航空遥感包括以下试验内容：（a）开展激光雷达（LiDAR）、红外广角双模式成像仪（WIDAS）、成像光谱仪和CCD像机的航空遥感试验，利用激光雷达航空遥感获取葫芦沟流域的DEM，分辨率为1 m；结合激光雷达和航空高光谱遥感数据开展高分辨率植被功能型、土地利用、种植结构和植被结构参数制图，分辨率为1-5 m；发展和改进地表温度、发射率、叶面积指数、粗糙度、反照率、亚像元积雪面积比例等关键生态水文变量／参数的遥感反演和估计方法。（b）开展L, K和Ka波段微波辐射计航空遥感试验，获取高精度的亮度温度数据，研究多频率、多极化机载微波辐射计反演雪深和雪水当量的方法。研究利用机载微波辐射计反演地表土壤水分、监测地表冻融循环的方法；针对植被和地表粗糙度对微波观测的影响，发展和改进土壤水分反演方法。

依托黑河流域内现有的气象、水文站以及长期定位站，在上、中、下游试验区新建3 个超级站，新建8 个、改建4个、协同4 个普通站，形成由超级站-定位站-普通站-气象站-水文站组成的流域水文气象观测网。其中超级站开展连续3年的观测试验，普通站（16个）进行1个水文年的连续观测，同时收集3年的黑河流域气象站、核心水文站和3个定位站的水文气象观测数据。为流域有关生态-水文-大气模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。普通站的观测项目包括：四分量辐射、降水、多层土壤温湿度、风温湿压、地表温度、土壤热通量与平均土壤温度。超级站的观测项目在普通站的基础上增加：（a）多尺度蒸散发的观测（蒸渗仪、涡动相关仪与波文比系统、大孔径闪烁仪）；（b）风温湿梯度和光合有效辐射。图1是一个超级站布设示意图，其中，蒸渗仪、波文比系统、涡动相关仪、气象塔放置在观测场中间，大孔径闪烁仪的发射与接收器架设在两端，大孔径闪烁仪的光径路线长度大于1.5个MODIS像元，即1.5km以上，并且垂直于当地主风方向。大孔径闪烁仪的源区内设置无线传感器网络，观测影响蒸散发的关键地表参数传感器，如土壤温度、地表温度与叶面积指数等。在以上仪器配置的基础上，还将根据不同站的特点，增设观测仪器。如上游阿柔站以土壤冻融为主要观测目标，将布设密集的土壤湿度、温度和水势探头， 以细致了解冻融锋面迁移等土壤冻融—融化过程。为了提高降水量的测量精度，在中游大满超级站、上游阿柔超级站附近分别选取开阔平坦、阴坡和阳坡的位置，建立降水的对比观测场，对当前黑河流域使用的主要降水观测仪器进行对比，得到各种雨量计的降水校正系数。通过以上对比观测，评估降水的类型、雨雪量计的口径与型号、地形等对降水测量精度的影响；探索风环境对降水测量—特别是对降雪测量的影响。利用降水量对比观测结果对雨量计和雨雪量计观测结果进行校正。同时，依托无线传感器网络，获取多点的降水量观测值，实现高精度的区域降水量估计。黑河中游地表水和地下水多次转化是内陆河流域独特的水文现象。因此，在出山口冲积扇区段、灌溉渠系和供水系统，以及相应的水文地质单元区段设置径流观测。具体在中游草滩庄与黑河大桥之间、黑河大桥、平川桥、高台桥、罗城桥布设水文观测断面，加密观测黑河中游干流的河川径流。测量方案是利用水位计（压力式或超声波）测量连续水位变化；利用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）获得精确流量，建立水位—流量关系，最终利用水位估算出流量。

构建现代化的无线传感器网络，度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性；形成自动化的遥感真实性检验系统。将在黑河上游八宝河流域、中游盈科与大满灌区、下游额济纳旗三个试验区，以无线传感器网络为纽带，高效集成试验区内密集分布的、异构传感器的各种气象、水文及生态观测项目，建立自动化的、智能化的、时空协同的、各观测节点可远程控制的多尺度、多层嵌套的生态水文传感器综合观测网络，全面提高流域水文和生态过程的综合观测能力和观测自动化水平。开发基于web的无线传感器网络软件平台，实现对野外自动观测数据的统一传输和入库，以及对各种节点观测行为和仪器状态的远程控制。

