GNSS水文学：融合GNSS大地测量学与遥感的新兴交叉学科定义

《The Innovation》：GNSS hydrology: Defining a new interdiscipline integrating GNSS hydrogeodesy and remote sensing

为解决GNSS技术在水文循环研究中领域分散、应用局限的问题，研究人员开展了“GNSS水文学”这一新兴交叉学科的主题研究，提出了整合GNSS定位、反射和传输水文学（GNSS-P.R.T.）的统一框架，明确了各分支的技术角色与独特应用，为水文研究提供了多尺度观测新范式，对提升水资源监测与极端事件预测能力具有重要意义。

　　

随着全球气候变化加剧，精确监测水文循环过程已成为应对水资源短缺、洪涝灾害等挑战的关键。传统水文观测手段受限于空间覆盖范围和时间分辨率，难以满足全球尺度、高时效性的监测需求。全球导航卫星系统（GNSS）技术因其全球覆盖、高精度和实时性等优势，逐渐成为水文观测的重要工具。然而，GNSS在水文领域的应用长期处于碎片化状态：GNSS大地测量学（GNSS hydrogeodesy）主要关注通过地表形变反演总水储量变化，应用范围受限；GNSS遥感（GNSS remote sensing）则广泛用于大气和地表环境监测，但水文应用仅是其中一部分。这种学科分野导致GNSS的水文观测潜力未能被系统整合和充分发挥。

为了打破这一壁垒，北京大学等单位的研究人员在国际期刊《The Innovation》上发表了题为“GNSS hydrology: Defining a new interdiscipline integrating GNSS hydrogeodesy and remote sensing”的论文，正式提出了“GNSS水文学”这一交叉学科概念。该研究创新性地以GNSS信号与水文要素的相互作用为核心，构建了统一的理论框架，将GNSS水文应用明确划分为定位水文学（GNSS-Positioning hydrology）、反射水文学（GNSS-Reflection hydrology）和传输水文学（GNSS-Transmission hydrology）三大分支，合称为GNSS-P.R.T.水文学。这一框架为整合多平台、多尺度的GNSS水文观测数据提供了理论基础，有望显著提升对土壤湿度、雪水当量（SWE）、可降水量水汽（PWV）等关键水文变量的监测能力。

研究主要基于对GNSS技术原理及其水文应用文献的系统梳理与整合分析，关键方法包括对GNSS信号传播路径（直射、反射、折射）的物理机制解析，以及对各分支主要观测值（如伪距P_i^G、载波相位Φ_i^G、信噪比SNR、反射信号功率P_r）与水文变量反演模型的关联性分析。研究还参考了已发射的GNSS遥感卫星任务（如CyGNSS, COSMIC）和地基观测网络的数据应用经验。

GNSS-Positioning hydrology

定位水文学本质上是GNSS大地测量学在水文中的应用。其核心是利用GNSS天线接收的直射信号，通过伪距和载波相位等观测值，高精度测量由于水文负载变化引起的地球表面垂直和水平位移（形变）。这些位移数据与陆地水储量变化紧密相关，使研究人员能够推断总陆地水异常、地下水储量变化以及季节性效应（如积雪积累和消融）。其物理机制主要基于地球表面对水文负载变化的弹性/孔隙弹性响应。

GNSS-Reflection hydrology

反射水文学扩展了GNSS反射的概念，涵盖了传统GNSS-R（Reflectometry）的前向散射、GNSS-IR（Interferometric Reflectometry）的干涉前向散射以及其他潜在的背向散射。其核心观测值多样：GNSS-R测高主要利用载波相位，GNSS-R其他应用利用信号功率，而GNSS-IR主要利用信噪比（SNR）。该分支能够测量土壤湿度、雪深、洪水范围和内流水体动态等多种水文变量。新兴的GNSS合成孔径雷达（GNSS-SAR）技术也属于此分支，虽然目前主要用于目标探测，但在水文监测方面潜力巨大。

GNSS-Transmission hydrology

传输水文学包括成熟的大气探测（地基大气探测和星载GNSS无线电掩星GNSS-RO）以及新发展的利用透射信号的地表应用。大气探测的主要观测值是伪距和载波相位，通过将对流层路径延迟转换为PWV等变量。地表透射测量则需要两个大地测量天线（一个置于介质内或介质下，另一个作为参考天线置于介质层上方），观测值包括传统的伪距、载波相位以及信号功率衰减。该技术通过测量信号与介质相互作用引起的路径延迟和衰减，为雪pack液态水含量（LWC）、雪水当量（SWE）和土壤持水特性等次表层水文过程提供详细见解。

研究表明，GNSS-P.R.T.水文学框架内的三个分支并非孤立，而是可以相互补充和融合。例如，GNSS-R和GNSS-Transmission技术可以从不同分辨率测量同一变量（如土壤湿度）。搭载GNSS-RO和GNSS-R载荷的商业星座（如SPIRE, Tianmu-1）的出现为这种融合提供了平台支持。此外，大地测量型GNSS接收器可以为所有三个分支做出贡献。该框架基于当前GNSS技术发展水平，未来可随技术进步而调整和扩展。

研究结论强调，GNSS水文学作为一个统一的学科范式，能够充分利用其多平台下的多时空分辨率优势，与其他水文研究方法（如微波辐射计、SAR）协同工作。通过数据同化技术，GNSS水文学产品可直接集成到水文和地表模型中，显著改善模型的初始化、校准和验证过程。这种多尺度观测的协同作用，能够提升关键水文过程时空表征的准确性，从而促进水资源可用性、洪水风险、干旱监测和气候影响评估的预测能力。GNSS衍生数据集的可靠性对此类集成至关重要，并将推动仪器设备和建模方法的进一步发展。总之，GNSS水文学框架的提出，为应对复杂水文挑战提供了一个充满潜力的新兴交叉学科方向。