航天航空技术水文监测应用 王加虎

航空航天遥感技术水文监测应用水文水资源学院王加虎遥感技术简介航天遥感与航空遥感遥感水文遥感技术在水文监测中的应用结语、展望与实例遥感技术简介遥感技术（Remotesensingtechnology）是20世纪60年代兴起的一种探测技术，是根据电磁波的理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术。认识电磁波遥感技术的工作原理通常是使用绿光、红光和红外光三种光谱波段进行探测。绿光段一般用来探测地下水、岩石和土壤的特性；红光段探测植物生长、变化及水污染等；红外段探测土地、矿产及资源。此外，还有微波段，用来探测气象云层及海底鱼群的游弋。遥感的分类航天遥感（spaceremotesensing）：又称太空遥感，在地球大气层以外的宇宙空间（h80km），以人造卫星、宇宙飞船、航天飞机、火箭等航天飞行器为平台的遥感。航空遥感（aerialremotesensing）：又称机载遥感，是指利用各种飞机、飞艇、气球等作为传感器运载工具在空中(h20km)进行的遥感技术。航空遥感依飞行器的工作高度和应用目的，分高空(10000m～20000m）、中空（5000m～10000m）和低空(5000m)三种类型遥感作业。航天遥感与航空遥感航天遥感与航空遥感名称平台高度特点航天遥感空间飞行器极地轨道卫星：1000公里静止气象卫星：3600公里动态性好、周期性好，适合对某地区连续观察航空遥感空中飞行器飞行器飞行高度：几百米、几公里、几十公里动态性差，适合做长周期（几个月及更长）观察航天遥感和航空遥感的区别遥感水文概述：遥感水文是遥感技术在水文学和水资源研究中的应用在水文学中遥感技术的研究内容主要有：①水体和周围环境辐射波谱特性的研究；②遥感数据处理和分析判读技术的研究；③在水文学和水资源研究中遥感数据应用的研究遥感水文的优势（1）可一次性获取大范围的地物信息（2）信息量大，全天候监测（3）收集资料方便，无地域局限性（4）收集资料快捷遥感技术在水文学方面的应用范围是广泛的，如水资源调查、水资源动态研究、冰雪研究等。例如：青藏高原的高山冰雪覆盖区及新疆、内蒙古浩瀚无垠的戈壁沙漠地带，人们难以到达，利用遥感资料有助于掌握这些地区的冰雪消融以及江、河、湖、泊的分布、面积、水量、水质、水文资料等遥感水文的水文监测中的应用一：利用遥感资料推求各种水体（如湖泊、湿地等）的面积变化、监测冰川和积雪的融化状态、以及洪水过程的动态监测等，这是遥感技术在水文学中的直接应用二：利用遥感资料进行有关水文过程中的参数和变量的推求(如土地覆盖情况、作物的生长和发育情况，继而利用一些经验公式、统计模型和概念性水文模型等来获取诸如径流、土壤水分、区域蒸发等水文变量，这是遥感在水文学中的间接应用)遥感技术在水文学中的应用大致分为两个方面：地下水水质土壤侵蚀积雪和冰地表水土壤含水量蒸发土地利用和流域特征降水遥感水文的水文监测中的应用降雨监测的理论基础就是借助于遥感资料，可以获得降水空间分布特征，特别是在雨量站和雷达监测站叫稀少的地区。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预测预报，而气象卫星则主要用于大面积降雨估算。降水监测监测实例地面雷达可见光和红外线卫星数据无源微波卫星数据航天雷达地面雷达：可以从同一个位置、近实时地测量大范围的降水量可见光（红外线技术）：根据云反射的太阳辐射（云的亮度和颜色）和降水量之间的间接关系，从卫星图像得到降雨的定量和定性估计航天雷达：测量降雨量是非常有吸引力的，因为它能够在其覆盖范围（空间操作的时候指高度）内进行识别，而且雷达反射率与降雨率直接相关微波：几种不同的观测影响都与云层的存在有关，而且与频率密切相关在短时间（少于一小时）和小范围（小于102km2）内，地面雷达具有比卫星技术更高的精度。