司井丹

(黑龍江省水文局，哈爾濱150001)

遙感技術(shù)在水文監(jiān)測(cè)中的綜合應(yīng)用及其前景展望

司井丹

(黑龍江省水文局，哈爾濱150001)

遙感技術(shù)具有周期短、信息量大和成本低的特點(diǎn)，為水文水資源的研究提供豐富的數(shù)據(jù)源。文章介紹了遙感技術(shù)在水文監(jiān)測(cè)洪水預(yù)報(bào)和控制、地下水、地表水管理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用，并展望了今后發(fā)展的方向。

遙感技術(shù);遙感影像;水文;管理決策;前景展望

0 引言

遙感是泛指一切無(wú)接觸的遠(yuǎn)距離探測(cè)，包括對(duì)電磁場(chǎng)、力場(chǎng)、機(jī)械波等的探測(cè)。遙感不同于遙測(cè)和遙控，它是應(yīng)用探測(cè)儀器，不與探測(cè)目標(biāo)接觸，從遠(yuǎn)處把目標(biāo)的電磁波特性記錄下來(lái)，通過(guò)分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測(cè)技術(shù)。

遙感技術(shù)在水文工作中應(yīng)用廣泛、尤為重要。遙感技術(shù)在降水、蒸發(fā)散發(fā)、水質(zhì)(地下水質(zhì))、徑流、洪水過(guò)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水域面積的識(shí)別及流域水文模型中的應(yīng)用和衛(wèi)星遙感技術(shù)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。是提高水文信息采集、改革水文測(cè)驗(yàn)方式，提高應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力，逐步形成駐測(cè)、巡測(cè)、調(diào)查、應(yīng)急監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合的多方式、多層次的水文監(jiān)測(cè)體系，是持續(xù)全省水文事業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展，不斷提高服務(wù)水平、拓寬服務(wù)領(lǐng)域的一項(xiàng)十分重大而緊迫的任務(wù)［1］。

近年來(lái)，伴隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感技術(shù)在水文水資源調(diào)查方面得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在長(zhǎng)江流域水災(zāi)監(jiān)測(cè)中，采用雷達(dá)成像，通過(guò)通訊衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳輸?shù)絿?guó)家防洪指揮中心，及時(shí)提供洪水的淹沒(méi)范圍情況，從而獲得了準(zhǔn)確災(zāi)情數(shù)據(jù)，為抗洪救災(zāi)決策和災(zāi)情評(píng)估作出了重要的貢獻(xiàn)［2］。

1 監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)

借助遙感對(duì)水文現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)取決于同一地點(diǎn)的圖像時(shí)間序列或多時(shí)相圖像的使用。并有圖像得到的地形與地面水文信息之間確定一種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，利用這種關(guān)系減少獲取困難卻價(jià)格昂貴的水文地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這種應(yīng)用對(duì)隨季節(jié)變化的沼澤地區(qū)進(jìn)行蒸發(fā)量估計(jì)和融雪徑流十分有效。

2 洪水預(yù)報(bào)和控制

洪水是人類(lèi)面臨的最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。由于徑流，特別是就留水位不能直接由傳感器來(lái)探測(cè)時(shí)，就要用到遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行變換的數(shù)學(xué)模型，由遙感數(shù)據(jù)對(duì)降水量進(jìn)行初始估計(jì)，獲取遙感數(shù)據(jù)，將這些遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成水文氣象相關(guān)的數(shù)據(jù)，再把降水量分布圖轉(zhuǎn)換成徑流水位圖，將這些徑流水位圖用于實(shí)時(shí)防洪控制中。遙感技術(shù)使得高質(zhì)量的信息能夠用于實(shí)時(shí)管理決策［3］。這對(duì)一些水管理特別是以洪水和灌溉或以改善和控制水質(zhì)為目的的大壩放水等決策是十分重要的;對(duì)洪水管理而言，其過(guò)程具有極強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性，對(duì)于僅僅持續(xù)幾個(gè)小時(shí)的甚至更短時(shí)間的洪水過(guò)程來(lái)說(shuō)，遙感技術(shù)可以在5 min間隔期內(nèi)獲取數(shù)據(jù)。洪水的預(yù)報(bào)有助于人們?cè)诤榉宓絹?lái)之前采取行動(dòng)，這樣可以阻止人員的傷亡并把洪水災(zāi)害的損失降到最低程度。

3 地下水管理

基于非地面的微波傳感器具有一定的穿透能力，但是只有在滿足特定條件下，即被測(cè)量對(duì)象表面紋理粗糙、地形單一和地下水水位較淺時(shí)，才有可能測(cè)得真實(shí)數(shù)據(jù)。通過(guò)遙感技術(shù)可以對(duì)地表和地質(zhì)概況建立三維水文調(diào)節(jié)點(diǎn)和區(qū)域地下水表層的估計(jì)，通過(guò)地下水水流體系，擴(kuò)展概念化地下水模型［4］。

遙感技術(shù)的應(yīng)用還可以就概念化的地下水模型，考慮將所有信息加以利用，討論模型參數(shù)達(dá)到的上限時(shí)如何使用遙感數(shù)據(jù)，即地下水補(bǔ)給、蒸發(fā)散失和用地下水灌溉的用水量估計(jì)。