获取用于航空和卫星遥感数据辐射定标、大气校正和几何校正所需的地面观测数据，支持遥感数据预处理。开展地基遥感试验，系统地获取黑河流域不同地表覆被类型的热红外波段发射率及积雪和冻土的微波辐射特征。针对关键生态-水文过程的航空和卫星遥感产品，依托传感器网络，并辅之以必要的地面同步和加密观测，获取用于遥感产品真实性检验的地面观测数据集。

开展针对性的综合观测试验，验证和标定包含了冻土过程的寒区分布式水文模型；通过航空-地面遥感试验验证复杂地形条件下的亚像元积雪面积比例产品算法，发展积雪面积和雪水当量之间的动态函数关系；以降水同化产品作为主要驱动之一，将积雪面积和土壤水分遥感产品同化到寒区水文模型中，改进山区径流——特别是春季径流的预报精度。寒区遥感水文试验主要在流域尺度和网格尺度进行。流域尺度试验在黑河上游、八宝河流域以及葫芦沟小流域开展: ①黑河上游试验区以获取时间和空间分布的积雪水文与冻土水文模型驱动为主要目标，模型参数以卫星遥感手段为主，验证数据主要为径流观测和遥感可反演／估算的表层水热状态变量；②八宝河子流域以获取高分辨率驱动、空间分布的模型参数（土壤和植被）、高密度的径流为主要观测目标；③葫芦沟小流域以获取高精度的驱动数据、模型参数、模型状态变量为主，获取积雪水文和冻土水文模型的发展、验证和改进所需的完整数据集。网格尺度试验：应对一维或网格尺度的积雪与冻土水热过程，分别建立积雪和冻土综合观测场。积雪试验场选择葫芦沟小流域内较为平坦的场地，以积雪积累与消融中的质量和能量平衡过程观测为重点，重点考虑积雪面积和雪水当量的空间变化；冻土试验场选择阿柔超级站，以土壤水热过程观测为重点，尤其是土壤的冻融循环过程。

在黑河中游围绕灌区尺度上的核心生态水文过程，结合地面气象观测站点、无线传感器网络以及航空和卫星遥感观测，开展综合地面观测获取灌区尺度的生态水文过程关键参量数据集；发展和改进地表水-地下水-农作物生长耦合模型，在植被类型分布、植被覆盖度、物候期、NPP、土壤水分等遥感产品的支持下，利用数据同化方法，将地表水－地下水－农作物生长耦合模型的应用扩展到灌区尺度，实现对灌区尺度水资源供需状况和农作物长势的实时监测和短期预测，在此基础上优化灌溉管理，提高水利用效率。观测试验方案将针对地表水-地下水-农作物生长耦合模型的需求，在不同尺度上开展模型驱动、参数和状态变量的观测。灌区水平衡是核心的观测目标。方案是：以灌区为空间单元，以农业年为时间单元，观测灌区水量平衡的各分项，包括灌区范围内的降水量、进入灌区的地表水灌溉水量、进入灌区的地下水测向流量、灌区内的蒸散发量、灌区内外的地表排水量和流出灌区的地下水测向流量、渠道蒸散发量。此外，还将系统地开展灌溉方式调查，主要包括灌溉的轮期、亩均灌溉量、田块的灌水深度、田块的沟垄高度、田块的下渗时间、灌溉水温等。同时，利用航空遥感获得高分辨率的渠系结构分布和作物种植结构遥感产品，为实现地表水-地下水-农作物生长耦合模型的尺度扩展提供基础数据。

开展生态耗水的多尺度综合观测试验，验证和标定从单株→冠层→群落→区域的蒸散发尺度转换方法；开展航空激光雷达遥感试验，获取尺度转换所需要的核心植被结构参数（树高、胸径、叶面积指数、植被覆盖度、植被类型等）；在遥感数据的支持下，精确计算河岸林生态系统耗水量。试验方案的核心是航空激光雷达遥感试验及生态耗水多尺度观测试验。其中，航空激光雷达试验的方案如图所示。在开展航空遥感的同时，将在核心观测区选择胡杨、柽柳分布比较密集的典型区域，布设多个胡杨和柽柳样方，进行地面同步观测，获取单株胡杨和柽柳的结构参数，包括树高、胸径、冠幅、生物量等，利用地面实测数据标定和验证航空激光雷达反演结果，最终得到下游河岸林生态系统植被结构参数。生态耗水多尺度观测试验的方案是：在核心观测区建立生态耗水加密观测场，观测破碎景观背景下的多尺度（单株、群落、冠层和区域）冠顶蒸散发和CO2通量动态特征。具体观测包括：①单株尺度植物蒸散发特征观测：利用树干液流技术动态监测植被蒸腾速率日变化特征；②冠层尺度碳、水通量观测：在典型植被样方和裸土样方上架设多套涡动相关系统和自动气象站，观测典型植被冠层及裸土蒸散发和CO2通量及微气候特征； ③区域尺度：架设LAS观测系统，观测胡杨、柽柳、裸土斑块异质下垫面条件下的平均蒸散发量。同时，在LAS和涡动相关仪源区内，利用无线传感器网络加密观测土壤水分和土壤温度。由此，形成从单株到冠层、群落、区域的立体观测场，为利用遥感估算蒸散发模型、陆面过程模型或生态耗水经验模型实现生态耗水的尺度转换，提供多尺度的标定和验证数据。

