遙感技術在水文監(jiān)測中的綜合應用及其前景展望

司井丹

(黑龍江省水文局，哈爾濱150001)

遙感技術在水文監(jiān)測中的綜合應用及其前景展望

司井丹

(黑龍江省水文局，哈爾濱150001)

遙感技術具有周期短、信息量大和成本低的特點，為水文水資源的研究提供豐富的數(shù)據源。文章介紹了遙感技術在水文監(jiān)測洪水預報和控制、地下水、地表水管理、水質監(jiān)測等方面的應用，并展望了今后發(fā)展的方向。

遙感技術;遙感影像;水文;管理決策;前景展望

0 引言

遙感是泛指一切無接觸的遠距離探測，包括對電磁場、力場、機械波等的探測。遙感不同于遙測和遙控，它是應用探測儀器，不與探測目標接觸，從遠處把目標的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體的特征性質及其變化的綜合性探測技術。

遙感技術在水文工作中應用廣泛、尤為重要。遙感技術在降水、蒸發(fā)散發(fā)、水質(地下水質)、徑流、洪水過程實時動態(tài)監(jiān)測、水域面積的識別及流域水文模型中的應用和衛(wèi)星遙感技術水文監(jiān)測系統(tǒng)建設等多個領域應用廣泛。是提高水文信息采集、改革水文測驗方式，提高應急監(jiān)測能力，逐步形成駐測、巡測、調查、應急監(jiān)測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測相結合的多方式、多層次的水文監(jiān)測體系，是持續(xù)全省水文事業(yè)長足發(fā)展，不斷提高服務水平、拓寬服務領域的一項十分重大而緊迫的任務［1］。

近年來，伴隨著遙感技術的快速發(fā)展，遙感技術在水文水資源調查方面得到了廣泛的應用，特別是在長江流域水災監(jiān)測中，采用雷達成像，通過通訊衛(wèi)星實時傳輸?shù)絿曳篮橹笓]中心，及時提供洪水的淹沒范圍情況，從而獲得了準確災情數(shù)據，為抗洪救災決策和災情評估作出了重要的貢獻［2］。

1 監(jiān)測和預報

借助遙感對水文現(xiàn)象的監(jiān)測與預報取決于同一地點的圖像時間序列或多時相圖像的使用。并有圖像得到的地形與地面水文信息之間確定一種經驗關系，利用這種關系減少獲取困難卻價格昂貴的水文地面監(jiān)測數(shù)據。這種應用對隨季節(jié)變化的沼澤地區(qū)進行蒸發(fā)量估計和融雪徑流十分有效。

2 洪水預報和控制

洪水是人類面臨的最嚴重的災害之一。由于徑流，特別是就留水位不能直接由傳感器來探測時，就要用到遙感數(shù)據進行變換的數(shù)學模型，由遙感數(shù)據對降水量進行初始估計，獲取遙感數(shù)據，將這些遙感數(shù)據轉換成水文氣象相關的數(shù)據，再把降水量分布圖轉換成徑流水位圖，將這些徑流水位圖用于實時防洪控制中。遙感技術使得高質量的信息能夠用于實時管理決策［3］。這對一些水管理特別是以洪水和灌溉或以改善和控制水質為目的的大壩放水等決策是十分重要的;對洪水管理而言，其過程具有極強的動態(tài)性，對于僅僅持續(xù)幾個小時的甚至更短時間的洪水過程來說，遙感技術可以在5 min間隔期內獲取數(shù)據。洪水的預報有助于人們在洪峰到來之前采取行動，這樣可以阻止人員的傷亡并把洪水災害的損失降到最低程度。

3 地下水管理

基于非地面的微波傳感器具有一定的穿透能力，但是只有在滿足特定條件下，即被測量對象表面紋理粗糙、地形單一和地下水水位較淺時，才有可能測得真實數(shù)據。通過遙感技術可以對地表和地質概況建立三維水文調節(jié)點和區(qū)域地下水表層的估計，通過地下水水流體系，擴展概念化地下水模型［4］。

遙感技術的應用還可以就概念化的地下水模型，考慮將所有信息加以利用，討論模型參數(shù)達到的上限時如何使用遙感數(shù)據，即地下水補給、蒸發(fā)散失和用地下水灌溉的用水量估計。

