遥感技术在现代水文中的应用

摘要：本文结合遥感技术的特性，从降水、蒸散发、径流与水文模型、地表特征及参数提取、水土保持、土壤水分与旱情监测、水质监测、地下水等方面详细介绍了遥感技术在现代水文中的应用。

关键词：遥感 现代水文 水土保持

1前言

随着遥感技术的发展，我国多个领域已经广泛采用遥感技术，在水文水资源领域也逐步开始广泛应用。本文通过介绍遥感技术在水文水资源领域的应用，不仅降低了水文水资源领域的研究成本，提高了研究工作的效率，也促进了水文水资源在社会工作中的延伸发展。

2遥感在水文水资源中的应用

2.1降水

借助于遥感资料，可以获得降水的空间分布特征，特别是在雨量站和雷达观测站点较稀少的地区。用于降水估算的遥感信息源有雷达(数字雷达、WSR-88D雷达)、气象卫星和航空飞机等，其中雷达多用于局部短期雨量的预测预报，而气象卫星则主要用于大面积降雨估算。雷达是微波遥感的一种类型，它利用大气中的降水粒子对电磁波的吸收与散射作用，通过对回波信号的分析处理，确定来自空间采样体积中降水粒子的后向散射的能量，并由计算机计算出实时地面降雨量，由于云层的阻挡，直接用卫星来测定降雨量还不是切实可行的，但是可以将卫星技术与传统的地面测量方法结合起来测定降雨。目前，国内外应用卫星数据来估测降雨量的主要方法有：云层指数法、阈值(极限法)、生命——历史法、形状分类法、综合方法、微波辐射法等。航空遥感是被动式遥感，它实际上是深入云内及云体周围环境做各种飞行的气象专用飞机，可以测出不同的云滴、雨滴和冰晶粒子及其分布；近代探测飞机是采用计算机和各种资料处理系统，使飞机探测获得的大量云雨信息能自动收集、显示和记录下来。

国内遥感估算降水研究相对国外起步较晚，近几年取得了一些研究成果。2003年，王建华应用遥感技术根据不同云层和点雨量间的回归关系，建立了面雨量计算模型，并以GMS影像为信息源，对2000年黄河流域雨量进行遥感反演，精度较高[1]；2004年，李致家等[2]利用雷达估测降雨，并与水文模型耦合，将耦合的水文模型应用到实时洪水预报中；2006年，陈利群等[3]基于可见光和红外遥感反演降水的原理，在分析黄河源区降水强度与云亮温，云反射率以及云斜率参数的基础上，建立了黄河源区的基于NOAA／AVHRR—LAC资料估算1h、3h和5h降水强度模型。

2.2蒸散发

区域蒸发(包括土壤蒸发、水面蒸发和植物蒸腾)是区域水量平衡和能量平衡的重要组成部分。随着遥感技术的发展和应用，利用遥感技术估算蒸散发已成为研究的热点和趋势。能

量平衡是遥感方法估算蒸散发的理论基础：

Rn=G+H+LE式中：Rn是净辐射，G是土壤热通量，H是感热通量，LE是潜热通量，单位均为W/m2。

利用遥感研究蒸散发有很多方法，概括起来主要有以下四类：统计经验法、能量余项法、数值模型、全遥感信息模型。

2.3径流与水文模型

尽管遥感技术无法直接测量河川径流，但是借助于水文模型，遥感信息可以用来间接估算河川径流。作为一种信息源，遥感技术可以提供土壤、植被、地质、地貌、地形、土地利用和水系水体等许多有关下垫面条件的信息，也可以测定估算蒸散发、土壤含水量和可能成为降雨的云中水汽含量。以遥感为手段获取的上述信息在确定产汇流特性或水文模型参数时是十分有用的。刘昌明等[4]将应用遥感信息的水文模型粗略的分成三类：第一类是遥感信息和地面同步实测资料的回归模型；第二类是将遥感信息作为水文模型中参数的输入与估计或者是调整水文模型结构后与具有空间特征的遥感资料相耦合的遥感水文模型；第三类是应用遥感资料的水量平衡模型。

