遙感技術促進水資源監測

◎韓忠穎 洪陽

衛星遙感技術的發展是人類對地觀測的重大進步，為人類認識水循環過程提供了更為廣闊而全面的視角，具有服務于水循環過程關鍵因素反演與流域水文模擬的巨大應用潛力[1]。同時衛星遙感可以提供長期、動態和連續的大范圍資料，為自然水的相互關系，水與人類的相互作用，以及全球/區域水文情勢的監測、管理、立法等提供科學依據，為解決傳統水資源難題提供有力支撐[2]。

遙感技術特點

1.探測范圍大

遙感探測能在較短的時間內，從空中乃至宇宙空間對大范圍地區進行對地觀測，并從中獲取有價值的遙感數據。這些數據拓展了人們的視覺空間，有利于宏觀地掌握地面事物的現狀，為地球資源及環境要素的分析創造條件。

2.受地面限制少

遙感技術能快速地獲取海量地表信息，對于自然條件惡劣、地面工作難以開展的地區，如高山、冰川、沙漠及沼澤等，或由于國界限制不易到達的地區，使用遙感方法較容易獲取資料。

3.獲取手段多樣化

隨著航空、航天多種遙感平臺及多種傳感器不斷發展，遙感數據獲取手段趨于多樣化和精細化。其遙感平臺從傳統的載人飛機發展到無人機，從低地球軌道衛星拓展到中高軌道衛星，還開拓了航天飛機、國際空間站等多種特殊平臺。同時對地觀測傳感器系統也在不斷完善，如從攝影系統到掃描系統，從被動傳感器到主動傳感器，從光學傳感器到微波傳感器等?？臻g分辨率、時間分辨率、光譜分辨率和輻射分辨率越來越高，數據類型越來越豐富，數據量不斷增加，已經具有了大數據特征。

4.應用價值高

從遙感數據中可挖掘出與人類生產生活息息相關的各類信息與知識。遙感技術已廣泛應用于農業、林業、地質、地理、海洋、水文、氣象、測繪、環境保護和軍事偵察等領域，具有明顯的社會、經濟和生態效益。水文方面，遙感為全球和區域水循環研究及水資源管理中涉及到的水文氣象要素提供了新的技術手段，包括降水、蒸散、湖泊水庫河流水位、土壤濕度、地下水、流域總水儲量變化、積雪與冰蓋等。此外遙感信息具有周期短、同步性好、及時準確和分布式等特點，能較好地滿足水文模擬準實時、空間分布的需求，可通過與水文模型進行有效結合，模擬水文過程，研究水循環規律。

遙感技術應用與水資源監測

1.地下水資源問題

傳統地下水觀測一直是一項很復雜的工作，常因為各種困難導致出現人工勘測數據不足、觀測數據不準確等問題。遙感技術的應用為地下水資源調查和監測提供了新的探測手段。衛星遙感基于光學、被動微波、主動微波及多傳感器聯合反演土壤水分，為土壤水分信息的獲取提供了有效手段[3]。目前已有的衛星遙感土壤水分產品包括土壤濕度與海洋鹽度衛星產品。美國宇航局SMAP計劃（Soil Moisture Active and Passive）實現了主被動微波相結合的土壤水分觀測和制圖[3]。利用全球導航衛星系統GNSS（Global Navigation Satellite System）L波段微波地表反射信號進行土壤水分估算現已成為一個新興的研究方向[4]。

面對人類活動導致地下水資源開采量日益增加，引起區域重力變化和地表沉降的問題，由美國宇航局（NASA）和德國航空中心共同研制的重力恢復與氣候實驗衛星（Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE，簡稱重力衛星）以其獨特的觀測方式對陸地水資源儲量的變化進行觀測。重力衛星觀測陸地水儲量變化的基本原理是萬有引力定律，通過搭載的微波測距系統和全球定位系統（GPS）等儀器，精確測量（精度在10微米以內）兩顆衛星之間的距離變化，從而反演地球重力場由于質量輕重分布所引起的變化。

基于熱紅外遙感的農田蒸散估算方法研究是農業遙感領域重要前沿課題之一。NASA地球觀測系統發布的全球MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）陸地蒸散產品（MOD16）已廣泛應用于科學研究中，我國研發的環境衛星和風云衛星區域蒸散估算也已進入業務化階段，為農業科學管理注入新活力。

2.地表水資源問題

相較于傳統的地面監測手段，遙感可以大范圍、快速、客觀地獲取地表水體信息，作為傳統地面監測手段的有效補充。

對于河道斷面流速、河寬等要素，遙感監測方法主要包括地基雷達監測和航空航天雷達監測。地基雷達監測是在水體岸邊架設雷達設備，通過測量電磁脈沖在發射器和接收器間的傳播時間差測量河段流速、河寬等過水斷面參數的一種監測方式。航空航天雷達監測是利用微波遙感技術監測河流流速、水深、水面寬度等斷面狀態信息，并可結合地面實測數據，建立遙感經驗關系模型或全遙感模型，推求流量數據。該方法更適用于人口稀少、位置偏遠及氣候條件較為惡劣的高寒地區。

地表水體的變化和地表水質多采用多光譜衛星遙感監測。對地表水體變化的監測原理是利用水體和其他地物在多光譜影像上的光譜特征的明顯差異，以及在不同波段上的吸收和反射特性來突出水體[8]。對地表水質監測的原理是通過監測水體吸收和散射太陽輻射的光譜特征，分析影響了水體光譜反射率物質的光譜特征變化，建立相關水質模型，反演出物質的各組分含量，進而定量監測水質。

