遙感技術在我國水文學中的應用研究進展

甘 容 陶 潔

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001；2.河南省地下水污染防治與修復重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.鄭州市水資源與水環境重點實驗室，河南 鄭州 450001)

水文學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、研究水文現象及其規律性而逐步形成的一門科學，是地球科學的一個分支。水文學既包含基礎研究內容，如水循環轉化機理及過程，也包括水文學應用服務內容[1]。由于客觀世界的復雜性、廣泛存在的不確定性以及人類認識上的局限性，水文學仍有許多難點問題在理論上和實際應用中未能很好解決。隨著現代科學技術的發展，研究手段不斷改進，水文學也在不斷發展之中。

遙感技術是指不直接接觸物體，主要依賴電磁波進行信息傳遞，從遠處通過探測儀器接收來自目標地物的電磁波信息，經過對信息的處理，在不與被研究對象直接接觸的情況下，實現遠程識別物體的技術。根據遙感平臺可將遙感分為地面遙感、航空遙感、航天遙感；根據電磁波譜可分為紫外、可見光、紅外、微波、多光譜遙感；根據電磁輻射能源可分為被動遙感、主動遙感；根據應用目的可分為農業遙感、林業遙感、地質遙感及環境遙感等。

遙感技術改變了傳統獲取信息的方式，可以同時收集多種類型的數據信息，實現數據的實時上傳，工作周期短；且不受時間和地域的限制，使用范圍廣泛；依托于現代科技，減少了煩瑣的人工勞動，降低了成本，已成為現代探測與診斷技術之一[2]。遙感技術在水文水資源方面得到了很好的應用，傅國斌等[3-4]探討了遙感技術在水文學中的應用尺度問題及研究進展；張煒等[5]闡述了遙感技術在現代水文學中的應用。近年來，隨著我國科技水平的不斷提升，遙感技術得到了突飛猛進的發展，在水文學中的應用也有了長足的發展。對此，本文在廣泛閱讀2017—2018年相關文獻的基礎上，系統梳理了中國近年來遙感技術在水文學的應用研究進展。

1 遙感技術在水文學中的應用

1.1 水域及土地利用變化中的應用

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，偏重于方法上的應用創新。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混淆，針對這個問題可以采用一種基于面向對象和人工蜂群的地表水體提取方法，利用DEM與遙感綜合、簡化的脈沖耦合神經網絡、稀疏表達方法等方法，可以提高水體提取精度。

b.通過不同時期的遙感監測，得到不同時期的水域面積，進而探討水域面積動態變化時空特征及影響因素。此類研究文獻較多，一些學者基于遙感數據，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變化的遙感監測與分析。

c.城市不透水面估算。主要進展為基于遙感數據，提出了采用隨機森林模型與支持向量機模型對城市不透水面進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劃及管理的信息保障，是區域環境與氣候研究的基礎。遙感技術是提取土地利用/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衛星數據與面向對象的分類方法，基于物候參數和面向對象法來提取土地利用/植被覆蓋信息。

b.擴展應用。基于遙感影像數據，在獲得土地利用/植被覆蓋的基礎上，部分學者開展了時空變化特征、喀斯特地貌景觀格局、生態輸水影響、生態服務價值測算、氣候變化的響應、森林景觀格局穩定性、城鎮用地擴張、沙漠化分析研究。

1.2 水循環及水文模型中的應用

1.2.1 降水

降水是流域水循環過程及水量平衡的重要環節，也是水文氣象的重要因素。與氣象站觀測降水數據相比，遙感降水產品能夠更好地反映降水的空間分布特征，且能彌補無氣象站實測資料的缺憾。由于遙感降水數據存在很大的不確定性，需要通過一定的方法進行校正后才能使用，也可以與研究區的實測降水數據進行對比，評價其效果。近年來關于遙感技術在降水應用中取得的進展，主要體現在對不同數據源的遙感降水產品的精度及適用性的評價研究。另外，還體現在對遙感降水產品數據處理的方法方面，如降水數據的降尺度研究、復合校正方法、反演與驗證研究。隨著遙感技術的發展，可以應用多參數雷達遙感監測區域實時降雨強度，進而應用到城市內澇防治體系、城市雨洪等方面。

1.2.2 蒸散發

蒸散發是水循環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。大尺度上的實際蒸散發不能被直接觀測，遙感技術也不能直接得到蒸散發數據，但是可以通過對相關遙感數據的處理，借助一定的方法和模型估算反演得到區域蒸散發量。如可采用地表能量平衡原理、SEBS模型、隨機森林算法等進行長時間序列的蒸散發量監測和反演。

