遙感技術(shù)在我國水文學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

甘 容 陶 潔

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省地下水污染防治與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；3.鄭州市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

水文學(xué)是人類從利用水資源開始，在長期水事活動過程中，不斷地觀測、研究水文現(xiàn)象及其規(guī)律性而逐步形成的一門科學(xué)，是地球科學(xué)的一個分支。水文學(xué)既包含基礎(chǔ)研究內(nèi)容，如水循環(huán)轉(zhuǎn)化機(jī)理及過程，也包括水文學(xué)應(yīng)用服務(wù)內(nèi)容[1]。由于客觀世界的復(fù)雜性、廣泛存在的不確定性以及人類認(rèn)識上的局限性，水文學(xué)仍有許多難點(diǎn)問題在理論上和實(shí)際應(yīng)用中未能很好解決。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究手段不斷改進(jìn)，水文學(xué)也在不斷發(fā)展之中。

遙感技術(shù)是指不直接接觸物體，主要依賴電磁波進(jìn)行信息傳遞，從遠(yuǎn)處通過探測儀器接收來自目標(biāo)地物的電磁波信息，經(jīng)過對信息的處理，在不與被研究對象直接接觸的情況下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程識別物體的技術(shù)。根據(jù)遙感平臺可將遙感分為地面遙感、航空遙感、航天遙感；根據(jù)電磁波譜可分為紫外、可見光、紅外、微波、多光譜遙感；根據(jù)電磁輻射能源可分為被動遙感、主動遙感；根據(jù)應(yīng)用目的可分為農(nóng)業(yè)遙感、林業(yè)遙感、地質(zhì)遙感及環(huán)境遙感等。

遙感技術(shù)改變了傳統(tǒng)獲取信息的方式，可以同時收集多種類型的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時上傳，工作周期短；且不受時間和地域的限制，使用范圍廣泛；依托于現(xiàn)代科技，減少了煩瑣的人工勞動，降低了成本，已成為現(xiàn)代探測與診斷技術(shù)之一[2]。遙感技術(shù)在水文水資源方面得到了很好的應(yīng)用，傅國斌等[3-4]探討了遙感技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用尺度問題及研究進(jìn)展；張煒等[5]闡述了遙感技術(shù)在現(xiàn)代水文學(xué)中的應(yīng)用。近年來，隨著我國科技水平的不斷提升，遙感技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在水文學(xué)中的應(yīng)用也有了長足的發(fā)展。對此，本文在廣泛閱讀2017—2018年相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理了中國近年來遙感技術(shù)在水文學(xué)的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 遙感技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用

1.1 水域及土地利用變化中的應(yīng)用

1.1.1 水域面積的識別

水體的反射特征與植被、裸地等其他地物有所差異，使其在遙感影像圖中容易辨識。在具體應(yīng)用中主要分為3個方面：

a.基于遙感的水體信息提取，偏重于方法上的應(yīng)用創(chuàng)新。地表水體同建筑物、山體等在光譜特征上，有一定的類似性，在用遙感影像提取時容易出現(xiàn)混淆，針對這個問題可以采用一種基于面向?qū)ο蠛腿斯し淙旱牡乇硭w提取方法，利用DEM與遙感綜合、簡化的脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、稀疏表達(dá)方法等方法，可以提高水體提取精度。

b.通過不同時期的遙感監(jiān)測，得到不同時期的水域面積，進(jìn)而探討水域面積動態(tài)變化時空特征及影響因素。此類研究文獻(xiàn)較多，一些學(xué)者基于遙感數(shù)據(jù)，分別開展了不同時期武漢市、云貴高原、青海湖湖泊水域面積動態(tài)變化的遙感監(jiān)測與分析。

c.城市不透水面估算。主要進(jìn)展為基于遙感數(shù)據(jù)，提出了采用隨機(jī)森林模型與支持向量機(jī)模型對城市不透水面進(jìn)行更為精確的提取和估算[6]。

