基于时序InSAR的水土流失定量监测与分析

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水土流失是发生在地表的持续地貌变化过程,是当今世界上最严重的环境问题之一,严重威胁着农业生产,自然资源和生态系统环境安全。水土流失的直接后果是部分地区的地形地貌发生变化,从而破坏地面的完整性,导致土壤内部养分流失,更严重的情况可能会触发滑坡、泥石流等大型地质灾害;另外,水土流失还会使河流泥沙堆积,湖泊库容减少从而加剧洪涝灾害。因此,通过对地形地貌进行高精度监测是获取水土流失定量结果的最直接和有效的方法。而现有的水土流失监测方法或基于现场观测,或基于模型估计,难以实现高精度定量估计。时序InSAR是近十年快速发展起来的一种现代空间大地测量技术,不仅可以获取微小的地表形变,还可以获得形变时序,所以本文将尝试利用时序InSAR技术实现对水土流失的定量监测与分析。本文主要工作与贡献如下:(1)以东洞庭湖为例研究季节性湖泊水土流失状况。考虑到东洞庭湖丰水期与枯水期交替变化特征,将丰水期与枯水期数据分别利用SBAS-InSAR方法处理。结果表明枯水期水土流失区主要集中在集水区与湖漫滩交界处和弯曲的河道沿岸,枯水期水土流失最严重为2018年,水土流失速率最大超过-5 mm/月。丰水期水土流失都集中在外部水系河网周围,水土流失分布最严重为2019年,最大水土流失速率超过-6 mm/月。(2)基于黄土高原风蚀水蚀交错区特征,本文构建了基于气象因子的时序InSAR解算模型并代替传统小基线集中所使用的线性模型,对黄土高原风蚀水蚀交错区由于水土流失引起的地表变化进行时序分析。结果表明最大形变处在影像获取时间内累积形变量接近200mm,主要是由内部地质环境、植被覆盖、水蚀、风蚀等多重条件引起的。由于内部环境因子引起的形变速率大约为-15mm/a,水蚀引起的形变速率大约为-0.03-0.02 mm/mm之间,水蚀最严重处水蚀量接近-60 mm,风蚀因子每变化1个单位,发生形变范围大约为-0.3-0.2 mm,最严重处风蚀量接近-50 mm。(3)通过结合气象数据分析水土流失,我们发现降雨与东洞庭湖水土流失存在一定关系。譬如:丰水期水土流失与降雨事件呈现正相关,强烈降雨事件会触发水土流失;枯水期却相反,水土流失与降雨事件呈负相关,微量降雨次数越多,水土流失不明显,枯水期降雨越少水土流失越明显。对于风蚀水蚀交错区来说,降雨和风都是引起水土流失的重要原因。
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