分布式水文模型构建中遥感技术的应用

杨 光

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

分布式水文模型构建中遥感技术的应用

杨 光

推广应用

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

遥感技术又称RS技术，其与分布式水文模型进行深度结合应用，能够在现代水文技术领域发挥至关重要的作用。文章在对分布式水文模型与遥感技术进行简要阐述基础上，重点提出了一种水文遥测信息的反演方法，此种方法主要是针对遥感技术在分布式水文模型应用过程中的降雨系数及河川径流和河水蒸发量、地面温度及土地/植被覆盖率、土壤水分等相关参数进行计算验证。

分布式；水文模型；构建方法；遥感技术；应用

近年来，随着中国水文遥测技术不断发展，水文模型逐渐成为一种不可或缺的技术分析手段，同时其也成为当前水文工作中研究的热门话题。因此，文章重点从分布式水文模型以及遥感技术的基本概念出发，通过对遥感技术在水文模型构建中的相关内容进行分析，对辽宁省水文信息监测以及发布和利用，奠定科学的理论基础。在此分析、计算过程中，主要涉及到的方法为参数反演法，由于其能够结合辽宁省区域特点对区域降雨系数及河川径流、河水蒸发量、地面温度与土地/植被覆盖率、水分等相关参数进行计算反演，因此其为我国广大科研工作者今后理论研究与实践探讨，提供了重要的技术基础。

1 分布式水文模型与遥感技术简介

通常而言，按照水文模型在实际构建中是否考虑水文过程的随机性，可将其分为混合型水文模型与随机性水文模型和确定性水文模型3种类型。而结合水文模型构建过程中，水循环要素的描述程度不同，又可将其分为经验式水文模型与概念式水文模型及物理式水文模型3种；按照研究过程中，水文模型实际研究的空间范围不同，又可将其分为分布式水文模型与集总式水文模型。由于前一个模型在构建过程中，不需要考虑区域水文要素的实际变化过程和输入变量及水文要素的几何特征、水文空间的边界条件等。因此，模型中的相关变量只需通过经验公式及力学公式等进行描述分析即可。但是，这种方法相对于分布式水文模型而言，数据分析结构主观性较强。基于此，文章主要针对分布式水文模型，结合辽宁地区水文情况进行遥感分析。

在采用分布式水文模型进行分析时，通常需要对水文资料的变化过程及输入变量和线性边界条件、空间要素几何特征等进行分析，以此采用微分方程构建科学的数据模型。因此，从其实施过程而言，这一技术具有明显的空间变异性及数据集中、分散输入/输出的特点。因此，基于分布式水文模型的MIKE SHE模型以及WSRFS模型和TOPMODEL模型、SWAT模型、SWM模型等，构成了总体的分布式集成模型。

遥感技术又称RS技术，这一技术是一种能够从空间平台中，利用电磁波高屋建瓴观测地球，以此科学获取地球表层中相关信息的方法。由于任何绝对温度以及零摄氏温度的物体，都能够对不同波长的电磁波起到良好的辐射及吸收和反射作用，因此遥感技术正是充分利用了这一原理，对区域地物信息进行准确识别，以此获取相关的河流流域空间特征信息，最终对流域水文变异性等情况进行科学分析[1]。

2 分布式水文模型构建中遥感技术的实施过程分析

从二者各自的技术优点来看，分布式水文模型能够结合水循环动力学机制，科学对水文现象进行合理描述和模拟，以此为分布式水文模型科学构建，提供精确的信息数据。所以，这一技术克服了传统水文技术在地面反观中，观测站点密度不够等弊端。而遥感技术在实际应用过程中，不但能够为数据遥测、感知提供水体特征参数及土地覆盖参数、地形特征参数等，而且还可对流域内的降雨量及河流径流、蒸发量、土壤含水率等相关数据进行反演计算。因此，其为分布式水文模型科学构建提供了先决条件。遥感技术正是凭借其精准以及高速和及时、稳定、连续、可重复等优点，在分布式水文模型中发挥着至关重要的作用。在水文模型构建中，遥感技术的实施应用主要分为2种：①直接估算和测定如研究区降雨量与实际面积等水文变量与水文参数；2利用反演机制，通过遥感技术实时获取地表波谱特征，从而对当地陆面温度及蒸散发、土壤水分和河川径流、叶面积指数、土地实际覆盖面积等相关水文参数进行推求[2]。但是，在实际应用实施过程中，需要结合遥感影像技术，按照以下3个不同步骤对水文参数进行提取：

1)基于遥感技术软件，对区域内原始遥感数字影像等进行稽核校正和解释等预处理。

2)对当地区域土地地形实际特征及地形原始特征、土壤水体等相关地物特征参数进行遥感，以此获取相关遥测数据，科学制作专题图。

3)通过对上述各种参数进行科学反演，以此实现DN值与遥感影像图之间的科学转化，从而获取相应的水文参数值。在此过程中，水文参数可通过自动方式进行提取，最多可得到36000个相关样本数据。

基于遥感技术的分布式水文模型构建过程中，采用遥感数字影像获取水文参数的技术流程图见图1所示。

具体而言，需要按照如下程序进行科学实施：

2.1 遥感技术在降水反演中的应用

遥感技术在水文模型构建中，首先能够结合卫星数据及雷达技术，通过大气中的降水粒子，对电磁波进行散射与吸收，然后对收集得到的电磁波信息进行分析处理，以此科学确定空间采样体积中降水、粒子的后向散射能量等。在此基础上，通过计算机技术，对该区实际降雨量等数据进行分析、计算[3]。

