“黑河流域生态-水文过程综合遥感观测联合试验”（简称“黑河生态水文遥感试验”，英文名称Heihe Watershed Allied Telemetry Experimental Research，简称HiWATER），是围绕基金委“黑河流域生态-水文集成研究”（简称“黑河计划”）中的核心科学目标，以黑河流域已建立的观测系统以及2007～2009年开展的“黑河综合遥感联合试验”成果为基础，联合多学科、多机构、多项目的科研人员，将要于2012～2015年在黑河流域开展的一次卫星和航空遥感及地面观测互相配合的多尺度综合观测试验。

试验的总体目标是显著提升对流域生态和水文过程的观测能力，建立国际领先的流域观测系统，提高遥感在流域生态-水文集成研究和水资源管理中的应用能力。其中，在基础观测方面的具体目标包括：（1）建立支持流域科学研究和水资源综合管理的流域观测系统。（2）精细观测流域水循环各分量，获取水循环各分量的多尺度观测数据。（3）获取理解内陆河流域生态系统动态变化的多尺度观测数据。在遥感产品和真实性检验方面的目标包括：（4）在综合试验基础上，制备一套支持流域-生态水文集成研究的高精度遥感产品。（5）开展真实性检验试验，验证遥感模型及遥感产品。在应用方面的目标是：（6）将综合观测数据和遥感产品用于上游寒区分布式水文模型、中游地表水-地下水-农作物生长耦合模型、下游生态耗水模型，通过实证研究提升遥感在流域生态-水文集成研究和水资源管理中的应用能力。

“黑河生态水文遥感试验”在黑河流域选择3个重点试验区开展加强和长期观测试验。选择黑河上游干流流域作为寒区试验区，在流域、八宝河子流域和葫芦沟小流域三个尺度上开展试验研究；在中游的人工绿洲－河岸生态系统－湿地－荒漠复合体内，选择两个典型的灌区:盈科灌区和大满灌区以及平川灌区作为中游人工绿洲试验区；在下游沙漠戈壁－额济纳胡杨林－戈壁－尾闾湖区，选择额济纳核心绿洲至西北方向的乌兰图格嘎查为下游天然绿洲试验区。拟在2012年～2014年在3个试验区各开展为期1个完整年度的加强试验。加强试验将在2012年到2013年首先从中游展开，全流域持续观测期从2013年到2015年，航空遥感数据获取主要在2012年夏季。

“黑河生态水文遥感试验”由基础试验、专题试验、应用试验、产品与方法研究和信息系统组成；同时，将与“黑河计划”项目及其他有关项目互相配合，开展联合观测，优势互补，共同形成流域观测系统，共同开展应用研究。基础试验是以建设观测系统，提供基础数据，提升观测能力，发展观测方法为目标的观测试验。专题试验是针对特定的水文或生态过程，而组织开展的综合性加强试验。目前，已设计了蒸散发专题试验，但在”黑河生态水文遥感试验”执行期间，还将根据特定的科学目标，组织开展土壤水分等其他专题试验。应用试验的目标是针对流域上、中、下游各具特色的生态-水文过程，以综合观测试验为手段，检验和标定生态-水文模型，实证遥感产品和其他观测数据在流域生态-水文集成研究和水资源管理中的应用能力。产品与方法研究是在基础试验、专题试验和应用试验的支持下，开展全流域生态-水文关键参量遥感产品生产，发展尺度转换方法，开展多源遥感数据同化研究。同时，建设试验信息系统，收集、管理和发布试验数据。

“黑河生态水文遥感试验”由国家自然科学基金委员会“黑河流域生态－水文过程集成研究”重大研究计划“黑河流域生态-水文过程综合遥感观测试验”重点项目群和中国科学院西部行动计划三期项目“黑河流域生态-水文遥感产品生产算法研究与应用试验”联合资助。由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、北京师范大学、中国科学院遥感与数字地球研究所组织实施。

试验首先从中游展开

中游加强试验于2012年5月至9月开展，共有来自29家单位，276名科学家、研究生和工程技术人员参加了中游试验。经过5个多月的加强试验，建立了国际领先的通量观测矩阵和密集的生态水文无线传感器网络，获取了完整的通量观测数据，揭示了绿洲与荒漠生态系统蒸散量的空间差异。搭载成像光谱仪、激光雷达、热红外成像仪、微波辐射计，开展了18个架次，总计约90小时的航空遥感任务，完成了中游加强试验的各项观测任务，获取了一套支持流域生态、水文、遥感研究的关键数据集。

