遙感技術(shù)在水利信息化中的運(yùn)用及問(wèn)題分析

姜維軍，段興濤

(1.寧夏希望信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，寧夏 銀川 750001；2.寧夏水利信息中心，寧夏 銀川 750001)

遙感技術(shù)是20世紀(jì)中葉興起的一種探測(cè)技術(shù)，是利用人造衛(wèi)星、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)或其他飛行器收集地面目標(biāo)電磁輻射信息，判定地球環(huán)境與資源的技術(shù)[1]。由于遙感技術(shù)可以從不同高度和不同范圍快速、高效、多譜段地進(jìn)行感測(cè)，來(lái)獲取人們所需信息，因此在諸多領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，如土地、水文、氣象觀測(cè)、資源考察等方面[2]。隨著水利工程信息化水平的不斷提升，遙感技術(shù)在水利信息化中逐漸發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，在水旱災(zāi)監(jiān)測(cè)、水文地質(zhì)調(diào)查、水利工程建設(shè)中都有廣泛使用。

1 遙感技術(shù)在水利信息化中的優(yōu)點(diǎn)

1.1 高效性與精細(xì)度并存

隨著信息化手段的不斷進(jìn)步，遙感技術(shù)由傳統(tǒng)的載人飛機(jī)發(fā)展到如今無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)與中高軌道衛(wèi)星搭配的復(fù)合系統(tǒng)。以航天飛機(jī)與國(guó)際空間站等衛(wèi)星遙感技術(shù)為基礎(chǔ)，配合1000m低空主流無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的重點(diǎn)航拍，可以實(shí)現(xiàn)水資源信息的高效傳輸并確保數(shù)據(jù)的有效性，可以有效提高某些管理范圍大、河段多、工作量大水管部門(mén)的工作效率。同時(shí)，由于水利項(xiàng)目普遍具有交通不便、地形復(fù)雜、人跡罕至等特點(diǎn)，某些高危地區(qū)不便人工進(jìn)行勘測(cè)，遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確地解決這個(gè)問(wèn)題[3]。而且，隨著對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的完善，攝影掃描系統(tǒng)的不斷升級(jí)，遙感技術(shù)的精細(xì)度也在不斷提升，可以從空間、時(shí)間、光譜等多維度進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，保障管理所需精度。

1.2 自動(dòng)化助力提升時(shí)效性

信息技術(shù)的高速發(fā)展為遙感技術(shù)的應(yīng)用提供了新的契機(jī)。研究人員通過(guò)制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，收集到大量的異源數(shù)據(jù)，建立具有普遍適應(yīng)性的遙感模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)自適應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與反演，最終通過(guò)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)資源共享。這一系列的進(jìn)步逐漸促進(jìn)遙感技術(shù)自動(dòng)化不斷進(jìn)步，避免了人為因素的干擾。同時(shí)，隨著施工技術(shù)與設(shè)計(jì)水平的不斷提升，水利工程項(xiàng)目范圍廣泛、施工進(jìn)度極快，在此過(guò)程中的防洪排澇對(duì)于水利信息的時(shí)效性要求更高，遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，可以給管理部門(mén)提供實(shí)時(shí)的無(wú)人機(jī)遙感或衛(wèi)星遙感影像，使管理部門(mén)在涉水項(xiàng)目的管理與跟進(jìn)過(guò)程中有更可靠的技術(shù)保障[4]。

1.3 全方位的技術(shù)應(yīng)用

隨著低空無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，遙感技術(shù)在水資源與水環(huán)境方面的作用也在不斷提升[5]。低空無(wú)人機(jī)可以在近地面進(jìn)行航拍，獲得特定地區(qū)的高清影像圖，經(jīng)過(guò)遙感應(yīng)用分析，可以反演出當(dāng)?shù)丨h(huán)境變化、水體中氮磷等污染物的含量以及用于固體形變監(jiān)測(cè)與土壤重金屬含量測(cè)量等領(lǐng)域，為水生態(tài)與水環(huán)境治理提供可靠信息。此外，遙感技術(shù)在考古、犯罪、規(guī)劃社會(huì)發(fā)展及輔助政府決策等多方面都發(fā)揮著重要作用[6]。

2 遙感技術(shù)在水利信息化中應(yīng)用

2.1 水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)

早在20世紀(jì)80年代，遙感技術(shù)在我國(guó)水旱災(zāi)監(jiān)測(cè)中起著重要作用。在水災(zāi)監(jiān)測(cè)方面，利用遙感圖像、數(shù)字高程模擬與水文數(shù)據(jù)建立流域降雨與淹沒(méi)區(qū)的數(shù)字模型，可以更加精確地進(jìn)行災(zāi)前預(yù)警，提前做好水災(zāi)預(yù)報(bào)、防汛準(zhǔn)備。在水災(zāi)過(guò)程中，利用遙感技術(shù)將實(shí)時(shí)水文信息與模型相結(jié)合，能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地進(jìn)行洪水動(dòng)態(tài)分析，提供實(shí)時(shí)救災(zāi)方案，盡量減少災(zāi)害損失；在災(zāi)后重建過(guò)程中，可以利用遙感技術(shù)進(jìn)行災(zāi)害評(píng)估，測(cè)算受災(zāi)面積、淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)并評(píng)估災(zāi)害損失，為災(zāi)后重建提供科學(xué)依據(jù)[7]。在旱災(zāi)監(jiān)測(cè)方面，由于土壤水分可以影響土壤微波發(fā)射、亮度、溫度等，遙感技術(shù)可以通過(guò)建立回歸模型以及散射模型確定遙感圖像中的色值與土壤水分之間的相互關(guān)系，以綜合獲取土壤濕度、植物生長(zhǎng)狀況和氣溫等各要素，為防災(zāi)救災(zāi)提供數(shù)據(jù)分析[8]。

