水文遥感在水文模型中的应用探讨

水文遥感在水文模型中的应用探讨摘要：遥感作为宏观观测和信息处理技术和一种信息源，具有独特的数据获取方式和性能优势，有效地促进了水文水水资源技术的丰富和发展，本文在综述遥感技术在水文水资源领域广泛应用的基础上，论述了水文遥感应用于水文模型的特点，重点探讨了水文遥感在水文模型开发和检验中的作用，并对水文遥感的局限性和发展趋势进行了分析。关键词：遥感水文水资源水文模型1引言遥感技术是通过某种传感器装置，在不与被研究对象直接接触的情况下，获取其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门宏观的观测与信息处理技术[1]。水文遥感研究开始于60年代，随着遥感装置性能的提升和分析技术的进步，其具有的范围广、周期短、信息量大和可重复性、快速和成本低等优势突出，已被众多部门广泛应用[2-3]。水文学遥感最初研究目的在于确立水文站网的观测资料与流域自然条件之间的相互关系，以求较准确确定水文模型中的参数，提高水文分析计算、水文预报和水资源估算的精度[4]。随着技术的发展在水文水资源研究的许多领域得到应用：遥感技术对洪涝灾害监测评估有特殊的优势和潜力[5]；利用多时相遥感影像可以有效分析城市景观格局与城市水文效应间的关系[6]；遥感技术可应用于城市自然资源环境研究的趋势[7]；通过对遥感图像的对比确定人文工程对港口水文地质环境的影响[8]；利用卫星遥感影像数据并结合有关地面实测数据，可以定量测算出水库中的水资源量、化学成分、矿化度、水中生物、水温等；同时，卫星遥感在水库资源的开发利用方面，能发挥出独特的作用[9]。Carrol[10]估计遥感在水文学中应用的投入产出比为1:75～1:100，主要是指遥感用于防洪抢险、水资源规划与管理中的效率,利益驱动将推动遥感在水文水资源研究中的应用。目前，遥感应用于主要集中在水循环和能量循环中相关的不同水文变量和过程的测定以及水文模型研究方面，遥感水文耦合模型就是与遥感信息相结合的水文模型，是流域水文模型发展的一个重要方向，有广阔的发展前景[11]。2水文遥感特点分析遥感作为一种信息源,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等气象信息。同时，栅格式的遥感数据与分布式流域水文模型的数据格式有一致性，给概念理解和使用上都带来了方便。遥感应用于水文模型时具有下述特点[12]:(1)遥感技术获得的是面上观测数据而不是点上的观测数据；(2)可收集、存储同一地点不同时间的全部信息，即多时相信息；(3)可提供时间或空间高分辨率的信息；(4)数据不仅是可见光的信息，也可以是多光谱的信息，有利于利用与水文地质有关的谱段信息；(5)数据是以数字化的形式存储的，易于计算机的直接处理；(6)信息的积累与处理不妨碍数据的进一步观测与收集；(7)获得遥远的、无人可及的偏僻区域的信息；(8)一旦遥感监测网建立了起来，数据的观测费用可大大降低。3水文遥感在水文模型中的应用20世纪60年代和70年代的流域水文模型主要是概念性模型,即将流域水文过程概化为一系列的数学计算元件,并组合为一个系统。近几十年来，随着遥感技术、计算机科学和对水文水资源物理机制的研究和发展，基于物理基础的分布式和半分布式流域水文模型得到迅速发展和应用。目前，通过水文遥感和水文模型的结合，将典型区域水文实验与区域遥感数据相结合，建立水文模型，并进行水资源量估算已成为了国际水文科学研究的新进展[13]。3.1大尺度分布式流域水文模型开发和检验分布式流域水文物理模型是当今国际水文科学研究的重点和发展方向，而水文尺度转换问题也是其主要制约因素[14]。空间分辨率以及极佳的光谱分辨率,能够提供流域水文信息(土壤类型、植被、土地利用)及某些历史时刻土壤含水量以及地面产汇流量等水文变量的空间分布信息，识别和校核分布式水文物理模型中的物理参数，为开展大尺度分布式流域水文模型的研制和检验提供契机。刘昌明等[15]（2004）通过遥感技术,弥补传统监测资料的不足,实现无常规资料地区的建模问题，解决大流域分布式水文模型信息的不足，开发了黄河流域分布式水文模型并在在黄河流域的初步应用，表明模型具有一定精度，也为无资料地区模型开发和应用提供了基础。3.2降雨径流模型通过建立基于数据同化方法的遥感反演信息与降雨径流模型耦合技术框架，以提高降雨径流模拟与预报精度，已经成为当前水文学研究的一个热点。卫星遥感因其成本低、覆盖范围广、数据源稳定、有规则的重复周期,而成为水文数据同化研究的主流数据来源[16]。通过与GIS和RS的有机结合，对海量的气象和下垫面空间数据的处理与利用，使得基于的分布式水文模型在研究人类活动和自然环境变化对流域水文循环时空过程的影响，研究区域水资源生成与演变规律方面，具有独特的优势[17]。3.3洪水预报模型洪水灾害是造成人类伤亡和财产损失最大的一种自然灾害，利用遥感手段对洪水灾害进行实时动态监测，具有客观、准确、时效性高的特点。马铁民等[18]探索了将遥感技术、计算机技术，同经验的水文预报方法相结合，采用新安江三水源模型，研究了吉林省辉发河流域水文特性和洪水预报，为洪水预报方法研究拓展了空间，取得了良好的效果，可以准确、及时、全面地把握整个流域洪水的汛情状况及其发展变化趋势,在一定程度上可以起到防洪减灾的作用[19]。3.4蒸发蒸腾遥感模型遥感方法由于其覆盖范围大、更新速度快的特点，逐渐成为区域ET估算及其时空分布规律研究的一种有力工具。