基于沉降特征加权融合提高地下水储量空间分辨率方法技术

本发明专利技术属于水文学技术领域，具体是一种基于沉降特征加权融合提高地下水储量空间分辨率的方法。本发明专利技术的技术方案是基于沉降特征的提取和权重算法的推导，新型沉降特征加权融合法充分考虑了地表沉降和水位变化两种数据特征对地下水储量变化造成的影响。通过对GRACE反演的地下水储量异常和InSAR数据加权融合，得到全新的融合图像。融合结果对地表沉降特征更加敏感，能更好的表现水储量变化细节特征，可以更精准的为水资源的利用提供信息服务。可以更精准的为水资源的利用提供信息服务。可以更精准的为水资源的利用提供信息服务。

【技术实现步骤摘要】
基于沉降特征加权融合提高地下水储量空间分辨率方法


[0001]本专利技术属于水文学
，具体是一种基于沉降特征加权融合提高地下水储量空间分辨率方法。

技术介绍

[0002]世界上很多干旱和半干旱地区地下水开采超过了自然补给，人类对不可再生的地下水资源过度依赖会使地下水位大幅度下降，造成弱透水层和含水层孔隙水位降低，应力转移使黏性土压密变形，从而引起地面沉降。在我国由于地下水资源超采导致的地表沉降问题日益突出。地面沉降可能会破坏建筑物、高速公路和桥梁等基础设施，并降低洪水排放效率。另外，由于含水层系统压实导致的非弹性沉降会使含水层永久损失蓄水能力，并影响地下水可持续使用。华北平原的许多城市都发现了由地下水超采引起的快速地面沉降，例如郑州、北京、天津、德州、沧州等。实施有效的地下水管理措施对于解决现有的供需水问题至关重要。
[0003]目前，传统的地下水监测方案包括地下水位监测井和地下水收支均衡法。然而，监测点稀疏、成本高、耗时耗力、且难以保持良好的质量控制。因此，钻井观测难以捕捉到含水层和地下水变化的空间细节，也难以做到不间断的实时监测。地下水收支均衡法也是管理机构的常用估计方法，但是它忽略了随着地下水储量变化而发生的含水层动态和局部水循环变化。近年来，遥感监测在水文水资源领域展现出巨大的应用潜力。遥感监测主要是采用光学或雷达影像研究地下水分布，已通过土层含水量建立地下水位分布的遥感模型。Luo通过分析不同深度处土壤相对含水量与地下水埋深的相关性，得到了研究区地下水埋深分布状况图。
[0004]合成孔径干涉雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)因其高空间分辨率测量地面形变的特性，越来越多地用于监测地表沉降和推断水文地质性质。研究表明，采用InSAR技术获取时间序列形变信息可以估算含水层的弹性储水系数和非弹性储水系数以及监测地下水位变化。InSAR具有高精度、高分辨率、高覆盖性、全天时、全天候、数据处理高度自动化等技术优势，但在实际应用中也存在一定的局限性。因为含水层对压力变化的响应不均匀，压实厚度在空间上是变化的。即使压力变化影响可压缩含水层结构，也并不是所有地表形变都由含水层枯竭造成，尤其在超过典型InSAR探测阈值的地区。近年来，在差分干涉测量技术基础上发展起来的永久散射体(PS
‑
InSAR)技术和小基线集(SBAS
‑
InSAR)技术已成功应用于城市地面沉降监测，其相位和幅值在较长时间内相对稳定，可以有效降低时空去相干、大气延迟和噪声等因素影响，提高形变监测精度。后增加的ScanSAR和TOPSAR更有助于提供大面积的SAR影像，能够绘制从城市到流域/国家尺度的地表形变。
[0005]相比InSAR方法，GRACE重力卫星能结合水文模型直接测定地下水储量异常(GWSA)，假设其他组分(例如：土壤水、地表水和雪水当量)都已经从总陆地水储量中扣除。但是，GRACE的空间分辨率较低(0.25
°
～3
°
)，适用于面积在100000km2以上的区域，典型的
GRACE分辨率不足以支持小区域尺度的地下水治理。目前也有很多关于GRACE估算水储量异常的降尺度估算的新方法。GRACE反演改进算法表明，考虑GRACE分辨率下地壳质量的空间变异性对更好地估计地下水储量变化具有重要意义。地面沉降速率和沉降量与地下水位下降速率和下降量密切相关，因此可以利用地面监测数据对GRACE数据降尺度处理。Castellazzi研究发现利用InSAR数据聚焦GRACE反演的GWSA信号作为地下水质量损失分布的空间先验图，能够提供定量的、高分辨率的地下水枯竭信息。但是，之前的研究仅停留在概念介绍，尚未提出具体有效的融合算法和案例研究。