国外早期的研究主要是利用遥感资料提取流域地物信息、估算水文模型的参数，进行土壤分类、应用一些经验性的模型估算融雪径流、估算损失参数等。

国内在遥感应用于径流与水文模型方面的研究，主要集中在国外遥感水文模型的应用和运用遥感资料获取流域水文模型的输入以及率定有关的参数等方面。

2.4地表特征及参数提取

地表特征也称为水文下垫面，它影响着径流形成、运移及存储，是影响地面物质和能量交换的重要因素。地表特征遥感应用可以分为两类。

第一类是地表特征的识别和分类。由于不同的地物类型具有不同的波谱特性和分布规律，利用这些信息特征差异可以对地物进行区分，如水体识别、土地利用和土地覆盖分类等。

土地利用变化和土地覆被变化(LUCC)是引起水文过程变化的主要原因之一，遥感技术以其宏观快速、准确、准实时、周期性重复观测等优点在区域土地利用和土地覆被变化的监测中具有明显的优势，也得到了广泛应用。

第二类是地表特征参数的提取与估算。描述下垫面特征的几个重要地表特征参数有植被参数、地面温度、地表发射率和地面反照率等。其中植被参数又包括归一化差值植被指数

(NDVI)、植被覆盖度、叶面指数(LAD等。这些地表特征参数是蒸发遥感模型计算的关键，也是研究地表能量平衡和物质平衡的基础，但用传统方法很难得到区域上的信息，因此，利用遥感技术反演地表特征参数具有重大意义。

2.5水土保持

为了有效地进行水土保持工作，对土壤侵蚀和水土流失调查、监测和评价，具有十分重要的意义。目前，遥感技术成为水土保持研究的重要技术手段，在区域土壤侵蚀和水土流失研究中得到了广泛的应用。

(1)土壤侵蚀动态监测。应用遥感技术进行土壤侵蚀动态监测关键是提取影响土壤侵蚀的因子信息(如降雨、植被盖度、地形因子、成土母岩、土地利用类型以及人为活动等)。目前，应用遥感影响进行土壤侵蚀动态监测的方法有很多，较常用的有分类后对比法、逐像元比较法、影像与GIS数据叠加分析法，以及结合逐像元比较与分类后比较的混合动态监测方法等。我国自20世纪70年代以来，进行了国家和区域±壤侵蚀遥感调查，对全国大河、重点水土流失区进行调查与监测并编制了大量的遥感图件，特别是80年代以来，国家将遥感技术列为重大应用工程进行科技攻关，在黄土高原综合治理等重大项目中取得了一系列有价值的成果。

(2)水土流失定量研究。在众多水土流失定量计算模型中以美国通用土壤流失方程(USIE)的应用最为广泛。许多学者试图从遥感资料中提取通用土壤流失方程式(USLE)中的因子，用以分析和计算。例如，1997年，卜兆宏等[5]提出了一种水土流失定量遥感方法，该法的监测模型表达形式与USLE和RUSLE相同，但其因子算式算法由我国实测资料建立，该法尤其适用于遥感和GIS数据的微机处理。

2.6土壤水分与旱情监测

土壤水分(即土壤湿度或土壤含水量)，是联系地表水与地下水的纽带，也是研究地表能量交换的基本要素。土壤水分与干旱的遥感监测是是目前遥感技术应用研究的前沿领域，该领域的探索与研究也一直比较活跃。国内外许多研究人员都做了大量的研究工作，提出了许多监测土壤水分的方法，从遥感光谱波段的使用上，对土壤水分的遥感监测研究可分为两类。

第一类是光学遥感(即可见光一——近红外、热红外遥感)监测土壤水分。光学遥感监测土壤水分的内容十分丰富，算法也很多，比较成熟的方法有以下几种：①热惯量法。热惯量法最早由Watson等[6]提出，它需要利用热红外遥感影像反演下垫面温度，建立与土壤热惯量、土壤水分含量的关系模型和土壤表层与一定深度土壤含水量的关系模型来研究土壤的含水量。我国学者也作了大量研究工作，详细研究成果请参见文献[7～10]。②植被指数法。这种方法认为植被的缺水状况可以通过不同的遥感植被指数来表征，通过植被指数来间接估算土壤水分。常用的方法有归一化植被指数法、距平植被指数法、条件植被指数法、条件植被温度指数和植被供水指数法。③作物缺水指数法。作物缺水指数是土壤水分的一个度量指标，它是由作物冠层温度值转换来的，是利用热红外遥感温度和常规气象资料来间接的监测植被条件下的土壤水分，是遥感监测土壤水分的一种很重要的方法。