1.1.2 土地利用變化

土地利用/植被覆蓋是土地資源規(guī)劃及管理的信息保障，是區(qū)域環(huán)境與氣候研究的基礎(chǔ)。遙感技術(shù)是提取土地利用/植被覆蓋的重要手段。近年來的研究主要分為兩個方面：

a.提取方法。通過對比研究，提出了采用最大似然法、時間序列HJ衛(wèi)星數(shù)據(jù)與面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?，基于物候參?shù)和面向?qū)ο蠓▉硖崛⊥恋乩?植被覆蓋信息。

b.擴(kuò)展應(yīng)用?；谶b感影像數(shù)據(jù)，在獲得土地利用/植被覆蓋的基礎(chǔ)上，部分學(xué)者開展了時空變化特征、喀斯特地貌景觀格局、生態(tài)輸水影響、生態(tài)服務(wù)價值測算、氣候變化的響應(yīng)、森林景觀格局穩(wěn)定性、城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張、沙漠化分析研究。

1.2 水循環(huán)及水文模型中的應(yīng)用

1.2.1 降水

降水是流域水循環(huán)過程及水量平衡的重要環(huán)節(jié)，也是水文氣象的重要因素。與氣象站觀測降水?dāng)?shù)據(jù)相比，遙感降水產(chǎn)品能夠更好地反映降水的空間分布特征，且能彌補(bǔ)無氣象站實(shí)測資料的缺憾。由于遙感降水?dāng)?shù)據(jù)存在很大的不確定性，需要通過一定的方法進(jìn)行校正后才能使用，也可以與研究區(qū)的實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對比，評價其效果。近年來關(guān)于遙感技術(shù)在降水應(yīng)用中取得的進(jìn)展，主要體現(xiàn)在對不同數(shù)據(jù)源的遙感降水產(chǎn)品的精度及適用性的評價研究。另外，還體現(xiàn)在對遙感降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理的方法方面，如降水?dāng)?shù)據(jù)的降尺度研究、復(fù)合校正方法、反演與驗(yàn)證研究。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，可以應(yīng)用多參數(shù)雷達(dá)遙感監(jiān)測區(qū)域?qū)崟r降雨強(qiáng)度，進(jìn)而應(yīng)用到城市內(nèi)澇防治體系、城市雨洪等方面。

1.2.2 蒸散發(fā)

蒸散發(fā)是水循環(huán)過程的重要組成部分，影響著水體、土壤、植被和大氣之間的水量交換。大尺度上的實(shí)際蒸散發(fā)不能被直接觀測，遙感技術(shù)也不能直接得到蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，但是可以通過對相關(guān)遙感數(shù)據(jù)的處理，借助一定的方法和模型估算反演得到區(qū)域蒸散發(fā)量。如可采用地表能量平衡原理、SEBS模型、隨機(jī)森林算法等進(jìn)行長時間序列的蒸散發(fā)量監(jiān)測和反演。

1.2.3 冰雪水文

冰川和積雪是重要的淡水資源，其分布決定著融冰融雪徑流。遙感技術(shù)在冰雪水文方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下3個方面：

a.冰川變化的遙感監(jiān)測。主要基于不同時期的遙感影像數(shù)據(jù)，采用一定的方法提取冰川信息，進(jìn)而分析冰川的變化趨勢特征。如一些學(xué)者分別開展了哈爾里克山脈、青藏高原東南部崗日嘎布山、唐古拉山西段、東帕米爾高原昆蓋山、天山南伊等地區(qū)的冰川變化研究。

b.雪線監(jiān)測及提取方法。冰川雪線高度的遙感提取對冰川物質(zhì)平衡研究具有重要意義，可采用一種基于晴空環(huán)境下積雪覆蓋頻率的方法來提取雪線高度[7]。

c.積雪分布。主要為基于遙感積雪產(chǎn)品數(shù)據(jù)，開展積雪產(chǎn)品算法和積雪時空分布特征的研究。

1.2.4 徑流及水文模型

徑流量是流域水文計算和水循環(huán)的關(guān)鍵因素。遙感技術(shù)在徑流方面的應(yīng)用主要是基于遙感信息，借助水文模型來估算或模擬河川徑流。如針對無資料或少資料區(qū)，提出了一種水力學(xué)與遙感相耦合的徑流反演模型。

水文模型是將復(fù)雜的水文現(xiàn)象和過程，用模擬的方法概化后的近似的科學(xué)模型。模型包括輸入和輸出部分，降水?dāng)?shù)據(jù)是水文模型輸入的主要參數(shù)之一，將不同的遙感降水?dāng)?shù)據(jù)引入到水文模型中已成為區(qū)域水文模擬的熱點(diǎn)?，F(xiàn)已評估了不同的衛(wèi)星遙感降水?dāng)?shù)據(jù)在VIC模型、MIKE SHE模型、三水源新安江等模型中的應(yīng)用效果，并開展了水文過程及洪水過程模擬。遙感技術(shù)在水文模型其他方面的應(yīng)用也有一些進(jìn)展，如構(gòu)建了河流水生物理生境遙感評價模型；建立了適用于多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)且精度較高的太湖水體漫衰減系數(shù)估算模型。

