遙感技術在水利信息化領域中的應用

文濤 潘文俊

（1.廣東華南水電高新技術開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510611； 2.廣東省水利信息化工程技術研究中心，廣東 廣州 510611）

遙感技術興起于20 世紀中葉，是一種利用無人機、人造衛(wèi)星及其他飛行器等收集地面目標的電磁輻射信息來判斷地球資源與環(huán)境的技術[1]。因遙感技術能從不同范圍與高度高效、快速、多譜段地進行探測，獲取人類需要的信息，因此被廣泛應用于各領域，如水文、土地、氣象觀測等[2]。近年來，隨著水利信息化水平的提高，遙感技術被應用于水利信息化工作中，并在旱澇災害監(jiān)測、水利工程建設及水文地質(zhì)調(diào)查等方面發(fā)揮著重要作用[3]。

1 遙感技術在水利信息化中的應用領域

1.1 水資源監(jiān)測

當前，遙感技術已成為水資源監(jiān)測的常用技術[4]。在地表水調(diào)查過程中，江河湖泊等水體和陸地表面存在較大的差異，利用光學或雷達等技術能快速提取水資源信息數(shù)據(jù)。對于水底土壤與植被而言，光學與雷達技術受反射光譜的影響較大，此時可利用水體指數(shù)法、形態(tài)學方法等技術提取數(shù)據(jù)，其原理是利用冰雪對可見光波的反射率提取數(shù)據(jù)。采取雷達干涉測量能有效提高信息提取精度，不同區(qū)域的水資源監(jiān)測要進行不同時段的遙感圖像配準，從而適時掌握地表水資源的變化情況，利用多時相遙感圖像技術能快速完成水資源變動情況的數(shù)據(jù)提取[5]。

1.2 水文地質(zhì)勘查

地下水分布與地質(zhì)構造等因素有關，利用遙感技術生成圖像提取地質(zhì)構造、土壤濕度等信息，可對區(qū)域內(nèi)的地下水資源進行勘探，更為快捷地進行水文地質(zhì)勘查，實現(xiàn)地下水資源等信息的提取。同時，利用遙感圖像技術還能進行土壤水分的反演計算，同時根據(jù)植被資源發(fā)育情況估算植被覆蓋區(qū)域內(nèi)的土壤濕度。此外，土壤水分含量與介電常數(shù)有內(nèi)在聯(lián)系，可利用微波遙感技術抓取土壤水分信息。當前，由于旱情等因素的影響，多個地區(qū)存在地下水過度開采行為，無序的水資源開采必然造成所在區(qū)域的重力變化或地表沉降等問題，利用遙感技術，通過應用重力衛(wèi)星對區(qū)域內(nèi)的重力異常進行反演計算，可及時獲取地下水量的變化等信息，需注意的是采取該方法難以獲取精度高的數(shù)據(jù)，還需采取雷達干涉技術抓取地表沉降信息，從而獲取精準的地下水盈虧數(shù)據(jù)[6]。

1.3 水利規(guī)劃

在水利規(guī)劃工作中，利用遙感技術進行勘測調(diào)查能全面掌握水利數(shù)據(jù)，從而為水利規(guī)劃提供有效的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的水利規(guī)劃，一般依據(jù)地球圖采取野外實地勘查的方式，若地形圖老舊，沒及時更新，還要重新測繪地形圖，造成數(shù)據(jù)的不準確。采取遙感技術進行水利規(guī)劃，能獲取實時水利數(shù)據(jù)，并進行地形圖可用性分析，如使用無人機繪制遙感地形圖等[7]。若衛(wèi)生遙感資料和地形圖內(nèi)容大致相同，可直接利用衛(wèi)星圖作為地形圖的補充，例如，在河流或河道規(guī)劃治理中，可以以遙感技術作為河流或河道地形圖的補充，從而快速完成對水底及河岸的地貌、地形特征等信息的獲??；再如，在河流治理工作中，一般以浮泥作為標志，用波段進行圖像的處理，再用光學處理技術屏蔽掉背景等信息，得到浮泥等主要信息資料。通過信息技術相結合進行河流與河道的治理，可使河口的排水分沙保持孤狀態(tài)，提高航道的穩(wěn)定性。