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。遙感技術在冰雪水文方面的應用主要體現在以下3個方面：

a.冰川變化的遙感監測。主要基于不同時期的遙感影像數據，采用一定的方法提取冰川信息，進而分析冰川的變化趨勢特征。如一些學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、天山南伊等地區的冰川變化研究。

b.雪線監測及提取方法。冰川雪線高度的遙感提取對冰川物質平衡研究具有重要意義，可采用一種基于晴空環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品數據，開展積雪產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的關鍵因素。遙感技術在徑流方面的應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，提出了一種水力學與遙感相耦合的徑流反演模型。

水文模型是將復雜的水文現象和過程，用模擬的方法概化后的近似的科學模型。模型包括輸入和輸出部分，降水數據是水文模型輸入的主要參數之一，將不同的遙感降水數據引入到水文模型中已成為區域水文模擬的熱點。現已評估了不同的衛星遙感降水數據在VIC模型、MIKE SHE模型、三水源新安江等模型中的應用效果，并開展了水文過程及洪水過程模擬。遙感技術在水文模型其他方面的應用也有一些進展，如構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星數據且精度較高的太湖水體漫衰減系數估算模型。

1.3 水文效應及旱情監測

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，監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境問題，土壤有機質是目前土壤質量評價的重要指標。近年來遙感技術對土壤水鹽監測的應用進展主要體現在以下兩個方面：

a.如何進行土壤水分遙感反演或提高土壤水分遙感反演的精度。不同的學者提出了不同的方法，有植被供水指數VSWI模型法、改進植被指數法，利用試驗反射光譜數據等進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.土壤鹽分及有機質的遙感反演研究。將遙感數據與實測土壤鹽分數據相結合，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分含量的高光譜遙感反演；基于遙感數據，構建包含含水量變化與有機質含量信息的多光譜指數，建立土壤有機質的遙感反演模型[8]。

1.3.2 地表溫度

地表溫度是驅動土壤熱狀態的主要因子，是一些地表過程模型的輸入參數之一。和降水數據一樣，傳統方法獲取的地表溫度數據一般來自氣象站點，范圍小且不連續。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定性。冬季由于對云與雪的混淆，可能導致大量MOD11A1地表溫度產品的數據缺失，影響其在東北凍土區的使用，可以利用劈窗算法反演少云或無云的MODIS1B衛星影像，估算地表溫度[9]。進一步擴展應用方面，基于TM影像數據，利用單窗算法反演可得到主城區地表溫度，并基于SPOT影像數據，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]；基于衛星遙感數據，采用逐日百分位數法，確定極端高溫事件，用來探討城市集群化發展對極端高溫事件的影響[11]。

1.3.3 旱情監測

干旱的頻繁發生和長期持續，不僅會造成經濟損失，還會帶來荒漠化加劇、水資源短缺等一系列環境問題。區域旱情的監測主要取決于土壤水分的監測。遙感技術在旱情監測方面的應用進展主要體現在以下兩個方面：

a.利用不同的遙感數據源，求得溫度植被干旱指數(TVDI)，進而監測區域旱情。

b.衛星遙感降水數據在干旱監測中的應用。降水是眾多干旱指標計算所需的直接或間接參數，基于衛星遙感反演的降水數據產品，具有較高的時空分辨率和較廣的覆蓋范圍，彌補了地面站點在空間分布上的不足，為干旱指標的計算提供了新的數據源。需要比較分析基于站點實測數據和衛星降水產品數據計算的各干旱指數，綜合評估衛星降水產品在研究區的干旱監測與評估效用[12]。

1.3.4 地下水位

地下水是水資源的重要組成部分，尤其在內陸干旱區，由于降水稀少，地下水是綠洲生存的主要水源，地下水位動態變化與生態環境問題有著密切的聯系。傳統的地下水位獲取主要是通過單點打井觀測地下水位，該方法成本高，耗時費力，且代表性差，無法實現大面積的地下水位的監測和評價，通過遙感技術監測地下水位可以彌補此方法的不足。基于Landsat遙感數據和氣象數據，反演得到地下水位。而且利用MODIS衛星遙感數據，建立植被覆蓋時空數據集，可分析植被覆蓋變化對地下水位埋深的響應[13]。

1.3.5 水庫-庫容曲線

水庫-庫容曲線是水庫調度及運行管理的重要依據。傳統庫容曲線校核費時費力且成本高。利用基于遙感技術的水體信息提取方法，提取得到庫區內的水體面積，結合影像成像時間對應的實測水庫水位值，根據統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+遙感影像及實測水位數據，推導出研究區的水位-水面面積函數關系，運用積分方法得到庫容曲線[14]。

