，对多种影像融合方法进行了对比分析；对最佳水深反演波段及反演因子进行了探索，进而构建了多种反演模型，并利用实测水深数据进行了精度评价。结果表明，SFIM融合算法对水深相关性保持性最好，最佳水深反演波段为B5波段，最佳反演因子为B5+B6，相关系数均较高，指数、傅里叶、高斯、多项式等多种水深反演模型中最优反演模型为基于最小绝对残差拟合的二次多项式模型，精度评价决定系数为0.7149，均方根误差为0.094 m。研究结果旨在为云龙湖水库水量调度及生态水位保障提供重要参考。     

基于机器学习算法的九寨沟自然保护区植被生态水储量定量反演研究

运用不同数据源(Sentinel-2B影像和Landsat8 OLI影像)和回归方法(XGBoost模型、MARS模型和随机森林模型)的能力,以改善九寨沟自然保护区的植被生态水储量定量反演。建立并采集了54个样地数据,以获得参考区域的实测植被生态水含量,并通过相关性分析计算出60个指标用作构建植被生态水储量模型的预测因子。结果表明,纹理指数在植被生态水反演中具有较高的相关性,属于重要变量指标。在XGBoost模型中,结合Landsat8 OLI和Sentinel-12B影像作为预测变量反演的相关性最高,R²为0.57,RMSE为48,提供了最好的生态水储量估计。     

嘉陵江流域潜在蒸散发时空演变特征及其影响因素

为研究嘉陵江流域潜在蒸散发(ET₀)的时空格局变化特征以及变化气候条件对流域潜在蒸散发量的影响,选择45个国家级气象测站的1970—2019年逐日气象数据计算ET₀,采用线性倾向率、Mann-Kendall趋势检验和反距离加权插值分析时空变化特征,通过敏感性分析和贡献率量化ET₀变化的主导因子,用地理探测器分析其影响因子的交互作用。结果表明：年尺度上,嘉陵江流域平均气温以0.20℃/10a的速率呈上升趋势,相对湿度、平均风速和日照时数分别以0.239%/10a、0.048 (m·s^-1)/10a和0.100 (h·d^-1)/10a的速率下降。年ET₀以0.133 mm/10a的速率减小,春、冬季ET₀呈上升趋势,夏、秋季相反,空间上年ET₀整体北高南低。年ET₀变化主导因子为平均气温,嘉陵江流域ET₀变化是多因子共同作用的结果,平均气温和相对湿度交互作用下的空间解释度达...     

空间插值气象数据在Shuttleworth-Wallace潜在蒸散发模型中的应用

基于Kriging空间插值气象数据、IGBP土地覆盖和AVHRR NDVI数据,利用Shuttleworth-Wallace模型估算韩江流域2000—2006年的潜在蒸散发(PET)。结果表明:流域PET空间分布呈显著的非均匀性,其值在496.6~1741.8 mm/a范围内变化,标准差为165.9 mm/a,主要受区域的气候和植被类型影响;PET随气候的变化和植被的生长呈季节性变化;低分辨率的输入数据会使PET模拟结果在相同尺度的范围内被一定程度地均化;气象站点密度对PET的计算结果有影响,Kriging插值气象数据的站点密度远大于CRU数据,两种数据计算的PET结果的空间分布和季节变化的对比显示,前者计算的PET精度高于后者。     

