分布式水文模型構建中遙感技術的應用

楊 光

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

分布式水文模型構建中遙感技術的應用

楊 光

推廣應用

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

遙感技術又稱RS技術，其與分布式水文模型進行深度結合應用，能夠在現代水文技術領域發揮至關重要的作用。文章在對分布式水文模型與遙感技術進行簡要闡述基礎上，重點提出了一種水文遙測信息的反演方法，此種方法主要是針對遙感技術在分布式水文模型應用過程中的降雨系數及河川徑流和河水蒸發量、地面溫度及土地/植被覆蓋率、土壤水分等相關參數進行計算驗證。

分布式；水文模型；構建方法；遙感技術；應用

近年來，隨著中國水文遙測技術不斷發展，水文模型逐漸成為一種不可或缺的技術分析手段，同時其也成為當前水文工作中研究的熱門話題。因此，文章重點從分布式水文模型以及遙感技術的基本概念出發，通過對遙感技術在水文模型構建中的相關內容進行分析，對遼寧省水文信息監測以及發布和利用，奠定科學的理論基礎。在此分析、計算過程中，主要涉及到的方法為參數反演法，由于其能夠結合遼寧省區域特點對區域降雨系數及河川徑流、河水蒸發量、地面溫度與土地/植被覆蓋率、水分等相關參數進行計算反演，因此其為我國廣大科研工作者今后理論研究與實踐探討，提供了重要的技術基礎。

1 分布式水文模型與遙感技術簡介

通常而言，按照水文模型在實際構建中是否考慮水文過程的隨機性，可將其分為混合型水文模型與隨機性水文模型和確定性水文模型3種類型。而結合水文模型構建過程中，水循環要素的描述程度不同，又可將其分為經驗式水文模型與概念式水文模型及物理式水文模型3種；按照研究過程中，水文模型實際研究的空間范圍不同，又可將其分為分布式水文模型與集總式水文模型。由于前一個模型在構建過程中，不需要考慮區域水文要素的實際變化過程和輸入變量及水文要素的幾何特征、水文空間的邊界條件等。因此，模型中的相關變量只需通過經驗公式及力學公式等進行描述分析即可。但是，這種方法相對于分布式水文模型而言，數據分析結構主觀性較強。基于此，文章主要針對分布式水文模型，結合遼寧地區水文情況進行遙感分析。

在采用分布式水文模型進行分析時，通常需要對水文資料的變化過程及輸入變量和線性邊界條件、空間要素幾何特征等進行分析，以此采用微分方程構建科學的數據模型。因此，從其實施過程而言，這一技術具有明顯的空間變異性及數據集中、分散輸入/輸出的特點。因此，基于分布式水文模型的MIKE SHE模型以及WSRFS模型和TOPMODEL模型、SWAT模型、SWM模型等，構成了總體的分布式集成模型。

遙感技術又稱RS技術，這一技術是一種能夠從空間平臺中，利用電磁波高屋建瓴觀測地球，以此科學獲取地球表層中相關信息的方法。由于任何絕對溫度以及零攝氏溫度的物體，都能夠對不同波長的電磁波起到良好的輻射及吸收和反射作用，因此遙感技術正是充分利用了這一原理，對區域地物信息進行準確識別，以此獲取相關的河流流域空間特征信息，最終對流域水文變異性等情況進行科學分析[1]。

2 分布式水文模型構建中遙感技術的實施過程分析

從二者各自的技術優點來看，分布式水文模型能夠結合水循環動力學機制，科學對水文現象進行合理描述和模擬，以此為分布式水文模型科學構建，提供精確的信息數據。所以，這一技術克服了傳統水文技術在地面反觀中，觀測站點密度不夠等弊端。而遙感技術在實際應用過程中，不但能夠為數據遙測、感知提供水體特征參數及土地覆蓋參數、地形特征參數等，而且還可對流域內的降雨量及河流徑流、蒸發量、土壤含水率等相關數據進行反演計算。因此，其為分布式水文模型科學構建提供了先決條件。遙感技術正是憑借其精準以及高速和及時、穩定、連續、可重復等優點，在分布式水文模型中發揮著至關重要的作用。在水文模型構建中，遙感技術的實施應用主要分為2種：①直接估算和測定如研究區降雨量與實際面積等水文變量與水文參數；2利用反演機制，通過遙感技術實時獲取地表波譜特征，從而對當地陸面溫度及蒸散發、土壤水分和河川徑流、葉面積指數、土地實際覆蓋面積等相關水文參數進行推求[2]。但是，在實際應用實施過程中，需要結合遙感影像技術，按照以下3個不同步驟對水文參數進行提取：