對于內陸水域水位變化的監測通常采用地面定點、連續觀測的方法，人、財、物的成本較高。衛星上搭載微波雷達測高儀、輻射計和合成孔徑雷達等設備，可測量衛星到水面的距離、后向散射系數和有效波高等參數，經過處理和分析后實現對水位的實時監測。

冰蓋和海冰變化影響地球表面能量平衡，進而影響全球的天氣和氣候。近年來，衛星測高技術由最初對海平面變化觀測，逐步向測量冰蓋厚度及內陸水域水位變化監測方面發展，這對少/無地面觀測資料的地區意義重大。傳統雷達測高衛星如Skylab、Geosat和Seasat等足跡覆蓋范圍大，僅在海面或較大湖面等表面精度較高[6]。冰、云和陸地高程衛星（ICESat）是NASA于2003年發射的第一顆專門用于測量極地冰量的激光衛星。ICESat上搭載的地學激光測高系統用于地面測高及確定地表粗糙度，同時可以測定冰原質量平衡及對海平面變化影響[7]。而后歐洲空間局發射了其第一顆冰探測衛星CryoSat-2，支持以更高的分辨率探測冰蓋和海冰變化。

3.洪澇干旱災害問題

科學有效的洪澇災害監測和評估可為防災減災決策提供重要依據。目前國內外利用遙感監測洪澇災害的方式有二：一是通過降水觀測衛星加深對降水結構的認識，提升降水預測能力；二是準確快速提取下墊面、洪水淹沒面積等洪水災情信息。

全球降水觀測計劃（The Global Precipitation Measurement，GPM）是NASA和日本宇宙航空開發機構（JAXA）共同開發設計進行全球尺度的降水觀測的國際衛星觀測計劃。GPM的核心觀測平臺于2014年2月28日在日本成功發射，是迄今為止最先進的降水量測量衛星。衛星觀測時間分辨率可達30min，觀測范圍可覆蓋全球陸地和海洋表面的90%，且可分辨雨、雪等降水形式，GPM核心觀測平臺上搭載了雙頻測雨雷達以及微波成像儀，通過對云結構和動力進行觀測，可以更好地了解降水過程，也可以更頻繁更全球化地精確觀測降水。

在洪澇災害監測中，光學遙感數據中的空間分辨率比較高，故MSS（多光譜掃描儀）、TM（專題繪圖儀）、SPOT（地球觀測衛星系統）等廣泛應用于洪災發生前土地利用信息的提取，為洪澇監測提供背景數據。而對于洪水淹沒面積等需要近實時動態監測的災情信息，需要有高時間分辨率的遙感數據進行補充。如風云三號A星（FY-3A）極軌氣象衛星既有光學遙感又有微波遙感，有較高的時間空間分辨率，且不受各種天氣狀況的影響，具有全天候、全天時的監測能力。國家衛星氣象中心成功地將FY-3遙感數據用于2013年8月19日的松嫩流域及綏濱洪澇水體監測。

目前衛星遙感監測干旱的種類主要包括基于地物反射光譜的干旱監測、熱紅外遙感干旱監測、基于植被指數和地表溫度的干旱監測、 基于蒸散的干旱監測、基于土壤濕度的干旱監測和干旱監測綜合模型[8]?？傮w而言是通過建立遙感獲得的植被狀況、地表溫度、熱慣量等參數與地面干旱監測指標如土壤濕度的關系來間接監測干旱。然而，干旱問題的復雜性以及衛星遙感技術存在的不確定性，導致遙感監測干旱技術在監測指標的普適性、可比性及實用性等方面還存在許多問題。AVHRR數據是1980年以來各國進行衛星干旱監測的最主要的數據源。20世紀90年代后，MODIS、AMSR-E等新一代傳感器升空以及我國風云等衛星的業務化運行，進一步推動了遙感干旱應用研究的進步和普及。

未來遙感水文學的發展仍有許多亟待解決的問題，如提升遙感產品時間、空間精度，解決遙感水文應用中的尺度問題；建立水循環要素立體觀測體系，實現多傳感器聯合觀測，多源數據融合的水資源觀測；加強遙感信息與水文模型同化，實現遙感技術與水文模擬技術無縫耦合等。遙感可以為水文學提供海量數據，提高對遙感數據的利用能力是發展的必然趨勢。隨著電子信息、計算機等學科的發展，遙感數據勢必會在水文水資源研究中發揮更大的作用。

[1]唐國強，龍笛，萬瑋，曾子悅，郭曉林，洪陽. 全球水遙感技術及其應用研究的綜述與展望. 中國科學：技術科學，2015，45（10）：1013-1023.

[2]杜利娟. 遙感技術在水利信息化中的運用. 河南科技，2017，（15）：45-46.

[3]陳書林，劉元波，溫作民. 衛星遙感反演土壤水分研究綜述. 地球科學進展，2012，27（11）：1192-1203.

[4]萬瑋，陳秀萬，李國平等. GNSS-R遙感國內外研究進展. 遙感信息，2012，3：117-124.

[5]朱鶴. 遙感技術在地表水源地水體監測中的應用研究. 中國水利水電科學研究院，2013.

[6]于飛. 衛星測高探測極地冰蓋與內陸冰川高程變化的方法研究. 遼寧工程技術大學，2015.

[7]文漢江，程鵬飛. ICESAT/GLAS激光測高原理及其應用. 長江大學學報自然科學版，醫學卷，2005，5：33-35

[8]郭鈮，王小平. 遙感干旱應用技術進展及面臨的技術問題與發展機遇. 干旱氣象，2015，33（1）：1.