選擇遙感技術進行地下水補給的主要原因是:遙感是評估地下水的空間分布的唯一方法;地下水的水質和水量已經成為一種稀缺資源，這種資源受到近地表條件的影響，特別是土地覆蓋類型和土地利用狀況的影響。遙感技術不僅可以了解區(qū)域水文，最重要的是可以在缺乏地形數(shù)據的地區(qū)采用遙感成像估計地下水補給量和地下水灌溉的需水量，以及便是只有最少地下水水文數(shù)據地區(qū)的水流系統(tǒng)。目前地下水研究中的遙感技術的實際應用仍采用定性分析方法，立體航空相片的圖像解釋、多光譜圖像和有源微波圖像，在編輯和更新水文地圖、繪制相對補給量方面都十分有用。

4 地表水監(jiān)測

遙感技術在估算各種形態(tài)水域面積和需水量的方面起著非常重要的作用，并對地表水域的定期遙感測量對判斷水域長期變化是很有幫助的。遙感所得數(shù)據除了核對地表水域各種特征進行直接估測之外，還可以作為模擬河水流量和湖泊水位的水文模型的輸出數(shù)據。

用遙感數(shù)據近紅外線和可見光可以方便簡捷地表示定位和確定邊界的問題。因為水對近紅外線和中紅外線的波長的能力吸收最多，該波段內的能量很少被反射;二植被和土壤對可見光波反射低，但對近中紅外線的光譜波段反射卻很高，可知根據紅外灰度圖或多光譜掃描圖上反射紅外線的光譜波段，水體顯現(xiàn)深色而與周圍對比多明顯的部分就是土壤和植被。

5 水質監(jiān)測

將遙感技術用于水質監(jiān)測源于20世紀70年代，使用電磁光譜的可見光和紅外部分測量光普差異，使用熱紅外測量水面的放射能量，建立光譜特性和水質參數(shù)之間的經驗關系。影響水質的主要因素是懸浮泥沙、含沙量、葉綠素、化合物、溶解有機物、有、農藥、營養(yǎng)物和熱釋放。懸浮泥沙、葉綠素、游街有機物和有在水面產生可見光和熱的變化會改變太陽能量光譜或水面的熱輻射，遙感技術可以測量這些光譜信號的變化，得出水質的變化。

遙感技術的優(yōu)勢在于具有能同時提供時間和空間方面的水質參數(shù)的能力，而這在實地測量中通常是得不到的。遙感使得景觀監(jiān)測可行、高效成為可能，還能識別具有嚴重水質問題的水體。這些水質參數(shù)通常可以用遙感技術量化的，從而制定出減少從流域到水體的物質轉移的管理計劃，以降低污染物對水質的影響。

地面和遙感測量的結合需要收集必要的數(shù)據，建立并校準經驗和半經驗模型，以及驗證更多的物理模型。由于水系統(tǒng)是動態(tài)和快速變化的，所以水中的物質是持續(xù)變化的。水養(yǎng)的位置應該用GPS確定，保證遙感數(shù)據的正確性，通常將3或5列像素取平均值得到所需的遙感數(shù)據，以便說明水體的動態(tài)特性，由于所有的水體都會產生不同程度的方式，大多數(shù)的陰影像素來自自然堂，這都可能導致過矯正，所以在水質研究中使用模糊像素技術應加以注意。因為反射率和輻射率主要是從水面測得，所以改進計算方法對估計水面布置非常重要。

水文科學的未來發(fā)展很大程度上取決于是否能夠獲得模型改進和校準所需的充足數(shù)據。遙感技術能夠并且應該在這個過程中發(fā)揮關鍵作用。如果不使用遙感技術，水文科學未來的發(fā)展即使沒有完全停止不前，也會受到嚴重的阻礙。如果遙感技術在水文科學中得到迅速的應用和發(fā)展，那么就能成功解決以前水文學和水資源管理中的一些難題。

隨著遙感技術的迅猛發(fā)展，多平臺、多時相、高分辨率的遙感技術不斷出現(xiàn)，遙感技術將在越來越廣泛的應用于水文水資源領域，并發(fā)揮著重要的作用，將常規(guī)方法和遙感技術相結合必將成為未來的發(fā)展趨勢。

［1］梅安新，彭望琭，秦其明，劉慧平.遙感導論［M］.北京:高等教育出版社，2001:37－41.

［2］呂國凱.遙感概論［M］.北京:高等教育出版社，1995:59－63.

［3］謝壽生.微波遙感技術與應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1987:36－39.

［4］張永生，王仁禮.遙感動態(tài)監(jiān)測［M］.北京:解放軍出版社，1999:97－101.

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1007－7596(2014)07－0241－02

2014－03－04

司井丹(1980－)，男，黑龍江雙鴨山人，工程師。