[0006]不同于已有的研究，GRACE作为有效探测水储量变化的手段之一，分辨率粗糙限制了其在小区域的应用潜力，并且出现与InSAR和官方地下水位数据不一致的现象。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术中的不足，本专利技术提出一种基于沉降特征加权融合提高地下水储量空间分辨率方法。通过对GRACE反演的地下水储量异常和InSAR数据加权融合，得到全新的融合图像，更好的表现水储量变化细节特征。
[0008]本专利技术基于沉降特征加权融合提高地下水储量空间分辨率方法，通过沉降特征加权融合法对GRACE进行空间降尺度处理，包括：
[0009]S1，收集区域地下水位监测井数据，计算单独井的时间序列变化趋势和整个区域的变化速率空间分布；
[0010]S2，下载Sentinel
‑
1A影像、高精度DEM和POD精密轨道数据，采用多时相InSAR方法探测区域地表变形的时空演化；
[0011]S3，获取JPL Mascon和CSR Mascon数据集，从这两种GRACE时序数据提取陆地水储量异常；
[0012]S4，联合InSAR技术探测地下水枯竭区域的地表形变分布以及GRACE数据反演的地下水储量异常值。
[0013]优选地，所述步骤S2中，InSAR处理过程包括确定主辅影像进行差分干涉、地形相位去除、相位解缠、相位滤波和地理编码。
[0014]优选地，所述主辅影像采用10
×
2的多视处理来抑制噪声；产生相位干涉图和幅值强度图后，使用DEM从干涉相位中去除地形相位；选取高相干性和散射特性较为稳定的建筑物作为散射点，采用三维相位解缠算法进行相位解缠。
[0015]优选地，采用Goldstein枝切法进行相位滤波处理，通过减去每个干涉图的线性相位斜坡来消除轨道误差和大气相位干扰；通过最小二乘法反演得到每个像元的视线向形变时间序列，并对结果进行地理编码。
[0016]优选地，所述步骤S3中，GRACE反演地下水储量异常时，需要去除土壤水、地表水、植被水、雪水的当量。
[0017]优选地，在同一分辨率下，从陆地水储量中减去土壤水和地表水得到地下水储量异常分布图，用以下公式表达：
[0018]GWSA＝TWSA
‑
SMSA
‑
SWSA
[0019]其中，GWSA为地下水储量异常，TWSA为总陆地水储量异常，SMSA为土壤水储量异常，SWSA为地表水储量异常。
[0020]优选地，GRACE反演的陆地水储量和地下水储量变化以及NOAH反演的土壤水和地表水变化需要插值和距平处理。
[0021]优选地，所述步骤S4中，基于新型GRACE/InSAR沉降特征加权融合方法将GRACE和权重结合成新值，提高GRACE信号的分辨率。
[0022]优选地，所述步骤S1中，选取24个以上连续月份作为时间参考区间，获取CMONOC提供的GPS时间序列，用于季节项变化分析。
[0023]本专利技术提出了新型沉降特征加权融合法，该方法的提出是基于沉降特征的提取和权重算法的推导，新型沉降特征加权融合法充分考虑了地表沉降和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于沉降特征加权融合提高地下水储量空间分辨率方法，其特征在于，通过沉降特征加权融合法对GRACE进行空间降尺度处理，包括：S1，收集区域地下水位监测井数据，计算单独井的时间序列变化趋势和整个区域的变化速率空间分布；S2，下载Sentinel
‑
1A影像、高精度DEM和POD精密轨道数据，采用多时相InSAR方法探测区域地表变形的时空演化；S3，获取JPL Mascon和CSR Mascon数据集，从这两种GRACE时序数据提取陆地水储量异常；S4，联合InSAR技术探测地下水枯竭区域的地表形变分布以及GRACE数据反演的地下水储量异常值。2.根据权利要求1所述的基于沉降特征加权融合提高地下水储量空间分辨率方法，其特征在于，所述步骤S2中，InSAR处理过程包括确定主辅影像进行差分干涉、地形相位去除、相位解缠、相位滤波和地理编码。3.根据权利要求2所述的基于沉降特征加权融合提高地下水储量空间分辨率方法，其特征在于，所述主辅影像采用10
×
2的多视处理来抑制噪声；产生相位干涉图和幅值强度图后，使用DEM从干涉相位中去除地形相位；选取高相干性和散射特性较为稳定的建筑物作为散射点，采用三维相位解缠算法进行相位解缠。4.根据权利要求2所述的基于沉降特征加权融合提高地下水储量空间分辨率方法，其特征在于，采用Goldstein枝切法进行相位滤波处理，通过减去每个干涉图的线性相位斜坡来消除轨道误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟，王青青，沈祎凡，祝会忠，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：