2.2 水利工程規(guī)劃建設(shè)與運(yùn)行監(jiān)測(cè)

遙感技術(shù)在調(diào)查水利工程所在地的發(fā)展情況與水資源情況中發(fā)揮著日益重要的作用[9]。由于水利工程所在地多為偏遠(yuǎn)山區(qū)，交通受限，造成了工程勘測(cè)難度較大，而無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)則很好地克服了這些限制，利用衛(wèi)星高清圖像與近地?zé)o人機(jī)成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度圖像生成與傳輸，可以為水利工程規(guī)劃建設(shè)提供準(zhǔn)確資料。對(duì)于水庫(kù)等相對(duì)靜態(tài)工程，可以利用遙感技術(shù)的水層功能分析，快速得出不同水位影響范圍，在水庫(kù)防洪調(diào)度過(guò)程中進(jìn)行輔助決策。此外，工作人員可以利用遙感技術(shù)提取工程區(qū)綜合地形地貌、植被信息、交通等基礎(chǔ)信息，在水利工程施工建設(shè)中為工程人員服務(wù)[10]。

2.3 水文水資源調(diào)查及水質(zhì)監(jiān)測(cè)

遙感技術(shù)在水文地質(zhì)調(diào)查、地表水調(diào)查以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面有著廣泛應(yīng)用。通過(guò)圈定靶區(qū)，遙感技術(shù)可以通過(guò)翻譯地貌與地質(zhì)構(gòu)造，區(qū)域重力變化與地表沉降，可以清晰地反映出地下水的盈虧狀況。同時(shí)，當(dāng)水深、含沙量、有機(jī)質(zhì)含量等發(fā)生變化時(shí)，工作人員可以通過(guò)遙感技術(shù)中的閾值法、譜間關(guān)系法、形態(tài)學(xué)等方法獲取不同地區(qū)地表水情況，通過(guò)不同時(shí)間段遙感圖像的匹配，定性或定量確定地表水資源變化過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)地表水資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[11]。此外，遙感技術(shù)可以通過(guò)多光譜航片對(duì)石油污染擴(kuò)散進(jìn)行半定量分析；對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化的水體，由于葉綠素對(duì)藍(lán)光與紅光吸收作用較強(qiáng)，可以通過(guò)遙感技術(shù)對(duì)水體葉綠色進(jìn)行調(diào)查監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染水體，為水環(huán)境治理提供有效信息[12]。

3 遙感技術(shù)存在的問(wèn)題分析

3.1 遙感信息系統(tǒng)不完善，可用數(shù)據(jù)較少

雖然遙感技術(shù)在過(guò)去幾十年里取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是我國(guó)遙感技術(shù)信息系統(tǒng)機(jī)制目前仍不完善，遙感技術(shù)在部分工程應(yīng)用較多，而沒(méi)有全國(guó)范圍內(nèi)的遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這在很大程度上限制了遙感技術(shù)的推廣與應(yīng)用[12]。相關(guān)部門(mén)應(yīng)盡快制定詳細(xì)的遙感技術(shù)使用制度，推進(jìn)長(zhǎng)時(shí)間、高精度、大范圍遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立。

3.2 遙感模型普適性較差

我國(guó)幅員遼闊，東南沿海雨量充沛，西北地區(qū)干旱少雨，目前遙感技術(shù)所用的數(shù)學(xué)模型多是針對(duì)某一地區(qū)所建立的，對(duì)其他區(qū)域的監(jiān)測(cè)效果較差，缺乏普遍適用性。當(dāng)前遙感技術(shù)在水利信息化中的應(yīng)用還需完善模型的定量分析，統(tǒng)一模型尺度，開(kāi)發(fā)模型高效數(shù)據(jù)處理及反演算法，為水利信息化中遙感技術(shù)應(yīng)用提供便利[13-14]。

3.3 遙感技術(shù)理論與實(shí)踐結(jié)合制約因素多

遙感技術(shù)是一門(mén)涉及地球科學(xué)、地質(zhì)、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算科學(xué)、光學(xué)等多學(xué)科的交叉學(xué)科[15]。遙感系統(tǒng)涉及信息接收、處理與應(yīng)用等多個(gè)流程，任何一個(gè)流程都會(huì)對(duì)遙感測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生影響。在其反演過(guò)程中，水體中的不同物質(zhì)對(duì)于反射光譜的影響是相互作用的結(jié)果，由于工作人員的知識(shí)儲(chǔ)備、工作經(jīng)驗(yàn)不同，反演結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)一定的誤差。而且我國(guó)遙感技術(shù)主要掌握在科研機(jī)構(gòu)，工作人員理論知識(shí)不足，在工作中往往追求信息獲取和圖像清晰度而忽略了后期信息處理，從而導(dǎo)致遙感理論與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)。對(duì)此，應(yīng)該適當(dāng)增加科研基金，為工作一線培養(yǎng)更多的科研人才，促進(jìn)理論結(jié)合實(shí)際與我國(guó)遙感事業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展[16]。

4 結(jié)語(yǔ)

自20世紀(jì)80年代起，遙感技術(shù)已經(jīng)用于我國(guó)旱澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)中并取得了良好的效果，這為遙感技術(shù)在水利信息化中的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。目前遙感技術(shù)在洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、水利工程建設(shè)、水環(huán)境及水質(zhì)監(jiān)測(cè)等多個(gè)方面有著廣泛應(yīng)用。同時(shí)，由于我國(guó)仍沒(méi)有建立完善的遙感技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)前遙感模型存在一定程度的局限性，理論結(jié)合實(shí)際方面等存在一定程度的問(wèn)題，遙感技術(shù)在水利信息化中的應(yīng)用仍重而道遠(yuǎn)。