喷头不同组合模式下水量分布和喷灌均匀度的田间试验及数值模拟

利用三次样条两次插值叠加法并结合单喷头水量分布可计算得到多喷头组合水量分布。为验证该方法的适用性及探究变间距条件下喷灌均匀度的变化情况,通过田间试验,得到ZY-2型单喷头水量分布及多喷头18 m×18 m组合形式下水量分布,计算了喷灌均匀度。利用MATLAB软件构建了喷头组合条件下水量分布的数值模拟模型,计算出不同组合模式下水量分布和组合喷灌均匀度。结果表明:模拟与实测喷灌水深的相对误差(RE)和均方根误差(RMSE)分别为8.49%和3.17 mm,组合喷灌均匀度的相对误差为1.85%,表明构建的模型能较准确地模拟不同喷头组合条件下的水量分布和组合均匀度; ZY-2型喷头在正方形21 m×21 m布置形式下,喷灌均匀度达到最高(0.873);在变喷头间距和变支管间距两种矩形布置时,喷灌均匀度整体上随着支管间距的增加而逐渐降低,但喷头间距增加时喷灌均匀度降低的幅度更大。研究结果可为优化喷头布置形式提供技术支撑。     

柴达木盆地湖泊天然生态水文特性辨识

针对柴达木盆地内盐湖资源开发布局与生态空间矛盾日渐突出的问题,以柴达木盆地那棱格勒河尾闾湖泊东、西台吉乃尔湖为例,基于长序列遥感影像及气候观测数据,结合水量平衡等方法进行湖泊天然生态水文特性辨识。结果表明：东台吉乃尔湖以2.19 km²/a的速率呈扩张趋势,湖面积为180～220 km²,西台吉乃尔湖以3.50 km²/a的速率缩小,湖面积为130～140 km²;水量减小时,东台吉乃尔湖以原有形态向内缩小,西台吉乃尔湖从近似三角形形态萎缩至椭圆形,由于地形和上游来水路径的原因,两湖的湖岸线主要在湖西南侧和西北侧发生变化;对长序列湖泊面积变化做累积频率曲线,确定湖泊面积保证率,选取25%、50%、75%和90%的保证率,可识别天然状态的湖泊面积、湖容及空间形态。     

荆江河段与洞庭湖水系的采砂量计算分析

针对当前荆江河段和洞庭湖水系严峻的采砂形势,根据遥感影像和本地区历年水泥产量,采用体积计算公式、水泥产量估算法、采砂船只估算法这3种方法计算荆江河段和洞庭湖水系的年采砂量,并对3种计算结果的误差进行分析。结果表明:2015年荆江河段年采砂量约(2.6～3.0)×10⁷ t,近5 a的采砂量变化较小;洞庭湖区及湘资沅澧四水水系的年采砂量约1.3×10⁸ t,近3 a的采砂量变化较小。本计算结果对于定量估算荆江河段和洞庭湖水系的采砂量,加强采砂管理具有参考价值。     

利用Hyperion图像估算森林覆盖度

植被覆盖度是评价土地荒漠化最有效的指标,遥感是获取区域尺度植被覆盖度参数的一个重要手段。针对EO-1 Hyperion高光谱遥感图像成像的特点,探讨了高光谱Hyperion图像的预处理和森林覆盖度遥感估算的方法,研究中采用几何光学模型和混合像元模型等方法从高光谱EO-1 Hyperion图像估算植被覆盖度,进一步将2种方法估算的植被覆盖度进行了对比,并利用实测数据对估算结果进行验证。研究结果表明:利用几何光学模型反演的植被覆盖度(决定系数R²=0.76;均方根误差RMSE=0.06)优于混合像元模型法(R²=0.71; RMSE=0.07)。     

基于半定量方法的华北冬小麦施氮量优化管理研究

利用田间实测数据对AquaCrop模型进行校验，获取了模型的关键参数，并量化不同施氮量水平与肥胁迫相关的压力系数；以此为基础，提出了半定量方法的参数化方案，实现了华北冬小麦施氮量的优化管理。结果表明：(1)模型校验过程中冠层覆盖度的决定系数R²大于0.876、NRMSE小于15.554%;土壤含水率模拟值与实测值的R²大于0.840、NRMSE小于9.960%;所有处理下产量模拟值与实测值的R²大于0.964。说明经校验的模型能较好地模拟不同施氮处理下作物生长及产量产出过程，可利用该模型进行施氮量优化管理研究。(2)利用半定量方法实现了氮肥的多情景模拟，根据模拟结果建立了施氮量与产量之间的关系，当施氮量达到355.30 kg/hm²后，继续增加施氮量，冬小麦的产量出现了降低的趋势。     

