超干旱地区稀疏暴雨事件下土壤湿度变化与地表侵蚀的高分辨率遥感监测技术研究

为解决超干旱地区土壤湿度(SM)变化与地表侵蚀监测分辨率低、数据稀缺的问题，研究人员通过Sentinel-1C波段雷达干涉相干性与Sentinel-2多光谱影像，开发了CCD-DM、CCD-PCA和WICD-PCA三种技术，实现了45-105米空间分辨率的动态监测，并构建决策树指导方法选择。该研究为评估侵蚀热点、洪水风险及生态水文变化提供了新工具，成果发表于《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》。

　　

在全球气候变化背景下，超干旱地区（如阿拉伯半岛）的极端降水事件频率增加，导致土壤湿度(SM)和地表侵蚀过程发生显著变化。然而，现有微波辐射计和合成孔径雷达(SAR)观测的空间分辨率仅达千米级，且时间覆盖稀疏，难以捕捉暴雨引发的瞬态水文响应。这种监测空白限制了人们对沙漠生态水文和地貌演化的理解，也阻碍了洪水风险预警系统的构建。

针对这一挑战，来自卡塔尔环境与能源研究所的Jonathan C.L. Normand和Essam Heggy团队在《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》发表研究，通过整合Sentinel-1C波段雷达和Sentinel-2多光谱数据，开发了三种创新技术：基于时间序列相干性衰减模型的CCD-DM、基于主成分分析的相干变化检测CCD-PCA，以及结合多光谱水分指数的WICD-PCA。这些技术将监测分辨率提升至45-105米，并利用2017-2019年卡塔尔半岛四次暴雨事件的数据，首次系统揭示了SM变化与侵蚀的时空分布规律。

研究采用三项关键技术：1）CCD-DM通过建模渐进相干损失(?^G)与实测值对比，提取瞬态SM变化(?^T)；2）CCD-PCA利用干湿期相干影像的主成分分析，同时解译SM变化与侵蚀信号；3）WICD-PCA通过标准化差异水分指数(NDWI)和自动水体提取指数(AWEI)的PCA分析SM梯度。所有技术均通过SMAP土壤含水量和JAXA GSMaP降水数据验证。

研究结果部分，4.1节通过相干时间序列揭示：2018年10月暴雨导致相干性骤降0.1（?^S），显示地表侵蚀不可逆；而2017年3月等量降水因前期SM残留未引发侵蚀，证实SM含量调控径流阈值。4.2节显示CCD-PCAsme与WICD-PCA的SM变化图谱一致性达75%，且低粗糙度高裂隙区更易蓄水（PC3载荷-0.8）。4.3节通过CCD-PCAce发现三年侵蚀热点与单次风暴空间格局重叠，证实侵蚀信号主导长期变化。

讨论部分强调三项突破：1）决策树整合多技术，解决数据稀缺区监测难题；2）发现前期小雨事件通过增加残留SM可抑制后续暴雨侵蚀，为洪水防控提供新见解；3）相干时间序列可量化干湿循环(WD)次数，关联石膏溶蚀过程。该研究为超干旱区水文建模、浅层含水层补给评估提供了高精度工具，尤其在2023年利比亚暴雨灾害验证了技术的应急响应潜力。

结论指出，该方法突破了传统遥感千米级限制，首次实现百米尺度刻画暴雨驱动的SM-侵蚀耦合过程。未来通过扩大SAR星座网络，可进一步提升监测频率，服务于全球干旱区的水资源管理与灾害预警。