1.4 水環(huán)境監(jiān)測

利用遙感技術進行水環(huán)境監(jiān)測工作，能了解水體中的固定懸浮物含量、葉綠素含量及其他污染物等信息，從而為水環(huán)境的評估提供有效參考數(shù)據(jù)[8]。當前，依據(jù)水體內(nèi)的葉綠素含量，可獲取水中浮游生物的分布情況。利用遙感反演，可以對河口、航道與水里的懸浮泥沙量進行實時監(jiān)測，不需花費太多資金就能完成監(jiān)測工作，還可以監(jiān)測水體中的葉綠素濃度和有機質(zhì)含量。遙感技術還能進行水污染監(jiān)測工作，如通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術對監(jiān)測區(qū)域水域進行黑臭水體監(jiān)測，可以實現(xiàn)長時序、大范圍區(qū)域內(nèi)黑臭水體篩查與督查，同時結合地面監(jiān)測數(shù)據(jù)（污染源清單）能客觀及時地定位潛在污染源，促進黑臭水體污染成因精準診斷與治理，改善地區(qū)水環(huán)境狀況，加強水生態(tài)保護。還可依據(jù)水體表面散射與光譜等信息，進行海洋及湖泊的溢油監(jiān)測；利用熱紅外傳感技術監(jiān)測熱污染源?？偠灾眠b感技術不但可以進行水體內(nèi)的物質(zhì)來源、分布等情況的監(jiān)測，還能及時發(fā)現(xiàn)污染擴散和轉(zhuǎn)移等情況。

1.5 水旱災害監(jiān)測

早在20 世紀80 年代，遙感技術就被應用到水旱災害監(jiān)測上，通過在永定河、荊河等河流進行防洪試驗，構建了24 小時洪澇災害監(jiān)測系統(tǒng)。利用遙感圖像可以打造水體淹沒模型，明確顯示降水量、降水時間、淹沒區(qū)域的關系與動態(tài)變化，為抗洪救災等提供支持。還可利用遙感技術適時抓取水文信息，并與遙感圖像相結合掌握洪澇災害的發(fā)生過程，從而制定合理的抗洪救災計劃?？赏ㄟ^遙感技術精確度到米級的作物識別能力，在災害發(fā)生后，快速評估受災害影響的作物種植范圍和面積，以便形成更具針對性的應急處置方案。同時可追溯過去多年的水旱災害情況，用于大規(guī)模歷史災害調(diào)查。此外，依據(jù)遙感技術還能進行淹沒時長、淹沒面積等數(shù)據(jù)的獲取，估算農(nóng)作物的減產(chǎn)數(shù)量與絕收面積等信息，為后續(xù)救災、災后重建提供參考信息。

1.6 水利工程勘測

將遙感技術應用于水利工程勘測，能大大提高工程勘測效率，為工程質(zhì)量提供技術支持[9]。第一，借助于遙感技術能快速獲取工程地質(zhì)構造數(shù)據(jù)，分析地質(zhì)構造的穩(wěn)定性，從而減少地質(zhì)環(huán)境對施工的影響。第二，利用遙感技術監(jiān)測勘測工程是否存在滲漏等問題。水利工程多在河流或地下暗河等附近，極易出現(xiàn)滲漏等問題，存在較大的安全隱患，將遙感技術應用于勘測工程，可以勘測施工項目附近的地質(zhì)分布情況，并詳細記錄滲漏區(qū)域的地質(zhì)情況，為防滲技術提供參考依據(jù)。當前，遙感技術被廣泛應用于水庫等工程建設，并對水庫淹沒面積進行精確評估，可以精確反映地形地貌，為水庫施工提供合適的信息數(shù)據(jù)，例如，借助遙感影像提取水面面積，可以通過計算機提取影像水體像元，確定水庫在不同水位的面積，然后為水庫建設提供精確的信息。又如，在施工項目的運行過程中，借助于遙感技術能進行項目周圍的水土流失情況以及巖溶情況等的監(jiān)測，對施工環(huán)境及項目的經(jīng)濟效益進行科學評估。

2 遙感技術用于水利信息化中存在的問題

2.1 應用水平低

遙感技術在水利信息化領域的應用較為廣泛，但因技術人員的遙感技術水平有待提高，造成不能充分發(fā)揮遙感技術的優(yōu)勢，究其原因有如下幾點：一是在將遙感技術應用于水利信息化的過程中，用人單位未對技術人員進行科學的培訓與再教育工作，導致技術人員僅僅通過以往所學的水利測繪技術與傳統(tǒng)的工作經(jīng)驗使用各類遙感設備，必然導致技術運用效果差強人意。二是用人單位在技術人員的培養(yǎng)與職業(yè)規(guī)劃方面存在缺陷，對技術人員的業(yè)務能力提高不重視，導致人才流失嚴重。三是水利等相關部門缺乏外部支撐與外部交互體系，導致遙感技術中的相關重要科研成果不能直接應用于水利信息化工作，種種因素的限制，導致遙感技術在水利信息化中的應用水平較低。

