2016年6月14日

斯坦福大學(xué)地球、能源和環(huán)境科學(xué)學(xué)院研究人員利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)新算法測量美國科羅拉多州圣路易斯谷地農(nóng)業(yè)流域地下水位。

　　美國斯坦福大學(xué)開發(fā)的一種計(jì)算機(jī)新算法使科學(xué)家們能夠利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)判斷比以前更大范圍區(qū)域的地下水位情況。此項(xiàng)技術(shù)的詳細(xì)研究內(nèi)容在2016年6月的《水資源研究》期刊上發(fā)表，將有利于更好的開發(fā)地下水模型。斯坦福大學(xué)地球、能源和環(huán)境科學(xué)學(xué)院地球物理學(xué)教授、論文聯(lián)合作者Rosemary Knight指出，此項(xiàng)技術(shù)對于普遍存在抽取地下水和關(guān)注地下水庫枯竭問題的農(nóng)業(yè)地區(qū)可能特別有意義。

　　近期，Knight團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用該算法對科羅拉多州圣路易斯谷地全部農(nóng)業(yè)流域地下水位進(jìn)行判別。此算法使用合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（InSAR）計(jì)算出1992年到2000年間圣路易斯谷地地下水位變化情況。

　　InSAR衛(wèi)星利用電磁波監(jiān)測厘米尺度地表高度微小變化。該項(xiàng)目最初是在上世紀(jì)80年代由美國國家航空航天局（NASA）發(fā)起，旨在獲取火山、地震和山體滑坡數(shù)據(jù)。近些年來，Knight和斯坦福大學(xué)電子工程系、地球物理學(xué)教授Howard Zebker卻采用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行地下水監(jiān)測。

　　由前任博士后Jessica Reeves牽頭的斯坦福大學(xué)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)以前曾證明了地表高度變化可能與地下水位移動相關(guān)。然而，因?yàn)樵撗芯繄F(tuán)隊(duì)成員必須手動識別和分析沒有導(dǎo)致高度測量模糊的作物或者其他地表覆蓋的高質(zhì)量像素InSAR衛(wèi)星影像，所以Jessica團(tuán)隊(duì)只完成了較小區(qū)域的監(jiān)測。

　　Knight小組成員，斯坦福大學(xué)博士后Jingyi "Ann" Chen開發(fā)的新算法將以前耗時的像素選擇過程自動化。此項(xiàng)論文新成果的第一作者Chen指出，新研究展示了一種方法，可以在圣路易斯谷更多位置獲取高質(zhì)量像素InSAR影像。

　　另外，Chen的算法還向前邁進(jìn)了一步，在地下水位像素空隙間的高質(zhì)量InSAR數(shù)據(jù)不可獲取的地區(qū)，補(bǔ)充內(nèi)容或進(jìn)行了內(nèi)插值。插值法運(yùn)算是一種平均值計(jì)算方式，但需要已知地下水位的水井附近區(qū)域的高質(zhì)量InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)，用來校準(zhǔn)InSAR數(shù)據(jù)和實(shí)測的地下水位之間的聯(lián)系，。

　　Reeves牽頭的前期工作只使用了3個監(jiān)測井與高質(zhì)量InSAR像素“同一位置”的一致性問題。新算法將實(shí)測井?dāng)?shù)量增至16個。

　　基于以上研究結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)能夠計(jì)算地表形變，并延伸地下水位計(jì)算至圣路易斯谷地全部農(nóng)業(yè)流域，此流域面積約為4000平方公里。這一研究區(qū)域較之前計(jì)算的地下水位區(qū)域擴(kuò)大了約5倍。更重要的是，團(tuán)隊(duì)成員能夠展示該流域從2007年到2011年之間的地下水位時間尺度變化情況。InSAR數(shù)據(jù)可以提供這一期間年尺度算法分析。

　　Zebker表示，Jessica展示了從InSAR數(shù)據(jù)中提取的地表形變信息，Ann提出了用于提取可靠和實(shí)用信息的技術(shù)。

　　Knight指出，基于圣路易斯谷形變連續(xù)制圖，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，為了應(yīng)對水移動，地下水從一個地下水庫抽出時間與地面下沉或沉降過程間存在一個滯后時期。這些時間滯后期可能是判別一個地下水庫地質(zhì)屬性的有用指標(biāo)。抽取地下水和地表形變間的滯后問題不適用于砂質(zhì)地下水庫。如果地下水庫存在粘土，就會造成抽水和地表形變間滯后時間很長，導(dǎo)致能夠檢測到時間滯后。

　　Zebker表示，下一步工作將是從InSAR衛(wèi)星中提取地下水位和地下水庫特征的信息，結(jié)合其他數(shù)據(jù)源，進(jìn)行地下水流動模型改進(jìn)。研究目標(biāo)是進(jìn)行完整的水平衡研究。這將涉及降雨對地下水的補(bǔ)給以及蒸發(fā)和徑流產(chǎn)生的流失等問題。

　　原文題目：Stanford researchers calculate groundwater levels from satellite data

　　資料來源：https://woods.stanford.edu/news-events/news/calculating-groundwater-levels-satellite-data

　　（王化編譯,殷永元審核）