显而易见，如果每分钟采集一次数据，就可获得较精确的降雨量数据，累计误差也较小。未来天气雷达和卫星设备将有一个很大的发展空间，为使用地面雷达，开发偏振多样性技术的研究正在进行中。有些措施可以提高降水量的观测精度，特别是高降雨率地区，在TRMM（美—日联合热带降雨测量卫星）中获得的经验将推动空载有源雷达的发展，预计这样的系统在极地轨道上运行并提供覆盖全球范围测量的日子不会太远了。降雨监测未来发展趋势植被覆盖或土地覆盖以多种方式影响水文过程，密集的植被可防止雨水的冲刷、增加渗透并减缓地表径流流速。所有可获得流域数据显示，森林采伐使的沉积物质不断增多，上游地区的森林采伐也可能使水流中携带的碎石、泥沙等增多，而这些东西可能破坏下有冲积平原的耕地。植被也可能影响水质，在空气污染的湿润温和地区还能影响对树木下被污染的径流观测，植被对水质的影响最终影响水平衡。土地利用和流域特征监测理论基础土地利用和流域特征无源遥感数据绘制土地覆盖类型地图植被指数专题分类有源传感器（机载雷达）土地覆盖类型在水文学中，植被扮演着很重要的角色，但植被对水文过程的影响必须通过对土地的覆盖情况的研究才能被更好的理解，从而可以应用传递函数将遥感土地覆盖的数据转换为相应的水文数据或模型输入值。不管地面覆盖什么，靠近地表的浓密植被会极大地影响水文过程，因此，除非实验数据可以起同样的作用，否则就有必要将与密集植被有关的光谱覆盖类别与实地观测结合起来是十分必要的；遥感记录了森林的覆盖情况，但无法记录森林中靠近地面的灌木丛情况，灌木丛的情况决定了水文过程的主要方面。研究水文过程时，应首先提及植被的相关性，来自遥感的定量生物物理参数与灌溉管理密切相关，遥感测量和植被参数之间的关系通过植被指数反映出来北京东北部密云水库附近获取的TM图像反演归一化植被指数(NDVI)、地表辐射温度的例子，其中图2(a)为7／甜3波段合成示意图，合成效果接近自然彩色遥感反演地表信息图蒸发监测的理论基础蒸发量监测是一种通过物理方法来对地表能量与质量转化的勘测手段。随着近年来遥感技术不断应用，对于蒸发量的估算也趋于成熟。蒸发量的计算主要通过卫星数据来实现，如统计经验法、能量余项法等目前，遥感已经应用在地表蒸发量测量的各个方面。例如可以通过热红外线观测和地表热平衡方程测量地表蒸发量；用空间或机载设备测得的多光谱数据可估计潜在蒸发量和农作物需水量蒸发监测地面蒸发量的遥感测量潜在蒸发实际蒸发地表热平衡土壤水平衡空气水平衡土壤水分（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目前遥感技术应用研究的前沿领域国内外许多研究人员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，分别为光学遥感和微波遥感土壤含水量监测理论基础土壤含水量监测土壤含水量光学遥感可见光/近红外技术热红外技术微波遥感热惯量法：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含水量植被指数法：被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光学遥感监测土壤水分的方法有以下几种：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/统计模型主动微波遥感：主要利用土壤的这点特性和含水量间的密切关系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发展趋势目前，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。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问题，隋洪智做出了有益的探索监测范围地表水探测湖泊和水库面积的估测湿地湖泊水位河流水位和流量洪水范围地表水监测地表水探测：用遥感数据中近红外和可见光可以方便地解决地表水域的定位和确定边界等问题。