1.3 水文效應(yīng)及旱情監(jiān)測

1.3.1 土壤水鹽

土壤水分是作物旱情診斷及灌溉管理的參數(shù)，監(jiān)測土壤水分可以提高水分利用效率；土壤鹽漬化已是全球性的環(huán)境問題，土壤有機(jī)質(zhì)是目前土壤質(zhì)量評價的重要指標(biāo)。近年來遙感技術(shù)對土壤水鹽監(jiān)測的應(yīng)用進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

a.如何進(jìn)行土壤水分遙感反演或提高土壤水分遙感反演的精度。不同的學(xué)者提出了不同的方法，有植被供水指數(shù)VSWI模型法、改進(jìn)植被指數(shù)法，利用試驗(yàn)反射光譜數(shù)據(jù)等進(jìn)行土壤水分的遙感反演，但缺乏對這些方法的適用條件的評價。

b.土壤鹽分及有機(jī)質(zhì)的遙感反演研究。將遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)相結(jié)合，可以提高鹽漬化土壤的判別精度，且光譜變換會影響黑土養(yǎng)分含量的高光譜遙感反演；基于遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建包含含水量變化與有機(jī)質(zhì)含量信息的多光譜指數(shù)，建立土壤有機(jī)質(zhì)的遙感反演模型[8]。

1.3.2 地表溫度

地表溫度是驅(qū)動土壤熱狀態(tài)的主要因子，是一些地表過程模型的輸入?yún)?shù)之一。和降水?dāng)?shù)據(jù)一樣，傳統(tǒng)方法獲取的地表溫度數(shù)據(jù)一般來自氣象站點(diǎn)，范圍小且不連續(xù)。遙感反演地表溫度是估算地表輻射和能量收支平衡的重要手段。在近期研究中，主要為如何提高遙感反演地表溫度的精度及穩(wěn)定性。冬季由于對云與雪的混淆，可能導(dǎo)致大量MOD11A1地表溫度產(chǎn)品的數(shù)據(jù)缺失，影響其在東北凍土區(qū)的使用，可以利用劈窗算法反演少云或無云的MODIS1B衛(wèi)星影像，估算地表溫度[9]。進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用方面，基于TM影像數(shù)據(jù)，利用單窗算法反演可得到主城區(qū)地表溫度，并基于SPOT影像數(shù)據(jù)，提取城市綠地斑塊，分析綠地對城市熱島地溫格局的影響[10]；基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用逐日百分位數(shù)法，確定極端高溫事件，用來探討城市集群化發(fā)展對極端高溫事件的影響[11]。

1.3.3 旱情監(jiān)測

干旱的頻繁發(fā)生和長期持續(xù)，不僅會造成經(jīng)濟(jì)損失，還會帶來荒漠化加劇、水資源短缺等一系列環(huán)境問題。區(qū)域旱情的監(jiān)測主要取決于土壤水分的監(jiān)測。遙感技術(shù)在旱情監(jiān)測方面的應(yīng)用進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

a.利用不同的遙感數(shù)據(jù)源，求得溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)，進(jìn)而監(jiān)測區(qū)域旱情。

b.衛(wèi)星遙感降水?dāng)?shù)據(jù)在干旱監(jiān)測中的應(yīng)用。降水是眾多干旱指標(biāo)計算所需的直接或間接參數(shù)，基于衛(wèi)星遙感反演的降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品，具有較高的時空分辨率和較廣的覆蓋范圍，彌補(bǔ)了地面站點(diǎn)在空間分布上的不足，為干旱指標(biāo)的計算提供了新的數(shù)據(jù)源。需要比較分析基于站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)計算的各干旱指數(shù)，綜合評估衛(wèi)星降水產(chǎn)品在研究區(qū)的干旱監(jiān)測與評估效用[12]。