建成了通量观测矩阵

黑河流域中游张掖地区构建的30 km×30 km、5.5 km×5.5 km两个嵌套的通量观测矩阵于2012年6月25日正式启动。其中30km×30km的大矩阵由张掖绿洲的大满超级站以及绿洲周边神沙窝、花寨子、戈壁与湿地4个普通站组成，其下垫面涉及绿洲农田、沙漠、荒漠、戈壁和湿地等，代表黑河流域中游主要土地利用/覆盖类型。超级站配备1套气象要素梯度测量系统（辐射与土壤热通量、风温湿与C02浓度梯度、土壤温度与湿度廓线等）与2层的涡动相关仪，4 个普通站各配置1套自动气象站与1台涡动相关仪。在绿洲区域5.5km×5.5km小矩阵内，根据作物结构、防护林走向、村庄与道路分布、土壤水分与灌溉状况等划分成17个小区，每个小区内架设1台涡动相关仪和1套自动气象站，有4组共8套大孔径闪烁仪观测矩阵内MODIS像元尺度的通量。另外还利用稳定同位素技术开展土壤蒸发与植被蒸腾的分割观测，采用热扩散液流测量系统（TDP）观测树木蒸腾量。

如此高密度、高强度、三维的通量观测矩阵在国内尚属首次，在国际上也很少见。它的建成将对揭示绿洲-荒漠系统水热交换的动态特征以及平流效应的定量评估，研究绿洲地表蒸散发的空间异质性及其影响因子，实现非均匀下垫面像元尺度蒸散发的获取等起到重要作用，也将为蒸散发遥感估算模型、通量尺度扩展方法的发展与验证，能量平衡不闭合相关机制的了解以及修正方法的发展等提供地面数据。

 

30km×30 km的大矩阵　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  5.5km×5.5km的小矩阵

建成了密集但优化的无线传感器网络

在黑河流域中游张掖地区黑河流域中游张掖地区5.5 km×5.5 km观测区，建立了总共由230个传感器节点组成的土壤温湿度和叶面积指数观测网络。该网络共包括四类传感器，分别是WATERNET节点50个（两层土壤温湿度4cm和10cm，其中30个配有红外地表温度4米，SoilNET节点50个（4层土壤温/湿度4厘米，10厘米，20厘米，40厘米），BNUNET节点80个（1层土壤湿度6厘米，3层土壤温度6厘米、10厘米和20厘米），BNULAI节点50个。

该网络主要是为了满足对土壤水分、地表温度及LAI多种分辨率遥感产品的真实性检验、灌溉优化配水试验及地表蒸散发的多尺度观测试验等研究需求。考虑中游矩阵观测区内的种植结构、灌溉单元及地表温度的时空变异（利用多时相MODIS和TM地表温度产品）等先验信息，利用异质表面均值估计方法（MSN）进行室内采样优化计算，在野外实地考察确定每个节点的可到达、点位是否适合安装仪器、通讯及用地协议是否达成等情况，最终选择一个理论上最优，实际中可操作的WSN节点布置方案。

无线传感器网络节点布置图

航空遥感试验

航空遥感试验的目标是发展流域生态水文集成研究所需要的关键的生态水文变量／参数的遥感方法，主要包括土壤水分（包括其冻融）、积雪面积、地表温度、发射率、叶面积指数、粗糙度、反照率、作物种植结构和植被冠层结构参数以及分布式水文模型所需要的高分辨率DEM等，以航空遥感为主要观测手段，搭载多种航空遥感传感器，如微波辐射计、成像光谱仪、激光雷达、热红外多角度相机等，提供一套高分辨率、高质量航空遥感数据产品，并与地面观测及卫星遥感相配合，获取一套多尺度的流域生态水文过程试验观测数据集，为内陆河流域生态水文过程的理解，模型的发展、改进和验证，地面台站观测和卫星遥感观测尺度转换，以及多尺度模型集成和应用研究提供基础数据支撑。

从2012年6月29日至8月28日，共开展航空遥感试验18个架次，总计约90小时飞行，获取了中游和上游多个测区的高光谱、多角度、LIDAR和微波辐射计机载数据。

航空热红外成像光谱仪（TASI）反演的河道温度

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  ----中国科学院寒区旱区环境与工程研究所遥感与地理信息科学研究室冉有华供稿