数据融合方式下的中型河流流量估算方法研究

基于数字高程获取河道所在地形剖面,应用遥感影像数据提取河流水域宽度,确定断面水力要素,采用比降面积法估算河道断面流量。通过与实测水文数据对比分析该方法适用性,结果表明:该方法下估算的河道断面流量和实测流量之间的相对误差在±25%以内,绝对误差在11. 2～23. 2m3/s之间,基本可满足无监测站点中型河流流量估算需求。     

郑州市土地利用/覆被变化模拟预测及其水源涵养量计算评估

【目的】为研究郑州市未来土地利用/覆被变化及其水源涵养量，综合自然地理、社会经济、降水和蒸散发等数据，【方法】采用Dyna-CLUE模型模拟了郑州市2020年土地利用/覆被变化，通过与实际土地利用图进行比较验证，证明该模型可用。设置不同情景，同时考虑了多种土地利用/覆被类型的未来变化趋势和经济效益最大化，进而模拟了2025年、2030年土地利用/覆被变化。运用水量平衡法，结合土地利用变化计算评估水源涵养量。【结果】结果表明：2020年总水源涵养量为3.31×10⁸ m³,空间分布特征为西南高，东北低，林草区高，非林草区低。在未来土地利用变化情况下，不同土地类型对应的水源涵量随着该土地面积的增加而增加，减少而减少。“现状发展”情景下总水源涵养量逐年下降，到2030年总体下降0.21×10⁸ m³,主要集中在中部和中西部地区；“规划发展”情景下总水源涵养量到2025年下降0.03×10⁸ m³,到2030年增加0.01×10⁸ m     

基于图像识别技术的测压管群水深智能获取方法

为在水工模型试验中准确同步获取过水建筑物不同部位水压力,提出并设计了基于图像识别技术的测压管群水深智能获取方法与系统。该系统采用非接触式（侧拍）影像采集方式,实时拍摄多个测压管内水面浮标的运动影像（反映水深变化过程）,将影像资料导入计算机;利用软件识别系统,采用灰度化、二值化及开操作等对图像进行预处理,然后使用findContours获取各个测压管水面浮标质心坐标,通过标定系数转换为实际水位数据,最终得到各个测压管内水深同步变化的时间序列。通过水工模型试验验证,该方法较传统人工测量方法获得的数据误差在±1.5%内,且获取方式更快捷、数据更丰富,可为水工模型试验中测压管群水深测量提供新的思路。     

黄河水沙变化及设计水沙条件

利用黄河干支流主要控制站实测水沙资料,分析了黄河水沙的基本特性和近期黄河水沙变化的主要表现,结合已有规划研究成果,预估了不同水平年黄河的来水来沙量,提出了应用于流域综合规划和专项研究的设计水沙条件和水沙代表系列。结果表明:水少、沙多、水沙关系不协调是黄河水沙的基本特征;1986年以来,黄河中下游水沙量大幅减小,汛期径流比重减少,有利于输沙的大流量历时和水量大幅减少;预计到2020年、2030年,黄河多年平均天然径流量分别为519.8亿、514.8亿m3,年均沙量分别为10.5亿¹1.0亿t、9.5亿11.0亿t、9.5亿¹0.0亿t;根据2020水平年1956—2000年系列水沙条件,选取1968—1979年+1987—1996年作为水沙代表系列,该系列龙门、华县、河津、氵状头4站年均水量为278.03亿m3、沙量为10.77亿t,其中前12 a年均水量为290.17亿m3、沙量为11.48亿t,后10 a年均水量为263.47亿m3、沙量为9.93亿t。