發(fā)布時(shí)間：2021-03-29 08:49

  青藏高原是地球上面積最大的高海拔凍土區(qū),通過水循環(huán)和碳循環(huán)對(duì)其周圍的環(huán)境和氣候產(chǎn)生重要影響。同時(shí)全球氣候和局部氣候的變化也影響著青藏高原凍土的穩(wěn)定。隨著全球氣候變暖,青藏高原面臨多年凍土區(qū)面積減小、活動(dòng)層厚度增加和凍土平均地溫升高等凍土退化的問題。同時(shí)凍土退化還伴隨著土壤水分流失、土地沙漠化、植被覆蓋度減少以及凍土工程穩(wěn)定性等生態(tài)環(huán)境和熱熔地質(zhì)災(zāi)害問題,這將威脅著高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定和當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全。因此,大面積、高精度展開凍土環(huán)境研究具有重要意義。本論文以青藏高原北麓河多年凍土區(qū)為研究區(qū),使用高分辨率SAR對(duì)青藏高原凍土環(huán)境及工程進(jìn)行研究,具體從青藏高原土壤水分反演、凍土及凍土鐵路工程形變監(jiān)測(cè)和活動(dòng)層厚度反演等三個(gè)方面展開研究。本研究以高分辨率SAR圖像為數(shù)據(jù)源,希望能夠從更精細(xì)的角度研究青藏高原凍土環(huán)境和凍土工程,給人們提供青藏高原凍土環(huán)境和鐵路工程更為細(xì)致的認(rèn)識(shí),為高原凍土和生態(tài)環(huán)境問題的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。本論文主要工作和創(chuàng)新如下:1、針對(duì)高分辨率SAR圖像反演青藏高原土壤水中存在復(fù)雜地表粗糙度的影響問題,提出了結(jié)合大小入射角的時(shí)間序列土壤水分反演模型。本論文首先分析了研究區(qū)土壤水分含量與雷達(dá)后向散射系數(shù)之間的關(guān)系,結(jié)果顯示兩者之間存在明顯的線性關(guān)系;然后展開了雷達(dá)后向散射系數(shù)對(duì)研究區(qū)土壤粗糙度的敏感性分析,利用冬季成像的大小入射角SAR數(shù)據(jù),分別對(duì)比了σ0low,σ0low/σ0high和exp(σ0low/σ0high)對(duì)實(shí)地測(cè)量的土壤粗糙度的敏感性分析,結(jié)果顯示eXp(σ0low/σ high)對(duì)地表粗糙度相關(guān)性最強(qiáng);最后基于以上分析,將exp(σ0low/σ0high)作為地表粗糙度的對(duì)雷達(dá)后向散射系數(shù)的近似表達(dá)式,結(jié)合后向散射系數(shù)與土壤水分之間的線性關(guān)系,發(fā)展了針對(duì)青藏高原復(fù)雜地表環(huán)境區(qū)域的高分辨率SAR 土壤水分反演算法。該算法應(yīng)用于青藏高原北麓河研究區(qū)的地表土壤水分反演,得到了研究區(qū)2014-2016年的地表土壤水分。研究結(jié)果表明,北麓河地區(qū)的地表土壤水分的變化表現(xiàn)出季節(jié)性,在凍土融化季節(jié)土壤水分含量高,在凍土凍脹季節(jié)地表土壤水分含量小。采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了良好的驗(yàn)證,RMSE和Bias分別為4.2%和4.05%。本文提出的土壤水分模型為大范圍反演青藏高原土壤水分提供了算法模型。2、針對(duì)中低分辨率SAR圖像無法精細(xì)分辨地物細(xì)節(jié)的問題,首次采用超高分辨率SAR圖像使用DInSAR和時(shí)序InSAR兩種方法對(duì)青藏高原凍土和凍土工程進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)。通過對(duì)DInSAR的處理,對(duì)青藏鐵路在高分辨率SAR圖像中的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析,青藏鐵路的形變特征進(jìn)行了詳細(xì)分析,同時(shí)對(duì)研究區(qū)凍土的形變特征有了初步的認(rèn)識(shí)。使用時(shí)序InSAR方法處理中,根據(jù)凍土凍融過程特征,將凍土的形變看成由長(zhǎng)時(shí)間緩慢線性形變和短時(shí)季節(jié)性形變兩部分組成。在構(gòu)建季節(jié)性形變模型階段,根據(jù)Stefan模型建立了與凍融指數(shù)平方根成線性變化的季節(jié)形變相位模型。結(jié)果顯示,研究區(qū)的凍土區(qū)最大年沉降速率達(dá)到了-15mm/year,季節(jié)性形變明顯,形變幅度達(dá)到65mm左右。對(duì)青藏鐵路、公路、試驗(yàn)路基及防沙固土措施的形變特征進(jìn)行了詳細(xì)分析,且首次在使用InSAR技術(shù)反演得到的高分辨率形變圖觀測(cè)到了青藏鐵路路基的陰陽坡效應(yīng)導(dǎo)致的鐵路路基不對(duì)稱形變,鐵路路基兩側(cè)不對(duì)稱形變速率差達(dá)10mm。另外在高分辨率形變圖發(fā)現(xiàn)了不同凍土路基保護(hù)措施的冷卻保護(hù)效果。3、針對(duì)目前基于InSAR形變反演青藏高原活動(dòng)層厚度算法普遍存在的假定土壤孔隙度為定值和夏季土壤含水量處于飽和狀態(tài)導(dǎo)致的反演誤差的問題,提出了一種由時(shí)序InSAR技術(shù)獲取的凍土沉降反演凍土活動(dòng)層厚度的反演模型,該模型考慮了土壤孔隙率和含水量等影響因素,并對(duì)基于觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地下土壤水分含量進(jìn)行定量描述。考慮研究區(qū)的地貌和土壤類型,首先利用SAR幅度圖采用監(jiān)督分類的方法將研究區(qū)分為草甸區(qū)和荒漠區(qū);然后根據(jù)草甸區(qū)和荒漠區(qū)觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)地下土壤水分含量數(shù)據(jù),基于土壤分層的思想分別對(duì)草甸區(qū)和荒漠區(qū)地下土壤含水量進(jìn)行建模,定量描述地下土壤水分含量變化;最后聯(lián)合InSAR技術(shù)反演的凍土季節(jié)性形變反演研究區(qū)的活動(dòng)層厚度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的活動(dòng)層厚度反演模型能夠得到較好地反演出研究區(qū)的活動(dòng)層厚度,并與實(shí)測(cè)活動(dòng)層厚度結(jié)果吻合。結(jié)果顯示研究區(qū)不同地貌覆蓋類型的活動(dòng)層厚度表現(xiàn)出差異性,草甸區(qū)的活動(dòng)層厚度在1.5m左右,荒漠區(qū)的活動(dòng)層厚度在3m左右。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P642.14