探测地下盐水层的深度在垂下的努尔湖盆使用偏振l波段SAR

文摘

垂下的努尔曾经是一个巨大的湖位于中国西北部。目前,没有删努尔湖流域地表水和SAR图像看起来像一个“耳朵。”这篇论文的目的是获取地下盐水层的深度在垂下的努尔copolarized相位差的表面散射。根据现场调查和样本属性的分析,提出了一种两层散射结构散射机制的详细解释。copolarized相位差之间的关系和盐水层深度删努尔地区进行了研究。表面散射的copolarized相位差提取了基于模型的旋光分解方法。良好的线性相关性测量地下盐水层深度和copolarized相位差R2达到0.82。此外,整个湖地区的地下盐水层深度进行了分析。根据检索到的地图,发现一些有趣的现象,和几个假设关于过去的水提取过程和环境演化提出理论上解释这些现象。基于SAR的渗透功能重建的历史演化过程使努尔为未来的研究将是一个有趣的话题。

1。介绍

垂下的努尔曾经是一个广泛的湖位于新疆维吾尔自治区在塔里木盆地东部,在中国西北。垂下的努尔坐落在一个典型的干旱地区,气候变化高度敏感,及其历史环境变化是重要的对于理解全球气候变化历史(1- - - - - -3]。垂下的努尔盆地是一个古老的“丝绸之路”的重要部分著名的繁荣的东西方文化之间的通信通道。然而,垂下的努尔在20世纪已经完全干涸,留下同心条插进(交换亮灰外观)在遥感图像(图可见1)[4- - - - - -6]。对其形成许多假设了,但他们仍然是科学证据证明,因此其形成仍是个谜(7]。它被称为“干旱极”和“死亡之海”,因为它极其干旱和可怜的可访问性6]。湖地区可能扩大和缩小几倍,因为周期性的潮湿气流或洪水的到来。作为地区的盐和水积聚在塔里木盆地,因此表面富含矿物盐与许多盐和水分含量很低。渗透能力的合成孔径雷达(SAR)信号和删努尔的干旱环境,相信特区可以探测地下目标和反映信息的土壤干层的厚度8]。

SAR的重要优势之一是穿透干燥的土壤。1981年,哥伦比亚号航天飞机安装了l波段HH极化成像雷达系统先生和获得许多图像。科学家们取得了许多有价值的应用程序的结果。最值得注意的是,麦考利的美国地质调查发现古老的河流和人类遗骸在撒哈拉沙漠东部砂覆盖使用先生的形象分析,引起了轰动的遥感和气象社区(9]。布鲁姆发现火成岩堤坝埋在2 m的冲积层在加州莫哈韦沙漠的地球资源卫星检测到的l波段SAR(23.5厘米波长)(10]。这些发现表明,地下特征与潜在的构造或地貌意义可能显示在其他轨道雷达图像在半干旱地形。福沙伯等人进一步研究影响渗透和衰减的物理因素的影响(11,12),发现l波段雷达的穿透深度估计是大约1.5在埃及南部沙漠砂质沉积物(13]。此外,还有许多科学家使用SIR-B和SIR-C研究地下地质构造和雷达穿透深度在沙漠地区14- - - - - -17]。

在雷达遥感,copolarized相位差有很多物理意义和特殊的意义。Lasne等人发现copolarized相位差有良好的相关性与干砂层的深度18]。这个阶段签名可以作为一个新工具绘制地下水分在干旱地区。在他们的研究中,一个相位差之间的23°水平(HH)和垂直(VV)通道显然是观察。它允许湿paleosoil到更大的探测深度(5.2米)比只考虑HH和高压时振幅信号(3.5米)。他们做了几个实验,发表很多文章来验证他们的理论(19- - - - - -23]。垂下的努尔也有两层土壤结构区域,因此,基于理论Lasne et al .,我们将研究copolarized删努尔湖盆的相位差。