1)基于遙感技術軟件，對區域內原始遙感數字影像等進行稽核校正和解釋等預處理。

2)對當地區域土地地形實際特征及地形原始特征、土壤水體等相關地物特征參數進行遙感，以此獲取相關遙測數據，科學制作專題圖。

3)通過對上述各種參數進行科學反演，以此實現DN值與遙感影像圖之間的科學轉化，從而獲取相應的水文參數值。在此過程中，水文參數可通過自動方式進行提取，最多可得到36000個相關樣本數據。

基于遙感技術的分布式水文模型構建過程中，采用遙感數字影像獲取水文參數的技術流程圖見圖1所示。

具體而言，需要按照如下程序進行科學實施：

2.1 遙感技術在降水反演中的應用

遙感技術在水文模型構建中，首先能夠結合衛星數據及雷達技術，通過大氣中的降水粒子，對電磁波進行散射與吸收，然后對收集得到的電磁波信息進行分析處理，以此科學確定空間采樣體積中降水、粒子的后向散射能量等。在此基礎上，通過計算機技術，對該區實際降雨量等數據進行分析、計算[3]。

隨著我國衛星技術不斷發展，在水文模型構建中，也經常利用衛星云圖進行信息分析，以此確定降雨量。但是，在特殊情況下，衛星云圖容易受到云層遮擋。因此，當地降雨量無法通過熱紅外傳感器及近紅外、可見光等進行測量。所以基于遙感技術，在分布式水文模型構建的相關降水反演分析過程中，需要結合現代衛星遙感技術與傳統地面人工技術進行數據測量與降水反演。

2.2 遙感技術在陸面蒸散發反演中的應用

基于遙感技術對路面蒸發反演數據進行獲取時，通常需要利用間接的下墊面參數因子，然后借助物理數學模型及經驗方程式，對路面蒸散發量等相關數據進行估算、分析[4]。在此過程中，如果遙感時相的相關參數不同，則按照數據分析結果可得到不同氣候條件下的土壤蒸散發圖及土壤蒸散發的年內分配圖。但是，在此分析過程中，因區域內氣候及土壤和植被等相關數據難以準確收集。因此，在構建分布式水文模型時，應該適當對相關條件及參數變量等進行優化，然后在此基礎上，基于遙感技術，對區域內陸面蒸散發反演，以此科學建立能量平衡方程式，具體如下：

Rn+G+H+LE=0

(1)

式中：Rn為在上述平衡公式中凈輻射；G為區域土壤熱通量；H為區域土壤顯熱通量；LE為區域土壤潛熱通量。

在此過程中，微波遙感技術資料及熱紅外遙感技術資料，是陸面蒸散發反演中重要的遙感信息數據。

圖1 采用遙感數字影像獲取水文參數的技術流程圖

2.3 遙感技術在河川徑流反演中的應用

在實際數據測量分析過程中，由于區域河川徑流數據等不能直接通過任何一種遙感技術手段來獲取。因此，其只能通過遙感相關技術資料，對河川徑流量等相關數據進行間接估算、分析。故遙感技術在河川徑流反演計算中的應用主要分為2部分：

1)在下墊面技術資料分析基礎上，采用遙感技術手段，分別對區域內的地形坡度及蒸散發量和區域土壤含水量、地形坡度等相關水文循環項等進行計算、分析，然后基于能量平衡方程式 “Rn+G+H+LE=0”，對地表河川徑流量等進行計算。

2)通過與不同的水文模型進行緊密結合及松散結合，然后將相關數據作為分布式水文模型參數估計及模型構建的輸入值[5]。同時，也可在此基礎上構建新的水文模型，然后將研究區內不同的干子流域劃為各個水文響應單元。在此過程中，各水文響應單元的實際水文特征等，需要通過模型進行模擬，然后實現分布式水文模型與水文參數的耦合。

