利用ICA方法提取奥卡万戈三角洲水储量变化信号.docx
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2022-11-29
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水资源一直是影响人类生产生活和社会发展的重要资源之一。作为全球水循环的重要
组成部分
[1]
，研究区域性陆地水储量变化可以更好地了解一个地区的水储量变化特点，这
可为研究干旱、洪涝等极端自然灾害现象提供更好的帮助。奥卡万戈河是非洲第 4 长河，
全长约 1 600 km，发源于安哥拉中部并流向东南，最后注入博茨瓦纳北部卡拉哈里沙漠，
形成全球最大的内陆三角洲奥卡万戈三角洲，流域总面积达 800 000 km²，，其支流众
多，流域内动植物资源丰富，奥卡万戈三角洲是全球最原始的湿地之一，也是博茨瓦纳境
内重要的旅游资源之一。现阶段，中国提出要大力加强与非洲的合作，由于目前博茨瓦纳
等国家都面临水资源紧缺问题，因此研究奥卡万戈三角洲地区的水储量变化，有利于人们
了解其水循环的特点，避免人们胡乱开采当地水资源导致三角洲遭到破坏，也为保护该地
区水系资源可持续发展提供基础资料。考虑到流域附近水域众多，为避免其他水域水储量
变化信号的相互混叠，本文利用独立成分分析（independent component analysis，ICA）
方法将整个区域的质量变化信号分解为相互独立的成分，尽可能避免相互影响，从而为具
有多种水储量变化信号混叠区域的水储量变化研究提供帮助。
2002 年发射的重力恢复与气候实验（gravity recovery and climate experiment，
GRACE）重力卫星为全球质量迁移和重分布提供了较大尺度的直接观测方法，国内外众
多学者将 GRACE 卫星数据广泛应用于区域性陆地水储量变化及全球海平面变化等方向的
研究当中，并取得了很多成果。Tapley 等
[2]
利用 GRACE 实测数据成功监测到亚马逊流域
的陆地水变化；Swenson 等
[3]
利用 GRACE 数据计算了里海水储量变化，并结合外部数据
验证了 GRACE 时变重力场模型研究水储量变化是可行的；李琼等
[4]
利用 GRACE 数据成
功探测出了 2010 年中国西南干旱时期陆地水储量变化；冯伟等
[5]
、李圳等
[6]
、苏晓莉等
[7]
、束秋妍等
[8]
均利用 GRACE 数据分析了华北平原的地下水储量变化特征；李武东等
[9]
、
姚朝龙
[10]
利用 GRACE 数据分析中国天山地区的水储量呈下降趋势；卢飞等
[11]
利用
GRACE 数据计算了中国地区陆地水的变化；Andersen 等
[12]
利用 GRACE 和 GLDAS 数据
计算分析了奥卡万戈三角洲 2003—2007 年的水储量变化，得出该地区水储量呈增加趋
势。
利用 GRACE 数据计算所得的水储量变化信号带有噪声，国内外学者常利用数据滤波
和信号提取来削弱噪声影响。对于信号提取方法除传统的多项式拟合外，使用较多的是主
成分分析（principal component analysis，PCA），其原理是通过数据降维来提取变量场
中的主要信号。Awange 等
[13]
利用 PCA 探测了埃塞俄比亚 2003—2011 年的水储量变化特
点；Frappart 等
[14]
利用 PCA 方法成功探测出南美洲发生洪涝、干旱等极端自然灾害的变化
规律。虽然 PCA 在主要信号提取分析方面具有一定的优势，但其所提取出的主成分表现
为不相关，并不能将信号分解为相互独立的分量
[15]
。为了加强分解效果，应在 PCA 的基础
上加入高阶矩，尽可能将信号分解成为相互独立的分量 ICA。近年来，利用 ICA 方法分析
水储量变化也取得了一系列成果。Forootan 等
[16-17]
利用 ICA 方法结合 GRACE 等多种数
据，分析了西非地区和澳大利亚的水储量变化；文汉江等
[18]
利用 ICA 方法分析了青藏高原
地区陆地水储量变化。
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