遙感技術(shù)在水利信息化領(lǐng)域中的應(yīng)用

文濤 潘文俊

（1.廣東華南水電高新技術(shù)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(shù)研究中心，廣東 廣州 510611）

遙感技術(shù)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(shù)[1]。因遙感技術(shù)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(yīng)用于各領(lǐng)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(shù)被應(yīng)用于水利信息化工作中，并在旱澇災(zāi)害監(jiān)測、水利工程建設(shè)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(shù)在水利信息化中的應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 水資源監(jiān)測

當前，遙感技術(shù)已成為水資源監(jiān)測的常用技術(shù)[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(xué)或雷達等技術(shù)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(xué)與雷達技術(shù)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(xué)方法等技術(shù)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(shù)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(gòu)造等因素有關(guān)，利用遙感技術(shù)生成圖像提取地質(zhì)構(gòu)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(shù)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(shù)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(shù)，通過應(yīng)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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取；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(xué)處理技術(shù)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(shù)相結(jié)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(shù)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(shù)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(shù)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(jié)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(shù)監(jiān)測熱污染源。總而言之，利用遙感技術(shù)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(zāi)害監(jiān)測

早在20 世紀80 年代，遙感技術(shù)就被應(yīng)用到水旱災(zāi)害監(jiān)測上，通過在永定河、荊河等河流進行防洪試驗，構(gòu)建了24 小時洪澇災(zāi)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(guān)系與動態(tài)變化，為抗洪救災(zāi)等提供支持。還可利用遙感技術(shù)適時抓取水文信息，并與遙感圖像相結(jié)合掌握洪澇災(zāi)害的發(fā)生過程，從而制定合理的抗洪救災(zāi)計劃。可通過遙感技術(shù)精確度到米級的作物識別能力，在災(zāi)害發(fā)生后，快速評估受災(zāi)害影響的作物種植范圍和面積，以便形成更具針對性的應(yīng)急處置方案。同時可追溯過去多年的水旱災(zāi)害情況，用于大規(guī)模歷史災(zāi)害調(diào)查。此外，依據(jù)遙感技術(shù)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(zāi)、災(zāi)后重建提供參考信息。

1.6 水利工程勘測

將遙感技術(shù)應(yīng)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(shù)支持[9]。第一，借助于遙感技術(shù)能快速獲取工程地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)，分析地質(zhì)構(gòu)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(shù)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(shù)應(yīng)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(shù)提供參考依據(jù)。當前，遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水庫等工程建設(shè)，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(shè)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(shù)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(xué)評估。

2 遙感技術(shù)用于水利信息化中存在的問題

2.1 應(yīng)用水平低

遙感技術(shù)在水利信息化領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，但因技術(shù)人員的遙感技術(shù)水平有待提高，造成不能充分發(fā)揮遙感技術(shù)的優(yōu)勢，究其原因有如下幾點：一是在將遙感技術(shù)應(yīng)用于水利信息化的過程中，用人單位未對技術(shù)人員進行科學(xué)的培訓(xùn)與再教育工作，導(dǎo)致技術(shù)人員僅僅通過以往所學(xué)的水利測繪技術(shù)與傳統(tǒng)的工作經(jīng)驗使用各類遙感設(shè)備，必然導(dǎo)致技術(shù)運用效果差強人意。二是用人單位在技術(shù)人員的培養(yǎng)與職業(yè)規(guī)劃方面存在缺陷，對技術(shù)人員的業(yè)務(wù)能力提高不重視，導(dǎo)致人才流失嚴重。三是水利等相關(guān)部門缺乏外部支撐與外部交互體系，導(dǎo)致遙感技術(shù)中的相關(guān)重要科研成果不能直接應(yīng)用于水利信息化工作，種種因素的限制，導(dǎo)致遙感技術(shù)在水利信息化中的應(yīng)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(shù)取得一定的發(fā)展，但由于水利信息化技術(shù)涉及的內(nèi)容復(fù)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(shù)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(shè)技術(shù)仍有待提高，再加之與遙感技術(shù)相關(guān)的信息系統(tǒng)不完善，盡管遙感技術(shù)已早被應(yīng)用于工程建設(shè)，但尚未建立全國通用的監(jiān)測系統(tǒng)，導(dǎo)致遙感技術(shù)的推廣及使用受到一定的限制，所以相關(guān)部門要就遙感技術(shù)盡快制定全國范圍的使用制度，構(gòu)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(gòu)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(shù)應(yīng)用的一大問題。

2.3 遙感技術(shù)的局限性

遙感技術(shù)是一門涉及地質(zhì)、數(shù)學(xué)、計算科學(xué)、物理等學(xué)科的技術(shù)，遙感系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)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(yīng)用效果產(chǎn)生影響。在遙感技術(shù)的具體應(yīng)用中，其還存在以下局限性：第一，遙感技術(shù)應(yīng)用于水利信息化建設(shè)，盡管取得了一定的效果，但在遙感技術(shù)的使用過程中仍存在一定的問題，如遙感技術(shù)解譯水平不高、方法不恰當?shù)取＠纾诨旌瞎庾V的應(yīng)用中，遙感技術(shù)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(shù)在水利信息化的應(yīng)用效果，遙感技術(shù)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(shù)所使用的數(shù)字模型多是服務(wù)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(shù)應(yīng)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(shù)，從而為水利信息化提供技術(shù)支持。

3 遙感技術(shù)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(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，遙感技術(shù)結(jié)合航空遙感，輔以計算機技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)，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(shù)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(shù)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(yīng)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(gòu)法獲取遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)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(chǔ)的模型夯實基礎(chǔ)，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(shù)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(shù)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(guān)數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，而高光譜遙感技術(shù)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(shù)應(yīng)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(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)的不斷進步，實現(xiàn)了理論到應(yīng)用的深入研究，技術(shù)模型不斷革新，必會對未來定量化的使用技術(shù)產(chǎn)生較為深遠的影響。

4 結(jié)語

當前，遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于旱澇災(zāi)害監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測、水利工程建設(shè)等方面，并取得了一定的效果。隨著科技的進步，遙感技術(shù)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(shù)應(yīng)用于水利信息化工作帶來更好的助力。