選擇遙感技術(shù)進(jìn)行地下水補(bǔ)給的主要原因是:遙感是評(píng)估地下水的空間分布的唯一方法;地下水的水質(zhì)和水量已經(jīng)成為一種稀缺資源，這種資源受到近地表?xiàng)l件的影響，特別是土地覆蓋類(lèi)型和土地利用狀況的影響。遙感技術(shù)不僅可以了解區(qū)域水文，最重要的是可以在缺乏地形數(shù)據(jù)的地區(qū)采用遙感成像估計(jì)地下水補(bǔ)給量和地下水灌溉的需水量，以及便是只有最少地下水水文數(shù)據(jù)地區(qū)的水流系統(tǒng)。目前地下水研究中的遙感技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍采用定性分析方法，立體航空相片的圖像解釋、多光譜圖像和有源微波圖像，在編輯和更新水文地圖、繪制相對(duì)補(bǔ)給量方面都十分有用。

4 地表水監(jiān)測(cè)

遙感技術(shù)在估算各種形態(tài)水域面積和需水量的方面起著非常重要的作用，并對(duì)地表水域的定期遙感測(cè)量對(duì)判斷水域長(zhǎng)期變化是很有幫助的。遙感所得數(shù)據(jù)除了核對(duì)地表水域各種特征進(jìn)行直接估測(cè)之外，還可以作為模擬河水流量和湖泊水位的水文模型的輸出數(shù)據(jù)。

用遙感數(shù)據(jù)近紅外線和可見(jiàn)光可以方便簡(jiǎn)捷地表示定位和確定邊界的問(wèn)題。因?yàn)樗畬?duì)近紅外線和中紅外線的波長(zhǎng)的能力吸收最多，該波段內(nèi)的能量很少被反射;二植被和土壤對(duì)可見(jiàn)光波反射低，但對(duì)近中紅外線的光譜波段反射卻很高，可知根據(jù)紅外灰度圖或多光譜掃描圖上反射紅外線的光譜波段，水體顯現(xiàn)深色而與周?chē)鷮?duì)比多明顯的部分就是土壤和植被。

5 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

將遙感技術(shù)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)源于20世紀(jì)70年代，使用電磁光譜的可見(jiàn)光和紅外部分測(cè)量光普差異，使用熱紅外測(cè)量水面的放射能量，建立光譜特性和水質(zhì)參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。影響水質(zhì)的主要因素是懸浮泥沙、含沙量、葉綠素、化合物、溶解有機(jī)物、有、農(nóng)藥、營(yíng)養(yǎng)物和熱釋放。懸浮泥沙、葉綠素、游街有機(jī)物和有在水面產(chǎn)生可見(jiàn)光和熱的變化會(huì)改變太陽(yáng)能量光譜或水面的熱輻射，遙感技術(shù)可以測(cè)量這些光譜信號(hào)的變化，得出水質(zhì)的變化。

遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于具有能同時(shí)提供時(shí)間和空間方面的水質(zhì)參數(shù)的能力，而這在實(shí)地測(cè)量中通常是得不到的。遙感使得景觀監(jiān)測(cè)可行、高效成為可能，還能識(shí)別具有嚴(yán)重水質(zhì)問(wèn)題的水體。這些水質(zhì)參數(shù)通?？梢杂眠b感技術(shù)量化的，從而制定出減少?gòu)牧饔虻剿w的物質(zhì)轉(zhuǎn)移的管理計(jì)劃，以降低污染物對(duì)水質(zhì)的影響。

地面和遙感測(cè)量的結(jié)合需要收集必要的數(shù)據(jù)，建立并校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以及?yàn)證更多的物理模型。由于水系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)和快速變化的，所以水中的物質(zhì)是持續(xù)變化的。水養(yǎng)的位置應(yīng)該用GPS確定，保證遙感數(shù)據(jù)的正確性，通常將3或5列像素取平均值得到所需的遙感數(shù)據(jù)，以便說(shuō)明水體的動(dòng)態(tài)特性，由于所有的水體都會(huì)產(chǎn)生不同程度的方式，大多數(shù)的陰影像素來(lái)自自然堂，這都可能導(dǎo)致過(guò)矯正，所以在水質(zhì)研究中使用模糊像素技術(shù)應(yīng)加以注意。因?yàn)榉瓷渎屎洼椛渎手饕菑乃鏈y(cè)得，所以改進(jìn)計(jì)算方法對(duì)估計(jì)水面布置非常重要。

水文科學(xué)的未來(lái)發(fā)展很大程度上取決于是否能夠獲得模型改進(jìn)和校準(zhǔn)所需的充足數(shù)據(jù)。遙感技術(shù)能夠并且應(yīng)該在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。如果不使用遙感技術(shù)，水文科學(xué)未來(lái)的發(fā)展即使沒(méi)有完全停止不前，也會(huì)受到嚴(yán)重的阻礙。如果遙感技術(shù)在水文科學(xué)中得到迅速的應(yīng)用和發(fā)展，那么就能成功解決以前水文學(xué)和水資源管理中的一些難題。

隨著遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，多平臺(tái)、多時(shí)相、高分辨率的遙感技術(shù)不斷出現(xiàn)，遙感技術(shù)將在越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于水文水資源領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要的作用，將常規(guī)方法和遙感技術(shù)相結(jié)合必將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］梅安新，彭望琭，秦其明，劉慧平.遙感導(dǎo)論［M］.北京:高等教育出版社，2001:37－41.

［2］呂國(guó)凱.遙感概論［M］.北京:高等教育出版社，1995:59－63.

［3］謝壽生.微波遙感技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1987:36－39.

［4］張永生，王仁禮.遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)［M］.北京:解放軍出版社，1999:97－101.

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1007－7596(2014)07－0241－02

2014－03－04

司井丹(1980－)，男，黑龍江雙鴨山人，工程師。