Lasne等人的理论是基于字段由湿paleosoil层,它是由一个干砂层。他们的研究目标是相对简单的结构,而结构和化学成分的垂下的努尔地区土层比较复杂,用粗糙的岩石外壳顶部表面(图2),一层水盐渍土在地下。因此复杂散射机制,在这一领域不仅包括纯表面散射,也与一个复杂的地下散射信号传播机制。研究和验证的阶段基于签名的反演方法的适用性删努尔地区土壤厚度,我们应用树脂黄l波段全极化数据和基于模型的极化分解方法提取copolarized相位差的表面散射。基于理论Lasne et al。18),我们建立了一个地下含水层之间的实证关系的copolarized相位差层深度和表面散射。本研究的目的是模型和验证的功能l波段ALOS SAR穿透盐渍土探测地下含水层和反转地下含水层层深度和使用深度反演地图来研究地下盐水层的分布在垂下的努尔湖地区。

这项研究使努尔地区地下含水层的深度意义深远的环境和气候。它能反映地下盐水层的分布在盆地地区,揭示它的内部构造,岩石下面壳,为大耳朵的原因的分析特性在垂下的努尔湖。此外,这项工作可以提供参考的信息在过去气候的历史。此外,该方法还可以用于检测在干旱地区地下水和农田土壤干旱的评估阶段。

首先,测试网站和现场调查。在下一节中介绍的原则和方法。实验地下盐水层深度的反演结果一条直线垂直于条纹和整个地区,在第三节讨论。最后,结论和未来的最后提出了本文的主题。

2。材料和方法

2.1。测试网站和现场调查

2.1.1。测试网站描述和图像数据

垂下的努尔位于塔里木盆地东部在新疆维吾尔自治区,中国西北。从历史上看,主要河流流入删努尔包括塔里木、Kongqi, Qarqan河流携带大量的矿物盐。由于其特殊的地理位置在塔里木盆地,矿物盐在这一领域积累了生产高盐浓度,特别是丰富的钾资源。盆地位于约39.5°到41.5°N和88°- 92°E,和最低海拔约785米(1,2]。因为删努尔位于远离海洋,来自东北的风盛行,潮湿的海洋气团很难到达该地区;因此,气候非常干燥。它是最干旱地区的欧亚大陆,不到20毫米的年降水量超过3000毫米的蒸发。前湖床极端盐渍和严重的风蚀的显示特性,和大量rimosus盐渣在湖盆,导致一个非常粗糙的表面和相当复杂的散射机制,开发期间土壤形成(8]。

光学和雷达图像的删努尔湖地区显示光明与黑暗交替纹理,环形的轮廓纹理就像一个大耳朵,如图1。垂下的努尔是一个典型的中国西部的极端干旱地区和世界的变化和干燥的历史记录环境的变化。研究表明,耳朵垂下的努尔特性是一个真实的记录的湖,湿干燥的气候变化的影响。遥感技术促进了空间分析删努尔湖泊沉积物的分布,这可以帮助我们分析全球气候变化在干旱地区。

图1显示了研究路线和采样点的分布,和图2显示了表面状况和户外土样的采集。HH极化和ScanSAR模式获得ALOS-PALSAR数据1月15日,2011年,在图作为底图1。

因为在l波段雷达信号有相对较高的渗透,本研究主要使用ALOS-PALSAR遥感数据分析的散射特征使努尔湖盆和执行阶段签名研究基于Freeman目标分解方法。删努尔的l波段ALOS-PALSAR图像区域是完整的偏振模式获得了5月6日,2009年,off-nadir角是23.1°。图像reprojected到UTM / WGS84坐标系后基本辐射和几何校正和处理PolSARprov4.0和5.0软件的环境。

2.1.2。现场调查和样本收集

获取详细信息的组成和结构表层和次表层的特征区域的研究中,研究小组在垂下的努尔六科学领域进行调查,从2006年开始。现场调查和测量定义现有的知识和研究成果从垂下的努尔并提供强大的数据支持随后的散射机制的定量分析。

我们参观了楼兰王国废墟和删努尔湖盆,沿着41公里,湖泊沉积物取样资料每隔2公里的东北删努尔湖,如图1。湖从表层和次表层的样本都是在每一个采样站点。十二个盐晶体和盐水样品也从某些采样收集网站。第二次现场调查是在2008年11月进行的,当探地雷达(探地雷达)是第一次用于收集剪下的树枝努尔地下结构信息。2008年11月现场调查,探地雷达检测到干上层之间的边界和湿降低层深度约50 - 55厘米,从中心到边缘。探地雷达的测量与l波段SAR具有相同的趋势。另外三个实地考察完成后在2008年12月,2010年4月和2010年11月来确定北部和西部地区的海岸线和验证东部的海岸线的存在使努尔湖,一直被西方的湖积物使努尔湖。