2.4 遙感技術在陸面溫度反演中的應用

由于路面溫度LST會對區域海陸循環過程中的能量交換產生重要影響。因此，基于遙感技術在陸面溫度反演中，主要利用航片及衛片資料和布點觀測方式，結合城市及鄉村中的歷史氣候資料數據等，獲取區域內路面實際溫度值。

由于我國遼寧省地區陸地類型差異很大，因此溫度變化情況非常明顯，采用遙感技術對該地區陸面實際溫度值進行反演，能夠結合遙感技術NOAA/AVHRR的第4、5通道，采用劈窗算法進行數據分析、計算，然后獲取如下溫度曲線頁面，以此為分布式水文模型構建提供溫度數據，見圖2所示。

圖2 遙感技術在陸面溫度反演中形成的溫度曲線

2.5 遙感技術在土壤水分反演中的應用

相對于上述相關模型變量而言，分布式水文模型的另外一大關鍵參數變量就是區域土壤水文變量[6]。在傳統水文信息測量過程中，一般基于點位觀測技術對土壤水分數據進行收集。因此，觀測點分布較少，而且耗費了大量的人力、物力和財力，且成效不高，無法基于區域內的土壤水分進行實時、動態觀測。但采用遙感技術體系中的微波遙感手段和熱紅外等技術手段進行土壤信息觀測，能夠結合熱通量方程，對地表土壤及植物熱通量、缺水程度、蒸散程度等相關指標進行分析。

2.6 基于遙感技術能夠科學提取區域土地利用/覆蓋信息

遼寧省礦業較為發達，因此在近年來的經濟發展過程中，人們大量開采及生產，導致區域土地植被覆蓋率降低[7]。在一定程度上而言，土地覆蓋率與地面下滲以及產匯流、截流及地面蒸散發和填挖等相關情況存在密切關聯性。因此，在分布式水文構建中，通過對上述相關水文信息進行收集，可以構建一級以及二級兩個不同的指標分類評估體系[8]。因此，在對區域內的水文情況進行模型模擬時，就可結合上述數據指標屬性及參數之間的關聯度，設置相應的分布式水文模型參數，從而合理模擬當地水文循環過程。基于遙感技術提取的遼寧省某區域土地利用/覆蓋信息圖見圖3。

圖3 遼寧省某區域土地利用/覆蓋信息圖

3 結 語

綜上所述，水文模型是一種水文信息分析的有效手段，其最早可追溯到上世紀中期，而逐漸到了70—80年代，這一技術才不斷得到快速發展與應用。在此過程中，同時出現的還有新安江模型、Standford模型及SHE模型和TANK模型等。在此演變發展過程中，隨著互聯網技術的進步，遙感技術及地理信息技術和計算機技術等多種新型技術方式逐漸廣泛得到應用。文章結合分布式水文模型及遙感技術本身的功能特性，對遼寧省區域降雨系數及河川徑流、河水蒸發量、地面溫度與土地/植被覆蓋率、水分等相關參數進行了反演分析，以此為今后進一步研究與拓展深化，奠定了重要的技術基礎和理論基礎。

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Application of Remote Sensing Technology in Construction of Distributed Hydrological Model

YANG Guang

(Jinzhou Hydrology Bureau Liaoning Province, Jinzhou 121000,China)

Remote sensing technology, also known as RS technology, its application in combination with the distributed hydrological model plays a vital role in the field of modern hydrology and technology. This paper briefly expounds the basis of distributed hydrological model and the remote sensing technology,puts forward an inversion method of the hydrology telemetry information, this method is mainly based on RST in distributed hydrological model application in the process of rainfall and runoff coefficient and water evaporation amount, and the land surface temperature vegetation coverage, soil moisture other related parameters are calculated to verify.

distributed; hydrological model; construction method; remote sensing technology; application

1007-7596(2016)11-0094-04

2016-10-26

楊光(1983-)，男，遼寧錦州人，工程師，研究方向為水文水資源勘測、整編、管理工作。

TP79

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