1.3.4 地下水位

地下水是水資源的重要組成部分，尤其在內(nèi)陸干旱區(qū)，由于降水稀少，地下水是綠洲生存的主要水源，地下水位動態(tài)變化與生態(tài)環(huán)境問題有著密切的聯(lián)系。傳統(tǒng)的地下水位獲取主要是通過單點(diǎn)打井觀測地下水位，該方法成本高，耗時費(fèi)力，且代表性差，無法實(shí)現(xiàn)大面積的地下水位的監(jiān)測和評價，通過遙感技術(shù)監(jiān)測地下水位可以彌補(bǔ)此方法的不足。基于Landsat遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，反演得到地下水位。而且利用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，建立植被覆蓋時空數(shù)據(jù)集，可分析植被覆蓋變化對地下水位埋深的響應(yīng)[13]。

1.3.5 水庫-庫容曲線

水庫-庫容曲線是水庫調(diào)度及運(yùn)行管理的重要依據(jù)。傳統(tǒng)庫容曲線校核費(fèi)時費(fèi)力且成本高。利用基于遙感技術(shù)的水體信息提取方法，提取得到庫區(qū)內(nèi)的水體面積，結(jié)合影像成像時間對應(yīng)的實(shí)測水庫水位值，根據(jù)統(tǒng)計原理擬合得到水庫的水位-面積曲線，從而推算出其水位-庫容曲線；也可基于ETM+遙感影像及實(shí)測水位數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出研究區(qū)的水位-水面面積函數(shù)關(guān)系，運(yùn)用積分方法得到庫容曲線[14]。

1.4 水生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用

1.4.1 湖泊水化學(xué)

遙感技術(shù)在湖泊水化學(xué)方面的研究，主要體現(xiàn)在建立遙感參數(shù)與湖泊水化學(xué)特征參數(shù)之間的反演模型。湖泊透明度是湖泊水體性質(zhì)的重要參數(shù)之一，是有機(jī)和無機(jī)顆粒進(jìn)入湖泊的溶解程度及湖泊浮游生物的綜合反映。遙感影像是獲取時間長、面積廣的湖泊透明度的重要手段，基于MODIS遙感影像數(shù)據(jù)及湖泊實(shí)測透明度值，建立了湖泊水體透明度MODIS遙感反演模型[15]。湖泊水體中的有色可溶性有機(jī)物(CDOM)是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷等有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可反演水體中CDOM濃度。磷是生物體組成的元素，也是引發(fā)湖泊水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子，為了改進(jìn)傳統(tǒng)總磷采樣的缺點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最小二乘支持向量機(jī)遙感反演總磷質(zhì)量濃度的監(jiān)測方法[16]。

1.4.2 濕地

濕地是一種介于陸地和水域之間的過渡生態(tài)系統(tǒng)，有其獨(dú)特的生態(tài)功能和價值。濕地水文特征參數(shù)在水資源合理配置規(guī)劃及災(zāi)害預(yù)警中具有重要的地位，可依據(jù)多源多時相遙感數(shù)據(jù)，反演得到濕地水文特征參數(shù)，構(gòu)建濕地水文特征參數(shù)綜合反演技術(shù)框架體系[17]。遙感技術(shù)在濕地方面的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在基于不同時期的遙感影像數(shù)據(jù)，采用一定的算法解譯得到濕地資源、濕地景觀、濕地植被覆蓋度、濕地面積等，并分析其時空變化特征。然而由于外部環(huán)境的影響同一類地物可能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光譜差異，而不同的地物類型，由于自然植被沒有明顯的邊界，可能表現(xiàn)出很強(qiáng)的同質(zhì)性，從而影響濕地遙感分類的精度，針對該問題，提出采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，進(jìn)行高分辨率濕地遙感影像的分類研究。

1.4.3 沙塵

風(fēng)將大量沙塵卷入大氣中，導(dǎo)致大氣水平能見度小于1km的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，稱為沙塵天氣。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以對沙塵過程進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)測, 懸浮的沙塵粒子與大氣中其他物質(zhì)對不同通道的散射和吸收存在差異，利用差異特征，可從遙感影像上判別沙塵暴的位置和移動軌跡。基于Himawari 8靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對華北地區(qū)沙塵污染的起源、行進(jìn)軌跡和形成過程的24小時的三維動態(tài)觀測[18]；通過MODIS真彩色合成影像和熱紅外波段亮度溫度差識別、提取沙塵信息，可以實(shí)時、快捷地獲取沙塵來源、沙塵天氣影響過程和范圍[19]。

