基于主被动微波遥感技术的活动层冻融参量季节性变化规律研究

Due to climate warming and human activities, the freezing and thawing depth of the active layer in Qinghai-Tibet Plateau is deepening, the amplitude of frost heaving and thawing settlement is increasing, which will make a big influence on carbon cycle, water cycle, and cold region engineering etc. Currently, being restricted by microwave remote sensing data sources and detection depth, the surface deformation information obtained with D-InSAR or MT-InSAR technique is in low temporal resolution, the freezing and thawing cycle information derived from passive microwave data is in low spatial resolution and the freezing and thawing depth can not be detected, the monitoring requirements for seasonal freeze-thaw changes in the active layer cannot be realized.To solve these problems, in this project, ①the time sequence difference method of Sentinel-1A and Sentinel-1B SAR data will be studied to improve the monitoring frequency of surface deformation information; ② the downscaling method and F-T discrimination method for AMSR-2 brightness temperature will be studied to improve the spatial resolution and accuracy of freeze-thaw cycle information.On this basis, with the help of the freezing and thawing depth information provided by field drilling data and the support of the indoor simulation experiment, the internal regularity among the three freeze-thaw parameters: freezing and thawing cycle, depth and ground surface deformation will be studied, so as to realize the monitoring of seasonal freezing and thawing of active layers at a large scale and high precision. It will provide reference and support for carbon cycle study, water cycle study and the construction, operation and maintenance of cold region engineering.

气候变暖及人类活动导致青藏高原活动层在季节变化周期内的冻融深度加深，冻胀融沉幅度加大，这将对碳循环、水循环、寒区工程等产生重要影响。当前对活动层的主/被动微波遥感监测受数据源以及探测深度的制约，经差分干涉测量得到的地表形变信息时间分辨率低、经反演得到的冻融周期信息空间分辨率低，同时冻融深度信息探测不到，无法实现对活动层季节性冻融变化的监测需求。对此，本项目提出：①研究Sentinel-1A和1B双星数据的时序差分方法，提高地表形变信息的监测频率；②研发适用于AMSR-2卫星的亮温降尺度方法及冻融判别式算法，提升冻融周期信息的空间分辨率及准确率。在此基础上，借助活动层监测数据提供的冻融深度信息，结合室内模拟实验，研究冻融周期、冻融深度、地表形变三个冻融参量之间的内在变化规律，从而实现对活动层季节性冻融变化的大面积、高精度监测，为寒区碳水循环研究以及工程的建设、运营及维护提供依据和支撑。

气候变暖及人类活动导致青藏高原活动层在季节变化周期内的冻融深度加深，冻胀融沉幅度加大，对碳循环、水循环、寒区工程等具有重要影响。充分掌握活动层的季节性变化规律可为寒区碳水循环研究以及寒区工程的建设、运营、维护提供重要重要的依据和支撑。本项目以青藏高原为研究区，从活动层冻融参量信息获取着手，分别基于主/被动微波遥感技术开展监测研究，然后基于监测结果和地面实测数据探究活动层的冻融变化规律。研究工作包含三部分：一是在基于被动微波遥感技术的活动层浅层地表冻融信息探测方面，首先探究了被动微波遥感对于活动层的探测深度，进一步证实了活动层浅层地表对于被动微波遥感信号最为敏感；然后对现有的基于AMSR-2、SSMIS等卫星数据的地表冻融遥感反演产品进行了验证与分析；最后基于样条函数法获取了约1km分辨率的亮温，在此基础上，通过建立综合数据库，发展了适用于青藏高原地区的冻融判别算法，并依据此算法获取了1km分辨率活动层浅层地表的冻融变化信息。二是在基于主动微波遥感数据的活动层地表时序形变信息获取方面，通过地面实测数据对SBAS-InSAR主动微波遥感技术在青藏高原地区的适用性进行了验证分析，然后以五道梁为研究区，基于Sentinel-1雷达数据获取了该地区的时序形变图，并对研究区内青藏铁路沿线的形变特征进行了分析。三是在活动层的冻融参量变化分析方面，首先开展了活动层冻融变化现场观测实验，获取了监测站点多层次的温湿度数据；然后分别利用前两部分工作中所涉及的主/被动微波遥感探测技术，获取了高分辨率的活动层浅层地表冻融时间信息和地表形变信息，最后对各冻融参量之间的关系进行了分析与探讨。本研究探索并初步揭示了活动层的冻融时间、地表形变、土壤温度、土壤湿度等冻融参量在整个冻融周期内的协同变化机制，研究成果对于实现活动层季节性冻融变化的大面积、高精度监测具有重要意义。