根据红外灰度图或多光谱扫描图上反射红外线的光谱波段可知，水体显深色而与周围对比度鲜明的部分是植被和土壤湖泊和水库面积的估测：可以通过红外线和可见光数据对比来观测水域的轮廓线，从而估计出湖泊和水库的面积，湖泊面积的时间序列能提供气候变化的记录，特别是对封闭湖泊更能显示出这种显著的变化湖泊水位的估测：载有雷达高度计卫星的出现（如Geosat、Seasat、ERS-1和美国/法国的TOPEX/Poseidon卫星），使得对湖泊和大型河流的水位测量成为可能，且精度可达到厘米级。所有雷达高度计测量表面高度都是通过像海洋表面发射微波脉冲，测量脉冲返回的时间，从而推算出高度值河流水位和流量：可以从卫星测量的河道宽度估算出相对宽且浅的河流流量。如果河流足够宽且水位与流量之间的关系相对稳定，那么可以通过雷达高度计测量到的河流水位值估算出河水流量。洪水范围：机载和卫星合成孔径雷达（SAR）凭借其具有穿透云层和全天候探测的能力，在探测洪水范围方面显示出巨大的潜力。同时，洪水暴发期间的泥沙沉积和转移的总量也是可以估算的水深遥感：监测水面高程和水底地形，求差值……监测方法Gamma射线可见光热红外有源和无源微波积雪和冰的监测Gamma射线优点：可靠，有效，省时局限：Gamma射线遇水衰减可见光优点：图像解译容易，适用范围广局限：不能直接获得信息，易受云层干扰有源和无源微波优点：提供全面充分的数据局限：适用范围有限地下水监测理论基础机载地球物理方法（例如航空磁测调查）能够提供地下信息（Reeves，1992），但是由于可能存在不唯一的解释，所以测得的数据必须加以解译，基于非地面的微波传感器具有一定的穿透能力，但是只有在满足特定条件，即被测量对象表面纹理粗糙、地形单一和地下水水位较浅时，才有可能测得真实数据，事实上，已经可以得到某些地区的景观微波图像地下水监测地下水监测应用水文地质的概念化三维水文状况地下水水面水流系统水量平衡地下水灌溉方案补给显示不同要素找出区域地下水靶区土壤侵蚀是影响地球表面的水、风和冰引起的缓慢形成的自然过程。传统的土壤侵蚀测量方法是用试验区确立侵蚀基本模式和测量侵蚀速率，用这种方法测定景观中土壤侵蚀的空间分布存在观测困难、耗时，而且价格昂贵等问题遥感能够测量景观的光谱特性，因此遥感通常可以用于研究土壤寝室的模式和速率。对地测量和航空像片是最常用的遥感技术，对这些相片进行图像解译或摄影测量后，其结果可用来研究和绘制土壤侵蚀地图。土壤侵蚀监测理论基础土壤侵蚀监测河流、水库、湖泊、河口和海洋水质的检测与估计对于管理和提高环境质量非常关键遥感技术的优势在于其具有能同时提供时间和空间方面的水质参数的能力，而这在实地测量中通常是得不到的。遥感使监测可行、高效成为可能，还能识别具有严重水质问题的水体。这些水质参数通常可以用遥感技术来量化，从而制定出减少从流域到水体的物质转移的管理计划，以降低污染物质对水质的影响。水质监测理论基础针对太湖蓝藻水华的特点，逐步形成了点线面三维一体全方位的太湖蓝藻水华监测体系，系统基本结构如图所示系统基本结构示意图（1）对资料与数据的采用有选择性遥感技术在水文勘测领域的优势是毋庸置疑的，但针对遥感技术获取信息量大的特点，需要水文工作在资料以及数据的采用上有一定的选择性（2）遥感技术与人工作业的结合遥感技术相对人工作也来讲尽管有着很大的优势，但在实践操作中不应当完全否定人工作业，而应该将二者进完美的结合应用水文中应用遥感注意事项遥感技术在分布式水文模型中得到广泛应用，应用过程中所需参变量的反演方法日趋完善。但受到遥感技术自身局限性的制约，应用过程中尚具有如下问题：(1)难以满足水文模拟尺度问题(2)遥感数据的精度偏低(3)现行的遥感数据提取水文变量方法应用范围较窄，缺乏普适性(