高分辨率SAR数据青藏高原冻土环境与工程应用研究

发布时间：2021-03-29 08:49

青藏高原是地球上面积最大的高海拔冻土区,通过水循环和碳循环对其周围的环境和气候产生重要影响。同时全球气候和局部气候的变化也影响着青藏高原冻土的稳定。随着全球气候变暖,青藏高原面临多年冻土区面积减小、活动层厚度增加和冻土平均地温升高等冻土退化的问题。同时冻土退化还伴随着土壤水分流失、土地沙漠化、植被覆盖度减少以及冻土工程稳定性等生态环境和热熔地质灾害问题,这将威胁着高原地区生态环境稳定和当地人民生命财产安全。因此,大面积、高精度展开冻土环境研究具有重要意义。本论文以青藏高原北麓河多年冻土区为研究区,使用高分辨率SAR对青藏高原冻土环境及工程进行研究,具体从青藏高原土壤水分反演、冻土及冻土铁路工程形变监测和活动层厚度反演等三个方面展开研究。本研究以高分辨率SAR图像为数据源,希望能够从更精细的角度研究青藏高原冻土环境和冻土工程,给人们提供青藏高原冻土环境和铁路工程更为细致的认识,为高原冻土和生态环境问题的保护提供科学依据。本论文主要工作和创新如下:1、针对高分辨率SAR图像反演青藏高原土壤水中存在复杂地表粗糙度的影响问题,提出了结合大小入射角的时间序列土壤水分反演模型。本论文首先分析了研究区土壤水分含量与雷达后向散射系数之间的关系,结果显示两者之间存在明显的线性关系;然后展开了雷达后向散射系数对研究区土壤粗糙度的敏感性分析,利用冬季成像的大小入射角SAR数据,分别对比了σ0low,σ0low/σ0high和exp(σ0low/σ0high)对实地测量的土壤粗糙度的敏感性分析,结果显示eXp(σ0low/σ high)对地表粗糙度相关性最强;最后基于以上分析,将exp(σ0low/σ0high)作为地表粗糙度的对雷达后向散射系数的近似表达式,结合后向散射系数与土壤水分之间的线性关系,发展了针对青藏高原复杂地表环境区域的高分辨率SAR 土壤水分反演算法。该算法应用于青藏高原北麓河研究区的地表土壤水分反演,得到了研究区2014-2016年的地表土壤水分。研究结果表明,北麓河地区的地表土壤水分的变化表现出季节性,在冻土融化季节土壤水分含量高,在冻土冻胀季节地表土壤水分含量小。采用实测数据对实验结果进行了良好的验证,RMSE和Bias分别为4.2%和4.05%。本文提出的土壤水分模型为大范围反演青藏高原土壤水分提供了算法模型。2、针对中低分辨率SAR图像无法精细分辨地物细节的问题,首次采用超高分辨率SAR图像使用DInSAR和时序InSAR两种方法对青藏高原冻土和冻土工程进行形变监测。通过对DInSAR的处理,对青藏铁路在高分辨率SAR图像中的结构特征进行了分析,青藏铁路的形变特征进行了详细分析,同时对研究区冻土的形变特征有了初步的认识。使用时序InSAR方法处理中,根据冻土冻融过程特征,将冻土的形变看成由长时间缓慢线性形变和短时季节性形变两部分组成。在构建季节性形变模型阶段,根据Stefan模型建立了与冻融指数平方根成线性变化的季节形变相位模型。结果显示,研究区的冻土区最大年沉降速率达到了-15mm/year,季节性形变明显,形变幅度达到65mm左右。对青藏铁路、公路、试验路基及防沙固土措施的形变特征进行了详细分析,且首次在使用InSAR技术反演得到的高分辨率形变图观测到了青藏铁路路基的阴阳坡效应导致的铁路路基不对称形变,铁路路基两侧不对称形变速率差达10mm。另外在高分辨率形变图发现了不同冻土路基保护措施的冷却保护效果。3、针对目前基于InSAR形变反演青藏高原活动层厚度算法普遍存在的假定土壤孔隙度为定值和夏季土壤含水量处于饱和状态导致的反演误差的问题,提出了一种由时序InSAR技术获取的冻土沉降反演冻土活动层厚度的反演模型,该模型考虑了土壤孔隙率和含水量等影响因素,并对基于观测数据对地下土壤水分含量进行定量描述。考虑研究区的地貌和土壤类型,首先利用SAR幅度图采用监督分类的方法将研究区分为草甸区和荒漠区;然后根据草甸区和荒漠区观测点实测地下土壤水分含量数据,基于土壤分层的思想分别对草甸区和荒漠区地下土壤含水量进行建模,定量描述地下土壤水分含量变化;最后联合InSAR技术反演的冻土季节性形变反演研究区的活动层厚度。实验结果表明,提出的活动层厚度反演模型能够得到较好地反演出研究区的活动层厚度,并与实测活动层厚度结果吻合。结果显示研究区不同地貌覆盖类型的活动层厚度表现出差异性,草甸区的活动层厚度在1.5m左右,荒漠区的活动层厚度在3m左右。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P642.14

文章目录

致谢1

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 青藏高原多年冻土的国内外研究现状

1.2.2 SAR在高原冻土环境应用研究现状

1.2.3 存在的问题

1.3 研究内容和章节安排

第2章研究区域与实验数据

2.1 研究区概况

2.1.1 研究区地理环境

2.1.2 研究区气候特点

2.1.3 研究区冻土特性

2.2 数据准备

2.2.1 SAR数据

2.2.2 SRTM DEM数据

2.2.3 野外测量数据

2.3 本章小结

第3章高分辨率SAR青藏高原土壤水分反演

3.1 引言

3.2 典型地表土壤水分反演模型

3.2.1 理论模型

3.2.2 经验模型

3.2.3 半经验模型

3.3 时间序列SAR图像土壤水分反演模型

3.3.1 雷达信号模型

3.3.2 后向散射系数对土壤水分的响应

3.3.3 后向散射系数对地表粗糙度的响应

3.3.4 土壤水分反演模型的建立

3.4 SAR数据和测量数据处理

3.4.1 SAR数据预处理

3.4.2 测量数据

3.5 实验结果及分析

3.6 讨论

3.7 本章小结

第4章高分辨率SAR青藏铁路形变监测

4.1 引言

4.2 基于DIn SAR的青藏高原铁路形变监测

4.2.1 DIn SAR结果

4.2.2 青藏铁路形变分析

4.3 时序In SAR的青藏铁路形变分析

4.3.1 形变模型建立

4.3.2 数据处理

4.3.3 实验结果与分析

4.3.4 讨论

4.4 本章小结

第5章高分辨率SAR青藏高原活动层厚度反演

5.1 引言

5.2 基于In SAR技术的冻土活动层厚度反演

5.2.1 活动层厚度反演模型

5.3 北麓河活动层厚度反演结果及分析

5.3.1 冻土活动层反演结果

5.3.2 讨论

5.4 本章小结

第6章总结与展望

6.1 总结

6.1.1 主要研究内容

6.1.2 主要创新点

6.2 存在问题与展望

参考文献

作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢2

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