基于端元自动获取技术的非线性光谱混合分析模型，发展一种适用于黑河上游山区复杂地形条件下的MODIS积雪覆盖比例提取算法，形成规范化的算法软件，并制备500m分辨率的逐日积雪面积比例产品。利用ASAR全球模式后向散射数据和MODIS植被指数产品，发展监测地表土壤水分的时间序列变化检测算法，制备黑河流域1km分辨率的地表土壤水分遥感产品。以中尺度大气模型WRF为骨架，分两层嵌套同化被动微波遥感及多普勒雷达和地面降水观测资料，制备1-5km分辨率逐小时降水产品。在地面-航空-卫星同步试验的支持下，开展以上产品的真实性检验和质量评估。

针对黑河流域上中下游地形、植被类型和植被结构的差异，制备黑河流域的植被类型分布图，揭示黑河流域不同植被的物候变化特征，从而获取高精度的流域植被覆盖和净初级生产力等表征植被结构与生长过程的关键参数。主要研究要点包括：①利用高分辨率数据结合地面调查数据实现全流域的植被类型分布制图；②选用适合黑河流域的优化算法对已有的植被冠层方向性辐射模型和经验模型进行参数反演，并增加植被生长信息进行约束，根据数据空间分辨率不同，研究1公里的植被覆盖度产品生成算法；③建立时间序列的LAI/VI数据集，针对流域上中下游不同植被类型，研究相应的物候提取和表达方法；④在现有NPP算法基础上，针对黑河流域的特点，研究温度胁迫与水分胁迫因子的遥感提取方法，开展适合本区域的NPP算法应用研究。在算法研究基础上，开发形成标准化的参数产品生产软件，并制备全流域生态过程关键参量遥感产品，在地面-航空-卫星同步试验的支持下，开展以上产品的真实性检验和评估。

针对黑河流域生态-水文过程的多时空尺度转换理论与方法问题，研究关键生态-水文过程参量（雪水当量、土壤水分、反照率、叶面积指数、地表温度、发射率）多尺度时空异质性的数学描述与尺度转换理论，研究非均质像元遥感辐射传输模型的尺度效应机制与尺度转换理论，研究基于先验知识的多尺度地表参量遥感反演模型的尺度效应与尺度转换理论，研究多尺度定量遥感产品的尺度转换模型与多尺度真实性检验框架，发展这些参量的遥感反演尺度转换方法。

发展黑河流域陆面／水文数据同化系统，在流域综合模型的动力学框架内同化多源遥感观测以及其他观测资料，全面和准确地估计陆地水循环的主要分量和生态系统生产力各分量，生成全流域空间分辨率为1km、时间分辨率为1小时的同化数据集。

通过中欧“龙计划”项目及与国内外其他遥感机构的合作，免费获取多种高时空分辨率遥感资料。具体在二个层次上开展卫星遥感数据的获取：（a）配合基础试验、专题试验和应用试验的卫星遥感数据获取；（b）针对全流域遥感产品生产和为流域生态水文同化系统积累遥感观测数据源的卫星遥感数据获取。

高度重视数据的质量控制，实现全过程的数据质量管理。在试验前编写观测规范、完成人员培训、仪器比对与标定，建立无线传感器网络的数据自动综汇，实现数据的自动采集、传输、发布以及对各种观测节点的远程控制。在观测试验过程中，同周期完成数据的质量控制、元数据和数据文档制备以及大部分数据的入库；落实技术巡检和数据规范化措施。在试验后期完成数据处理、数据汇交、数据入库，并通过“黑河计划”数据中心发布与共享试验数据。