2.2 缺乏遙感數(shù)據(jù)庫

在過去的幾十年間，盡管遙感技術取得一定的發(fā)展，但由于水利信息化技術涉及的內(nèi)容復雜并且內(nèi)容較多，極易被各類因素干擾，在多種情況下要對目標做好實時監(jiān)測工作，而獲取實時數(shù)據(jù)信息，離不開數(shù)據(jù)庫的支持，盡管遙感技術在水利信息化工作中起到了一定的效果，但數(shù)據(jù)庫建設技術仍有待提高，再加之與遙感技術相關的信息系統(tǒng)不完善，盡管遙感技術已早被應用于工程建設，但尚未建立全國通用的監(jiān)測系統(tǒng)，導致遙感技術的推廣及使用受到一定的限制，所以相關部門要就遙感技術盡快制定全國范圍的使用制度，構建精度高、范圍廣的遙感監(jiān)測系統(tǒng)。此外，我國不同地區(qū)的水文地質(zhì)條件差異極大，某一個地區(qū)構建的遙感監(jiān)測模型并不適用于其他地區(qū)，遙感模型普適性不足，這也成為制約遙感技術應用的一大問題。

2.3 遙感技術的局限性

遙感技術是一門涉及地質(zhì)、數(shù)學、計算科學、物理等學科的技術，遙感系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應用等多個環(huán)節(jié)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會對應用效果產(chǎn)生影響。在遙感技術的具體應用中，其還存在以下局限性：第一，遙感技術應用于水利信息化建設，盡管取得了一定的效果，但在遙感技術的使用過程中仍存在一定的問題，如遙感技術解譯水平不高、方法不恰當?shù)?。例如，在混合光譜的應用中，遙感技術的編譯水平尚處在起步階段，編譯水平仍有待提高，所以提高遙感技術在水利信息化的應用效果，遙感技術本身仍需提高，同時提高編譯水平與方法。第二，我國地域遼闊，既有雨量充沛的沿海地區(qū)，也有干旱少雨的西北地區(qū)，而當前在用的遙感技術所使用的數(shù)字模型多是服務于某一區(qū)域的，而對其他地區(qū)的監(jiān)測效果不理想，缺乏普適性。所以，遙感技術應用于水利信息化的過程中，還需完善模型定量分析、統(tǒng)一模型尺寸，并開發(fā)高效的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與反演算技術，從而為水利信息化提供技術支持。

3 遙感技術用于水利信息化的展望

3.1 精細化數(shù)據(jù)獲取

隨著科學技術的創(chuàng)新發(fā)展，遙感技術結合航空遙感，輔以計算機技術與現(xiàn)代信息技術，已具備多樣化、精細化獲得信息的能力。在數(shù)據(jù)信息采集過程中，利用上述技術能從角度維、光譜維、時間維、空間維等層面獲取密集化的信息。未來的遙感數(shù)據(jù)獲取，將表現(xiàn)出數(shù)據(jù)精細化的特點，在遙感技術的輔助下，能更加精細、完整地獲取數(shù)據(jù)資源[10]。

3.2 自動化數(shù)據(jù)分析

遙感數(shù)據(jù)處理由多個環(huán)節(jié)組成，如模型創(chuàng)建、矯正幾何、算法等，在數(shù)據(jù)處理期間應用到許多程序，并且不同的數(shù)據(jù)其模型與算法也不相同，科研人員要利用多源異構法獲取遙感數(shù)據(jù)，構建統(tǒng)一的標準，利用反演算法、數(shù)據(jù)自動化處理等方法，從而獲取精準的地理信息化數(shù)據(jù)參數(shù)，為創(chuàng)建適合大眾基礎的模型夯實基礎，保障算法、模型及信息數(shù)據(jù)等資源的共享，推進遙感技術在地理信息化過程中的數(shù)據(jù)自動化處理。相較于數(shù)據(jù)的其他處理方式，自動化處理的最大優(yōu)勢是速度快、效率高，且不易被人為等不利因素干擾，能快速、精確地獲取地表信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化處理，提高數(shù)據(jù)獲取率。

3.3 定量化參數(shù)反演

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取技術相對落后，信息數(shù)據(jù)獲取方法及手段存在較大的缺陷，也無相關數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，而高光譜遙感技術的發(fā)明，能從多個角度利用傳感器信息數(shù)據(jù)，使用方法更加快捷、方便，數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量大大提高。在遙感技術應用于水利信息化的過程中，通過參數(shù)定量把數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)化成高精度的參數(shù)，使數(shù)據(jù)使用效率更高。同時，隨著信息技術的發(fā)展，遙感技術的不斷進步，實現(xiàn)了理論到應用的深入研究，技術模型不斷革新，必會對未來定量化的使用技術產(chǎn)生較為深遠的影響。

4 結語

當前，遙感技術被廣泛應用于旱澇災害監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測、水利工程建設等方面，并取得了一定的效果。隨著科技的進步，遙感技術獲取數(shù)據(jù)更加精細，并朝著定量遙感方向發(fā)展，相信隨著水利數(shù)據(jù)及定量分析模型的打造，必會為遙感技術應用于水利信息化工作帶來更好的助力。