第二类是微波遥感监测土壤水分。微波对云层有较强的穿透力，不受光照条件限制，能够全天候工作，而且长波段微波能够穿透植被并对土壤具有一定的穿透能力。这些特点使得

微波遥感在土壤水分监测中就具有其独特的优越性。微波遥感法有被动微波遥感土壤水分和主动微波遥感土壤水分丽种。①被动微波遥感，主要是通过微波辐射计获得土壤的亮温温

度，然后通过物理模型反演土壤水分或与土壤湿度建立经验／统计模型。②主动微波遥感，主要利用土壤的介点特性和含水量间的密切关系。国内外许多学者对雷达后向散射系数和土

壤水分的关系进行系统研究，研究多依据统计方法，通过实验数据的相关分析建立土壤湿度与后向散射系数之间的经验函数关系，而以线性关系应用最普遍。

目前，虽然用遥感资料及其它辅助手段进行土壤水分监测的理论已趋成熟，也提出了许多方法，但是各种方法都有一定的适用条件。对于裸土，热惯量法和微波遥感法都能得到较好的结果。在全植被覆盖条件下，植被指数法和作物缺水指数法比较适用。如何解决部分植被覆盖条件下旱情的监测是一个值得研究的同题，隋洪智[]做出了有益的探索。

2.7水质监测

遥感监测水质，就是依靠监测光谱信号的改变，研究这些光谱的变化与水质参数之间的关系。通过遥感预测的水质参数有：悬浮颗粒物、水体透明度、叶绿素a浓度以及溶解性有机物、水中入射与出射光的垂直衰减系数和一些综合污染指标如营养状态指数等[11]。水质遥感的主要方法有：理论分析方法、经验方法、半经验方法。我国先后对海河、渤海湾、蓟运河、大连河、长春南湖、于桥水库、珠江、苏南大运河等大型水体进行了遥感监测，研究了有机物污染、油污染、富营养化等[12]。

2.8地下水

国外遥感技术应用于地下水资源的勘探评价可追溯到1961年，已经有40年的历史。随着遥感技术的发展，多源遥感数据广泛用于与地下水密切相关的地质条件的解译分析和地

下水有关的地表植被、温度、土壤水分等环境因素的提取，取得了有效的成果。李凤全[64]将遥感在地下水研究中的应用归纳为以下几个方面：地下水径流系统、地下水水质评价和制图、热影像应用、基岩地区和线性特征研究、地下水水质和地下水管理。2000年，朱第植等[13]针对南疆民丰戈壁沙漠地区，应用遥感技术，在地貌、水系、构造、古河道等系列解译的基础上，根据不同植被的影像特征建立了找水模型。

3结语与展望

(1)随着遥感技术的迅猛发展，多平台、多时相、高分辨率的遥感数据不断出现，如何将这些海量数据应用到水文水资源领域中是目前研究的热点问题。

(2)与常规观测方法相结合。用常规方法可以观测点上的水文变量(如降水量、蒸发和土壤含水量等)，而用遥感技术则可以提供空间面状水文变量的信息。但是，遥感技术直接或间接得到的水文变量要用常规观测的成果进行检验、率定。因此，常规方法和遥感技术相结合，取长补短，对探测水文变量是非常必要的。

(3)与地理信息系统(GIS)相结合。GIS是综合处理和分析空间数据的技术，将遥感数据源与GIS的结合，可以建立包含水文、气象、地形地貌、土壤植被、环境生态等资料的空间地理信息库，在水文水资源领域中发挥作用。

(4)无资料地区的水文过程研究。海量的遥感数据为开展无资料地区的水文过程研究提供了优越的数据源和前提条件。

(5)水文尺度问题研究。一方面，由于水文水资源科学自身尺度问题的复杂性，限制了遥感的应用；另一方面，遥感信息又对水文尺度问题提供了新的技术手段，使水文水资源科学迈上新的台阶。

参考文献

[1]王建华．年尺度下的黄河流域降水遥感反演[J]．资源科学，2003，25(6)：8—13．

[2]李致家，刘金涛，葛文忠，等．雷达估测降雨与水文模型的耦合在洪水预报中的应用[J]．河海大学学报(自然科学版)，2004，32

[3]陈利群，刘昌明，杨胜天，等．黄河源区降水遥感反演[J]．中国环境科学，2006，26(B07)：87—91．

[4]刘昌明，陈效国．黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理研究和进展[M]．郑州：黄河水利出版，2001．22—33．

[5]卜兆宏，孙金庄，周伏建，唐万龙，席承藩．水土流失定量遥感方法及其应用的研究[J]．土壤学报，1997，34(3)：235--245．

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[12]郑炳辉，王桥．环境遥感应用与展望[J]．航天技术与民品，2000，9：1一3．

[13]朱第植，徐洪展，郑纲，等．遥感技术在新疆民丰区域寻找地下水中的应用[J]．煤田地质与勘探。2000，28(5)：34--38．