2013年的田间试验跨越从10月14日到11月3日,为期21天的,本文是基于现场调查。主要工作包括雷达遥感野外采样、测量和取样OSL样本区域,光谱测量和取样。其中,雷达遥感野外采样和光谱测量探险路线是2008年一样的路线。领域样本来自43个位置共有622个样本,包括224个大大小小的盒子用于测量离子含量和水分含量,114箱介电性能的实验室测量和60光学发光光标本。根据其沉积特征,六湖沉积为每个抽样样本收集网站从表面每个抽样的基础坑在不同深度和编号为样本1到6。坑的深度从50厘米到120厘米不等。样本抽样框保持新鲜,送到实验室进行分析,包括水分测试、离子的内容(例如,Na⁺、钙^{2 +}K⁺,Cl⁻,)、粒度、pH值和真正的(和想象的介电常数)的部分。

2.2。原则和方法

2.2.1。散射机制和阶段特征

因为极度干燥粗糙表面形貌的删努尔地区和SAR的独特能力渗透在干旱的地区,散射机制在这一领域包括纯表面散射和地下构造复杂的信号传播机制。基于删努尔雷达图像特征结合现场和实验室测量数据,我们得出这样的结论:是一种特殊的地下一层垂下的努尔湖地区具有不同介电性能的其他层(干态和湿态改变接口)。目前,垂下的努尔湖非常平坦的床和制服,用无尽的干盐结皮向四面八方扩散。盐的上层地壳非常干燥没有水分,导致复介电常数很低(上层非常低的介电常数,大约3 - 0.2 j C波段和3.5 - 1 j L波段)。然而,进一步挖掘湖积物,湿润层被发现在所有采样站点上干层之下。此外,在一些采样地点,盐水清晰可见,甚至涌出。一般来说,盐水是可见的在50 - 60厘米的深度。图3表明水分增加突然从第四(平均深度为40厘米)的五样例(50厘米)的平均深度,计算从表面到基地在每个采样的坑中。第四和第五的位置样本都不是固定不变的,因为每个样本网站都有其特定的地下条件。前四个样本的平均湿度约2%,但第五样品的水分增加到至少10%。从中心到边缘的湖泊,湖泊沉积物中水分的变化在同一层位置不明显(6]。

SAR信号的散射机制,可以穿透探测地下目标的粗糙表面,因为顶层的介电性能较低,这表明衰减影响信号弱。通常,信号传播过程的各种影响不能被视为一个接一个。根据实际情况,可以简化结构通过突出的主要因素利用一个简单的模型或模型相结合的定量表征。在图4,垂下的努尔地下结构简化为一个两层介质层。底层的含水量接近饱和,介电性能意义重大,信号不能继续传播。因此,我们只考虑第二层和上面的部分为主要因素。

当信号到达顶部的界面,强大的表面会发生散射,因为粗糙的微貌。然后,传播效应顺序将允许部分信号传播到图层1,吸收和散射体积可能减弱信号强度。这里,减少建模的复杂性,结合基于模型的旋光分解结果进行验证,只有吸收效应被认为是。衰减后,底部的信号到达界面,表面散射发生一次。注意,在视图的简单的删努尔沉积环境,底部界面的粗糙度不严重。评估同意探地雷达的结果,这表明地下界面更为顺畅。信号将不断传播到较低的层,但由于其显著的介电性能,特别是虚部,占衰减能力,没有强大的反向散射强度。总之,只在界面顶部和底部表面散射和吸收衰减的散射机制被认为是垂下的努尔(6]。基于上述测量参数和分析,在这项研究中使用的两层结构。具体如图散射机制4。

基于理论Lasne et al .,这两级结构,上层土壤干层和地下盐水层将copolarized PolSAR相位差的图像。接下来,我们将简要介绍这一理论。

整个复杂的背散射信号的SAR相干的贡献之和和底部表面,可以写成

每一项所描述的振幅和相位。方程1可以表示成两个向量的和如图5我们可以设置一个阶段的起源阶段与砂层有关是零。我们可以表达HH和VV极化

用一些近似,我们可以假设HH和VV背散射信号的相位底部接口是一样的:

这个阶段仅仅是一个函数的距离的入射波通过砂层的厚度: 与的剩余部分除以。

然后,总背散射信号的相位在图5可以表示为 我们可以获得HH和VV信号之间的相位差

在[18]Lasne等人发现,相位差增加上覆砂的厚度。在同一篇文章中,他们使用了一个基于IEM的分析方法,由冯提出(24,25),再现了HH和VV信号之间的相位差砂层厚度的函数。使用这种分析我们发现,我们的研究区域与他们有相似之处。在本文中,我们将介绍这一理论研究垂下的努尔地区地下含水层。

Lasne等人的研究区域是一个两层结构组成的一层干燥的沙子和湿paleosoil层,这是一个相对简单的结构。在他们的研究领域,相对较弱的表面会发生散射表面的第一层干燥的沙子。然后,衰减后的一些信号将到达第二个wet-paleosoil层,和相对强劲的表面散射发生在这一层。如图4,当SAR信号传播在垂下的努尔的表面,表面形态非常粗糙界面的第一层,和表面散射将发生在粗糙表面(包括单个和多个散射)。由于低介电性能的第一层(干燥),能源将传播到第一层的一部分。在这个过程中,我们必须考虑衰减的影响。到信号时,界面层2和1之间,会有一个表面散射效应由于两层之间的介电性能的差异。上面描述的过程和结构适合Lanse等理论的应用。然而,由于特殊的结构和化学垂下的努尔表层和次表层的土壤,这方面经验表面,二面角和体积散射。因此,我们必须使用基于模型的旋光分解方法计算copolarized相位差对应表面散射机制。

2.2.2。基于模型的偏振目标分解

有一个理论之间的关系copolarized相位差的表面散射和土壤干层的厚度。在垂下的努尔的两层散射机制干沉积物特殊和复杂的。这个地区有单个和多个从上层土壤表面散射,从地下一层表面散射,和二面角,体积,和其他散射机制。的相位差提取表面散射的贡献我们应用经典Freeman-Durden分解方法。Freeman-Durden分解技术拟合物理基础,三分量的散射偏振SAR观测机理模型,不使用任何地面真值测量(26,27]。它分解目标协方差矩阵满足反射对称的三个组件。Freeman-Durden分解的优点是,它是基于雷达后向散射的物理机制及其结果很容易对应于典型的散射机制。是非常实用的应用程序。

我们考虑相位信息的二面角和表面散射机制。总协方差矩阵表示为三个矩阵之和占体积的贡献、表面,反,正如弗里曼和歌顿提出的:

Freeman-Durden分解的第一个组件由一阶布拉格散射体表面建模略粗糙表面散射的正交偏振分量可以忽略不计。本文之间的相位差HH和VV后向散射模型包含任何传播延迟H和V从雷达散射和回28,29日]。散射矩阵对布拉格的表面形式 在哪里是当地的入射角和是表面的相对介电常数。

这个散射矩阵收益率表面散射协方差矩阵作为 在哪里对应的一跃散射的贡献组件,和。

double-bounce散射分量被从一个二面角散射角反射器建模,比如ground-tree树干后向散射,反射器表面可以由不同介电材料。垂直树干表面反射系数和分别对水平和垂直偏振。水平地面的菲涅耳反射系数和。模型可以更一般的整合传播的因素和,复杂的系数和代表任何传播衰减和相位变化的影响。因此double-bounce散射的协方差矩阵 在哪里对应的double-bounce散射的贡献组件,

从森林的树冠体积散射建模为随机取向cylinder-like散射的贡献从云。然后,我们假设关于雷达的散射是随机的方向与角度看从垂直极化方向和方向角的概率密度函数被认为是统一的()。体积散射平均协方差矩阵因此,由 在哪里对应于体积散射分量的贡献。