遥感植被类型、叶面积指数较好地反映了实际地表覆盖状况和叶面积指数的季节变化情况，而且随着遥感技术的不断发展，特别是多光谱、多角度、多分辨率遥感影像的应用，地表参数反演的精度在不断提高，区域蒸发蒸腾遥感模型也在逐步完善[20]。随着遥感技术和水文模型集成技术的进步，将分布式水文模型与遥感技术相结合在区域上进行蒸散发（ET）模拟和验证成为可能，利用遥感监测ET数据有助于蒸散发的正确模拟，从而有效地提高水文过程的模拟精度[21]。4水文遥感发展限制分析遥感技术在水文水资源中的应用可大致分为直接应用和间接应用两个方面，未来水文科学的发展在很大程度上取决于水文数据在时间和空间尺度的获取及其精度。在目前的实际应用中,还无法构建具有全方位监测能力且能广泛适用于不同空间尺度河流的监测方法。其主要制约因素为卫星影像时间分辨率与空间分辨率无法兼得和卫星探测能力不够2个方面。尤其是限制了遥感技术在中小河流监测上的应用，这就在一定程度上限制了遥感水文的应用。同时，水文学研究对象在空间上的复杂性与变异性给遥感技术的应用带来了困难[22]。目前，水文科学中应用的遥感信息,大都是数小时到月的中尺度时间分辨率。在提高中尺度时间分辨率遥感信息的解译精度、发挥其在水文科学作用的同时,如何将其向宏观和微观方向纵深发展,将遥感水文应用带入一个新的台阶,是遥感水文应用中的时间尺度问题。是遥感水文应用需要花大力气去解决的关键问题之一[23]。5结论和展望水文遥感技术供的技术支持和数据资料有效促进了水文水资源学科的丰富和发展。随着遥感技术的发展，多平台、多时相、高分辨率的遥感数据的不断出现，其与水文水资源的结合也会更加紧密。遥感与地理信息技术的结合，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重要作用。同时，多源信息的应用是未来水文科学发展的一个重要趋势，以遥感数据为主体的多源数字化信息的应用是数字流域建设的一个重要内容，但尺度问题上的时空变异性仍是其发展的关键。参考文献[1]魏秋月.水文遥感[M].北京:水利电力出版社,1995.[2]何延波,杨琨.遥感和地理信息系统在水文模型中的应用[J].地质地球化学,1997,27(2):99-103[3]杜文才,夏岑岭.水文水资源遥感研究中的若干问题[J].河海科技进展，1991,11(1):31-39[4]陈钦峦,朱静玉,汪慧慧.应用遥感资料分析流域下垫面地理因素的方法及其对地表水资源估算的意义[J].南京大学学报（自然科学版）,1981,（4）:545-551[5]李纪人.遥感和地理信息系统在防洪减灾中的应用[A].国家遥感中心.中国遥感奋进创刊20年论文集[C].北京:气象出版社,2001.307-311[6]戚晓明,杜培军,周玉良.基于遥感和GIS的城市景观格局演变与水文效应关系研究[J].国土资源遥感,2010,(4):103-107[7]刘珍环,王仰麟,彭建.不透水表面遥感监测及其应用研究进展[J].地球科学进展,2010,29(9):1143-1152[8]蔡则健,吴曙亮.从遥感图像看人文工程对港口水文地质环境的影响[J].国土资源遥感,2002,(4):27-29[9]田雨,林宗坚,卢秀山,等.基于遥感的水库水资源定量测算研究[J].水利科技与经济,2007,13(4):217-219[10]CarrolTR.Snowsurveying,YearbookofScienceandTechnology[M].NewYork:McGraw-Hill,1985,386-398[11]毕华兴,中北理.遥感和地理信息系统与水文学整合研究进展[J].水土保持学报，2002,16(2):45-49[12]刘凤莲,陈植华.流域水文模型发展展望[J].地质灾害与环境保护，2005,16(1):71-74[13]夏军,左其亭.国际水文科学研究的新进展[J].地球科学进展,2006,21(3):256-231[14]郭生练,李兰,李订芳,等.分布式流域水文模型的研究现状与进展[A].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[C].郑州:黄河水利出版社,2001.51-57[15]刘昌明,夏军,郭生练,等.黄河流域分布式水文模型初步研究与进展[J].水科学进展,2004,15(4):495-500[16]王文,寇小华.水文数据同化方法及遥感数据在水文数据同化中的应用进展[J].河海大学学报(自然科学版),2009,37(5):556-562[17]王中根,刘昌明,吴险峰.基于DEM的分布式水文模型研究综述[J].自然资源学报,2003,18(2):168-173[18]马铁民,邵兰霞,曹艳秋.吉林省辉发河流域遥感水文模型的建立与应用[J].东北师大学报自然科学版,2001,33(4):93-98[19]丁志雄,李纪人.流域洪水汛情的遥感监测分析方法及其应用[J].水利水电科技进展,2004,24(3):8-12[20]张晓涛,康绍忠,王鹏新,等．估算区域蒸发蒸腾量的遥感模型对比分析[J].农业工程学报,2006,22(7):6-13[21]蔡锡填,徐宗学,苏保林,等.区域蒸散发分布式模拟及其遥感验证[J].农业工程学报,2009,25(10):154-161[22]卢善龙,吴炳方,闫娜娜,等.河川径流遥感监测研究进展[J].地球科学进展,2010,25(8):820-826[23]傅国斌,刘昌明.遥感技术在水文学中的应用与研究进展[J].水科学进展,2001,12(4):547-557