1.4.4 水土流失監(jiān)測

為了掌握區(qū)域水土流失變化規(guī)律與發(fā)展趨勢，需要開展水土流失動態(tài)監(jiān)測。植被覆蓋度是水土流失的主要影響因子，利用高分辨率遙感影像，可以獲取研究區(qū)土地利用和植被覆蓋因子，評價水土流失狀況、水土保持措施等。在近期進(jìn)展中，主要為如何準(zhǔn)確、快速有效地使用遙感影像數(shù)據(jù)，獲取植被覆蓋度信息，進(jìn)行水土流失監(jiān)測?；谒款C布的土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了一種水土流失遙感監(jiān)測土地利用現(xiàn)狀分類體系[20]。

1.4.5 生態(tài)系統(tǒng)評價

生態(tài)系統(tǒng)健康是保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的前提，遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為生態(tài)系統(tǒng)健康的監(jiān)測和評價提供了更有效的手段。進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評價，關(guān)鍵是要建立評價指標(biāo)體系，針對海岸帶陸域生態(tài)系統(tǒng)健康評價，可從資源環(huán)境、人類活動、景觀生態(tài)3個方面，按活力、恢復(fù)力和組織力3個子系統(tǒng)選取代表性指標(biāo)，構(gòu)建遙感技術(shù)支持下的評價指標(biāo)體系[21]。利用遙感和GIS空間分析相結(jié)合的方法，將研究區(qū)劃分為不同的單元，考慮不同類型區(qū)域的生態(tài)評價的適用性問題，進(jìn)行不同尺度上的生態(tài)健康評價。為進(jìn)一步解決評估生態(tài)系統(tǒng)時尺度轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)性評估弱的問題，構(gòu)建了小尺度潮間帶生態(tài)系統(tǒng)遙感綜合評估方法[22]。

1.5 其他方面的應(yīng)用

此外，遙感技術(shù)還有在其他方面的應(yīng)用研究。借助GRACE重力衛(wèi)星可反演得到研究區(qū)的水儲量，進(jìn)而分析水儲量的時空動態(tài)變化及其影響因素；基于衛(wèi)星遙感技術(shù)，可開展河流河勢演變分析；評價高分遙感立體影像提取黃土丘陵區(qū)切溝參數(shù)的精度；基于高分辨率遙感影像，進(jìn)行遠(yuǎn)程崩滑災(zāi)害的判識與評估，研究城市“源”“匯”景觀格局與大氣霾污染的相關(guān)關(guān)系等。

2 結(jié) 論

a.遙感技術(shù)可提供面源而非點(diǎn)源信息, 且不受地域和時間的限制，可獲得常規(guī)手段無法測量到的水文參數(shù)和變量, 從而提供動態(tài)的、連續(xù)的和長期的大范圍數(shù)據(jù)資料，在水文學(xué)方面得到了廣泛的應(yīng)用。

b.遙感技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展主要體現(xiàn)在兩個方面：?方法上的創(chuàng)新，研究如何提高基于遙感數(shù)據(jù)的提取精度，如何提高水文變量的反演模型等，從而獲得準(zhǔn)確的水文參數(shù)數(shù)據(jù)信息；?應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，基于遙感技術(shù)得到水文參數(shù)或變量，進(jìn)而分析不同的水文現(xiàn)象和變化規(guī)律，可為水文預(yù)測、防洪抗旱、災(zāi)情預(yù)警、水環(huán)境保護(hù)等提供有力的支持。

c.由于遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)信息量大，也會出現(xiàn)一定的局限性，目前遙感在水文學(xué)中的應(yīng)用還受到傳感器、分辨率以及解譯精度等的影響。在進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用研究時，需要進(jìn)行規(guī)范的、有目的的篩選整理，應(yīng)充分利用但不能盲目依賴遙感技術(shù)，可采用遙感技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測相結(jié)合的方式，取長補(bǔ)短，更好地為水文學(xué)的研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)保障。

d.隨著科技的發(fā)展，可針對水文學(xué)中的具體問題，發(fā)射遙感衛(wèi)星，進(jìn)行更為專業(yè)化、精細(xì)化的模擬研究。各種遙感技術(shù)獲取的遙感數(shù)據(jù)集具有典型的大數(shù)據(jù)特征，隨著大數(shù)據(jù)的興起，運(yùn)用大數(shù)據(jù)思維與手段，可從多種來源、多種分辨率、多種頻段、多種介質(zhì)的海量遙感數(shù)據(jù)中獲取更多有價值的水文信息，遙感大數(shù)據(jù)在水文學(xué)中的應(yīng)用將有很好的發(fā)展前景。