对于所有的后向散射的组件,它是假定后向散射是互惠的。它也表明,像和正交偏振的回报是不相关的。考虑到之前的注意事项,主要的元素矩阵可以分解

现在我们可以直接估计体积散射的贡献。可以减去从体积的贡献,,条款,留下三个方程和四个未知数。根据van Zyl [30.),然后解释是否double-bounce表面散射是剩余的主要贡献,基于的实部的迹象。如果是正的,我们推断出表面散射是主导和修复。如果是负的,我们知道double-bounce散射是主流和修复。然后,和或可以从剩余估计雷达测量。我们的大部分地区是正的,这表明主要贡献是表面散射。因此,我们可以计算出来和。然后,copolarized相位差可以表示为表面的散射机制

3所示。结果与讨论

检索盐水层深度、copolarized相位差的表面散射的贡献使努尔必须首先计算。由于特殊的结构和化学垂下的努尔表层和次表层的土壤,有几种不同的散射机制。提取并计算表面散射机制和相应的copolarized相位差,我们使用基于物理的极化分解方法。近年来,基于模型的极化散射分解方法获得了更多的关注,因为我们可以建立一个对应其分解结果和具体的散射机制。这也很容易理解和应用。

我们计算的copolarized相位差信息删努尔湖盆使用Freeman-Durden分解节中描述2.2。2。相位差是由于砍伐努尔湖流域的两层结构。图6显示copolarized相位差的分布从表面散射的贡献在垂下的努尔湖地区。我们可以看到显著的变化copolarized相位差在湖里区,也分布在一个环的形状在古代湖垂下的努尔地区。

基于研究Lasne et al .,地区,有一个两层结构(一层湿土壤覆盖的干砂层),之间存在高度相关的深度地下介质层和copolarized相位差。在一定范围的干层的深度分布,copolarized相位差增加地下湿层的深度。垂下的努尔湖泊盆地也有两层散射的结构。有重大改变土壤的介电特性下土壤干层的厚度小于一米,这表明它有wet-dry改变界面。研究之间的关系copolarized相位差由于表面散射和盐水层的深度在垂下的努尔地区,我们在2013年进行了详细的实地调查。总共32从湖地区获得的采样点。采样点的位置和红点标记在图1。图7显示结果的线性适合copolarized之间的相位差和盐水层深度在同一采样点。一个图像的ALOS-PALSAR偏振数据(l波段,quad-polarization 23.9°入射角为5月6日,2009)使用。我们发现copolarized相位差有良好的相关性与地下盐水层深度、RMSE值和分别为4.1厘米和0.82。

基于建立的关系图7和使用基于模型的提取copolarized相位差Freeman-Durden分解删努尔地区,我们计算的盐水层深度线垂直条纹。反演结果如图8。roi(感兴趣的区域)的垂直条纹,被均匀分布在中心湖岸边。我们可以看到显著的波动地下盐水层的深度沿着湖的岸边。一般来说,地下盐水层深度增加从中心湖的岸边,这是符合的一般进化湖撤退的进步。然而,图8显示了三个地下盐水层深度剖面的异常区域,黄色框所示。如果水提取过程是连续的,然后提取的深度剖面的盐水层应该有一个持续的趋势,和图中不会出现异常区域。

枯竭后的过程中,形态的痕迹删努尔湖的组合化学淀积的结果上表面和地下盐水入侵水沉积。首先,它需要引入表面盐结皮的演变。早期湖退,剩余的水形成的原型表面盐结皮在短的时间内。然后,上表面变得干燥机,盐水入侵的上层土壤毛细管作用在近地表行动结晶。接下来,地下卤水上升到地下和经验结晶。然而,由于上层的压力,盐水水结晶的位置不断减少。当它达到一定深度,上层的压力,力从盐水水结晶将平整,没有太多对上部和下部土壤结构的影响。这将增加的水平压力,最终将形成一个致密层,持有它下面的水的影响,最后是地下将干态和湿态之间有明显的界面。此外,环的形成应该分析湖的纹理,其撤退的痕迹。SAR图像的明亮的条纹相对干燥的时期形成的。 During this time very little water flowed into the lake and it retreated very quickly. The brine salt precipitation in the surface and underground has a joint effect on the formation of the bright stripes. The dark stripes formed during a sudden increase of the surface water in the lake, as it partially submerged the bright striped-regions that had formed before, namely, in the middle of a large lake retreat cycle; due to a temporary abrupt climate change, there will be several reciprocate cycles. Such sudden flood or climate events do not last long in general, after which there will be a rapid withdrawal process. Because of the short duration, it is assumed some of the salts up to the wet and dry interface will be lost. However, the dense interface between the wet and dry will not be affected. Therefore, the pressure from the layer above the wet and dry interface will be reduced, because of the force of the underground brine water, and the wet and dry interface in subsurface will be further uplifted. After this process a dark stripe will form, and its boundary between the bright stripes is clearly visible.