1.4 水生態環境中的應用

1.4.1 湖泊水化學

遙感技術在湖泊水化學方面的研究，主要體現在建立遙感參數與湖泊水化學特征參數之間的反演模型。湖泊透明度是湖泊水體性質的重要參數之一，是有機和無機顆粒進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遙感影像數據及湖泊實測透明度值，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物(CDOM)是湖泊生態系統中氮、磷等有機營養物質的重要來源，利用衛星遙感數據可反演水體中CDOM濃度。磷是生物體組成的元素，也是引發湖泊水體富營養化的關鍵因子，為了改進傳統總磷采樣的缺點，進行實時監測，可利用衛星遙感數據，采用最小二乘支持向量機遙感反演總磷質量濃度的監測方法[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系統，有其獨特的生態功能和價值。濕地水文特征參數在水資源合理配置規劃及災害預警中具有重要的地位，可依據多源多時相遙感數據，反演得到濕地水文特征參數，構建濕地水文特征參數綜合反演技術框架體系[17]。遙感技術在濕地方面的應用，主要體現在基于不同時期的遙感影像數據，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。然而由于外部環境的影響同一類地物可能表現出強烈的光譜差異，而不同的地物類型，由于自然植被沒有明顯的邊界，可能表現出很強的同質性，從而影響濕地遙感分類的精度，針對該問題，提出采用卷積神經網絡方法，進行高分辨率濕地遙感影像的分類研究。

1.4.3 沙塵

風將大量沙塵卷入大氣中，導致大氣水平能見度小于1km的災害性天氣現象，稱為沙塵天氣。衛星遙感技術可以對沙塵過程進行實時動態監測, 懸浮的沙塵粒子與大氣中其他物質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靜止衛星數據，實現了對華北地區沙塵污染的起源、行進軌跡和形成過程的24小時的三維動態觀測[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 水土流失監測

為了掌握區域水土流失變化規律與發展趨勢，需要開展水土流失動態監測。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。在近期進展中，主要為如何準確、快速有效地使用遙感影像數據，獲取植被覆蓋度信息，進行水土流失監測。基于水利部頒布的土壤侵蝕分類分級標準，構建了一種水土流失遙感監測土地利用現狀分類體系[20]。

1.4.5 生態系統評價

生態系統健康是保證生態系統服務功能的前提，遙感技術的廣泛應用，為生態系統健康的監測和評價提供了更有效的手段。進行生態系統健康評價，關鍵是要建立評價指標體系，針對海岸帶陸域生態系統健康評價，可從資源環境、人類活動、景觀生態3個方面，按活力、恢復力和組織力3個子系統選取代表性指標，構建遙感技術支持下的評價指標體系[21]。利用遙感和GIS空間分析相結合的方法，將研究區劃分為不同的單元，考慮不同類型區域的生態評價的適用性問題，進行不同尺度上的生態健康評價。為進一步解決評估生態系統時尺度轉換及系統性評估弱的問題，構建了小尺度潮間帶生態系統遙感綜合評估方法[22]。

1.5 其他方面的應用

此外，遙感技術還有在其他方面的應用研究。借助GRACE重力衛星可反演得到研究區的水儲量，進而分析水儲量的時空動態變化及其影響因素；基于衛星遙感技術，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切溝參數的精度；基于高分辨率遙感影像，進行遠程崩滑災害的判識與評估，研究城市“源”“匯”景觀格局與大氣霾污染的相關關系等。

2 結 論

a.遙感技術可提供面源而非點源信息, 且不受地域和時間的限制，可獲得常規手段無法測量到的水文參數和變量, 從而提供動態的、連續的和長期的大范圍數據資料，在水文學方面得到了廣泛的應用。

b.遙感技術在水文學中的應用進展主要體現在兩個方面：?方法上的創新，研究如何提高基于遙感數據的提取精度，如何提高水文變量的反演模型等，從而獲得準確的水文參數數據信息；?應用領域的拓展，基于遙感技術得到水文參數或變量，進而分析不同的水文現象和變化規律，可為水文預測、防洪抗旱、災情預警、水環境保護等提供有力的支持。

c.由于遙感技術獲取的數據信息量大，也會出現一定的局限性，目前遙感在水文學中的應用還受到傳感器、分辨率以及解譯精度等的影響。在進行相關應用研究時，需要進行規范的、有目的的篩選整理，應充分利用但不能盲目依賴遙感技術，可采用遙感技術與傳統監測相結合的方式，取長補短，更好地為水文學的研究提供準確的數據保障。

d.隨著科技的發展，可針對水文學中的具體問題，發射遙感衛星，進行更為專業化、精細化的模擬研究。各種遙感技術獲取的遙感數據集具有典型的大數據特征，隨著大數據的興起，運用大數據思維與手段，可從多種來源、多種分辨率、多種頻段、多種介質的海量遙感數據中獲取更多有價值的水文信息，遙感大數據在水文學中的應用將有很好的發展前景。