鉴于水文要素具有显著的时空变异性，将水文学视角与GNSS高时频观测方式进行显式整合至关重要。传统GNSS水文大地测量学主要聚焦陆地水储量变化监测，而传统GNSS遥感技术则广泛适用于涵盖水文的各类环境监测场景。这种学科分野的局限性，迫切需要我们精准界定“GNSS与水文学”这一交叉研究的边界。为此，本文创新性地提出了“GNSS水文学”（GNSS Hydrology）这一概念框架，以期为水文学研究注入新活力，供学界探讨指正。
导 读
传统卫星遥感和地面观测手段较难兼顾时空分辨率与监测成本，因此很难反映出地球水文变量的高度时空变异性。近年来，全球卫星导航系统（GNSS）技术凭借其低成本、高时频等独特优势，正逐步成为描述全球及区域水文变量时空动态过程的绝佳工具。目前相关研究主要分布在两大领域：GNSS水文大地测量（GNSS Hydrogeodesy）与GNSS遥感（GNSS Remote Sensing）。但是，上述两个领域的研究成果尚未在水文学研究及应用中形成统一的框架。为此，我们提出“GNSS水文学（GNSS Hydrology）”这一新兴交叉方向的概念框架，从方法论层面构建一个统一的GNSS水文学研究框架。
图1 GNSS水文学（GNSS Hydrology）的概念框架：概括三个分支的核心属性，包括概念边界、观测量、基本公式及目标水文变量（非穷举列表）。
GNSS水文学概念框架深度融合GNSS水文大地测量与GNSS遥感技术的原理，并突出GNSS技术在水文学中的核心能力。该框架重构原有按照应用领域的分类体系，聚焦GNSS信号及其与水文要素的相互作用，将GNSS水文学划分为三大分支——GNSS定位水文学（GNSS Positioning Hydrology）、反射水文学（GNSS Reflection Hydrology）和透射水文学（GNSS Transmission Hydrology），统称为GNSS-P.R.T.水文学，本文系统阐释了各分支的技术功能与独特应用场景。
定位（Positioning）：利用直射信号进行水文大地测量；
反射（Reflection）：利用地表反射信号表征水文特性；
透射（Transmission）：利用信号通过介质时的折射（Refraction）现象分析对流层、土壤或积雪层等介质水文特性。（‘透射’广义上包含了信号穿透大气、土壤或积雪等介质的所有行为，包括我们熟知的‘折射’；此处采用“透射”而非“折射”术语，以便从英文上更清晰区别于“反射”。）
基于此，我们正式提出“GNSS水文学”的三分支体系（图1）：
GNSS定位水文学（GNSS-P Hydrology）：通过地表形变监测反映水量变化，就像用“地壳的呼吸”来感知水的增减。
该分支与成熟的GNSS水文大地测量学基本一致，主要观测量为伪距和载波相位。其地球物理应用侧重于精确测量由多种地球物理现象引起的垂向与水平位置变化（位移）。这些位移数据与陆地水储量变化密切相关，可用于反演陆地水总量异常、地下水储量变化以及冰川积雪消融等季节性效应与长期趋势。其核心机制在于水文负荷变化引发的地表弹性/多孔弹性形变可直接转化为可测量的地表位移。
GNSS反射水文学（GNSS-R Hydrology）：通过地表反射信号捕捉水分动态，就像用“大地的镜面”来映射水的踪迹。
基于“反射是所有散射行为基础”的前提，该分支将GNSS反射的定义扩展至不仅包含传统GNSS-R（反射测量）的前向散射信号，还涵盖GNSS-IR（干涉反射测量）及其他散射现象。GNSS-R测高的主要观测量为载波相位，其余GNSS-R应用的主要观测量为信号功率；而GNSS-IR则主要利用信噪比（SNR）的相位、幅度和频率实现测高或介质物理属性测量。新兴的GNSS双基合成孔径雷达（GNSS-SAR）亦属此分支，但目前尚处萌芽阶段，主要应用于目标检测。该分支可测量土壤湿度、雪深、洪水淹没范围及内陆水体动态等水文变量。
GNSS透射水文学（GNSS-T Hydrology）：通过介质穿透信号解析水分结构，就像用“自然的X光”来透视水的隐秘。
该分支包含基于地基探测与星载GNSS掩星观测的成熟大气可降水量（PWV）探测，以及新近发展的利用透射信号的地表应用。PWV探测的主要观测量为伪距和载波相位，将信号的对流层路径延迟转换为PWV。陆地透射需配置两台大地测量天线：一台置于地面（或地下），另一台作为参考天线位于介质层上方。该配置的主要观测量除常规伪距和载波相位外，还包括信号功率衰减。其基本原理是通过测量信号与介质相互作用产生的路径延迟和衰减，获取积雪液态水含量、雪水当量（SWE）及土壤水特性等水文过程信息。
总结与展望
GNSS水文学这一创新性研究框架的建立为水文学界提供了一种科研新范式。同时该框架为基于当前GNSS水文技术发展现状设计的1.0版，未来可随领域进步动态调整与扩展。随着GNSS卫星星座的不断完善和新型传感器技术的发展，GNSS水文学有望在水资源管理、洪水预警、干旱监测等关键领域发挥越来越重要的作用，为全球水文研究开辟新路径，为应对全球气候变化带来的水安全挑战提供强有力的技术支撑。
责任编辑
周旭东 宁波大学
梁小龙 中国科学院沈阳生态研究所
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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675825001936
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第6卷第10期以Letter发表的“GNSS hydrology: Defining a new interdiscipline integrating GNSS hydrogeodesy and remote sensing” (投稿: 2024-12-13；接收: 2025-06-10；在线刊出: 2025-06-13)。
DOI:10.1016/j.xinn.2025.100990
引用格式：Wan W., Guo Z., Karegar M., et al. (2025). GNSS hydrology: Defining a new interdiscipline integrating GNSS hydrogeodesy and remote sensing. The Innovation 6:100990.
作者简介
万 玮，博士，北京大学地球与空间科学学院副研究员，北京大学地球观测与导航教育部工程研究中心副主任。长期从事“导航卫星反射遥感 (GNSS-R)”研究，实现导航卫星从“定位授时”到“遥感探测”的范式转变。在GNSS-R陆表环境探测理论、方法及应用方面取得创新性成果，并开拓性落地国家气象业务服务。主持国防重点项目任务2项、国自然基金面上2项、青年1项。发表论文80余篇，成果入选科技部《地球观测优秀应用百佳案例》，被中国气象局官网专题报道。担任国际大地测量协会IAG GNSS-IR工作组委员、科技部中欧GNSS-R联合工作组委员。获中国遥感应用协会青年女科学家奖、北京市科技新星等荣誉。
文章转自TheInnovation创新