垂下的努尔地区的卫星图像显示光明与黑暗,大约同心环结构。这些环条纹宽度和不同有时堆叠。“大耳朵”,由环形纹理,垂下的一个最显著的特点是努尔在遥感图像。环状条纹提供了不同的解释。虽然观点不同,很明显,每个环结构的标志删努尔湖边境气候时期。地下盐水层的深度在垂下的努尔湖区域如图9。地下盐水层的深度地图也有环结构,这是符合常识。

然而,使用反转映射,我们发现地下盐水层的深度是不同的在每个环条纹(更深层次的在东北)。这是相反的正常过程湖岸撤退。在一般湖岸撤退的过程,一个环条纹形成的不同部分在同一时期,可能有相同的地下盐水层深度。这种现象可能是由于风应力的影响,为王等人提出的。31日),因为有一个流行的删努尔地区常年向东北的风。特别是在春天,风速度是40 m / s。因此,在湖撤退的过程中,有时删努尔的东北部是覆盖着水。由于强烈的蒸发在这部分,表面的水将会收集更多的结晶盐。湖泊干涸后,上表面盐度的扩张变得更强,这是困难的地下卤水水上升和结晶,导致地下干态和湿态界面深度的增加。湖的西南方向的环纹没有了水和将经历正常的结晶过程。因此,地下盐水层的深度的分布是相对较低的湖的西南方向。在图这一现象尤其明显9。

4所示。结论

基于现场调查和实验室分析,我们研究了土壤的介电性能和结构层垂下的努尔湖地区,地下潮湿和干燥的界面层被认为存在不同的介电性能。然后我们简化结构的土壤在垂下的努尔湖到一个两层的介质。第一层的材料成分不均匀,与一些纯盐和盐混合层。第一层的含水量很低。第二层和下面的土壤很湿,含有大量的盐,和SAR信号无法穿透,继续传播。基于Lasne等人提出的理论和建立的两层结构,我们研究copolarized相位差的关系表面散射和干燥介质的厚度在垂下的努尔湖地区。表面散射copolarized相位差提取使用基于模型的旋光分解方法。通过分析25场采样点和提取的表面散射copolarized相位差,我们发现了一个很好的线性相关性测量地下盐水层深度和copolarized相区别0.82。这表明地下盐水层深度的反演copolarized相位差是可行的。

在此基础上,我们计算了copolarized相位差和地下盐水层深度整个湖地区。通过分析地下盐水层深度的分布,我们发现介电层深度有一个总体趋势越来越地下卤水混合层深度的中心湖的岸边,这是符合已知的湖模式撤退。我们发现三个异常区域的地下盐水层深度,表现为突然加深介电层的深度。这可能主要是由于突然注入大量的洪水,这表明一个临时的枯竭的回归周期湖。回归也可能造成某些气候过程和将会导致大的结构性变化的土层删努尔湖地区。我们已经详细讨论了这一过程的机制。使用估计深度图我们发现地下盐水层的深度是不同的在每个环条纹(更深层次的在东北)。这是相反的正常过程湖岸撤退。基于假设的进化表面盐结皮和风压力因素,理论上我们能够解释这个现象。

遥感具有研究地质现象在大空间范围内。我们已经证实表面模式和具体的地下参数,如盐水层深度,与古气候变化的过程。给定的古气候意义删努尔湖和基于SAR探测的能力结构和化学参数在地下一层,垂下的努尔的历史演化过程的重建将是未来研究的一个有趣的话题。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者想表达的匿名评论者的衷心的感谢。这项工作是由中科院知识创新项目(kzcx2 - ew - 320),中国国家自然科学基金(U1303285 41431174, 41431174, 41431174, 41301394, 41301464),该基金的遥感科学国家重点实验室(Y1Y00201KZ) IRSA / ca (Y3SG1900CX Y1S01200CX)和行业应用项目(05 - y30b02 - 9001 - 13/15 - 03)。

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