随着我国卫星技术不断发展，在水文模型构建中，也经常利用卫星云图进行信息分析，以此确定降雨量。但是，在特殊情况下，卫星云图容易受到云层遮挡。因此，当地降雨量无法通过热红外传感器及近红外、可见光等进行测量。所以基于遥感技术，在分布式水文模型构建的相关降水反演分析过程中，需要结合现代卫星遥感技术与传统地面人工技术进行数据测量与降水反演。

2.2 遥感技术在陆面蒸散发反演中的应用

基于遥感技术对路面蒸发反演数据进行获取时，通常需要利用间接的下垫面参数因子，然后借助物理数学模型及经验方程式，对路面蒸散发量等相关数据进行估算、分析[4]。在此过程中，如果遥感时相的相关参数不同，则按照数据分析结果可得到不同气候条件下的土壤蒸散发图及土壤蒸散发的年内分配图。但是，在此分析过程中，因区域内气候及土壤和植被等相关数据难以准确收集。因此，在构建分布式水文模型时，应该适当对相关条件及参数变量等进行优化，然后在此基础上，基于遥感技术，对区域内陆面蒸散发反演，以此科学建立能量平衡方程式，具体如下：

Rn+G+H+LE=0

(1)

式中：Rn为在上述平衡公式中净辐射；G为区域土壤热通量；H为区域土壤显热通量；LE为区域土壤潜热通量。

在此过程中，微波遥感技术资料及热红外遥感技术资料，是陆面蒸散发反演中重要的遥感信息数据。

图1 采用遥感数字影像获取水文参数的技术流程图

2.3 遥感技术在河川径流反演中的应用

在实际数据测量分析过程中，由于区域河川径流数据等不能直接通过任何一种遥感技术手段来获取。因此，其只能通过遥感相关技术资料，对河川径流量等相关数据进行间接估算、分析。故遥感技术在河川径流反演计算中的应用主要分为2部分：

1)在下垫面技术资料分析基础上，采用遥感技术手段，分别对区域内的地形坡度及蒸散发量和区域土壤含水量、地形坡度等相关水文循环项等进行计算、分析，然后基于能量平衡方程式 “Rn+G+H+LE=0”，对地表河川径流量等进行计算。

2)通过与不同的水文模型进行紧密结合及松散结合，然后将相关数据作为分布式水文模型参数估计及模型构建的输入值[5]。同时，也可在此基础上构建新的水文模型，然后将研究区内不同的干子流域划为各个水文响应单元。在此过程中，各水文响应单元的实际水文特征等，需要通过模型进行模拟，然后实现分布式水文模型与水文参数的耦合。

2.4 遥感技术在陆面温度反演中的应用

由于路面温度LST会对区域海陆循环过程中的能量交换产生重要影响。因此，基于遥感技术在陆面温度反演中，主要利用航片及卫片资料和布点观测方式，结合城市及乡村中的历史气候资料数据等，获取区域内路面实际温度值。

由于我国辽宁省地区陆地类型差异很大，因此温度变化情况非常明显，采用遥感技术对该地区陆面实际温度值进行反演，能够结合遥感技术NOAA/AVHRR的第4、5通道，采用劈窗算法进行数据分析、计算，然后获取如下温度曲线页面，以此为分布式水文模型构建提供温度数据，见图2所示。

图2 遥感技术在陆面温度反演中形成的温度曲线

2.5 遥感技术在土壤水分反演中的应用

相对于上述相关模型变量而言，分布式水文模型的另外一大关键参数变量就是区域土壤水文变量[6]。在传统水文信息测量过程中，一般基于点位观测技术对土壤水分数据进行收集。因此，观测点分布较少，而且耗费了大量的人力、物力和财力，且成效不高，无法基于区域内的土壤水分进行实时、动态观测。但采用遥感技术体系中的微波遥感手段和热红外等技术手段进行土壤信息观测，能够结合热通量方程，对地表土壤及植物热通量、缺水程度、蒸散程度等相关指标进行分析。

2.6 基于遥感技术能够科学提取区域土地利用/覆盖信息

辽宁省矿业较为发达，因此在近年来的经济发展过程中，人们大量开采及生产，导致区域土地植被覆盖率降低[7]。在一定程度上而言，土地覆盖率与地面下渗以及产汇流、截流及地面蒸散发和填挖等相关情况存在密切关联性。因此，在分布式水文构建中，通过对上述相关水文信息进行收集，可以构建一级以及二级两个不同的指标分类评估体系[8]。因此，在对区域内的水文情况进行模型模拟时，就可结合上述数据指标属性及参数之间的关联度，设置相应的分布式水文模型参数，从而合理模拟当地水文循环过程。基于遥感技术提取的辽宁省某区域土地利用/覆盖信息图见图3。

图3 辽宁省某区域土地利用/覆盖信息图

3 结 语

综上所述，水文模型是一种水文信息分析的有效手段，其最早可追溯到上世纪中期，而逐渐到了70—80年代，这一技术才不断得到快速发展与应用。在此过程中，同时出现的还有新安江模型、Standford模型及SHE模型和TANK模型等。在此演变发展过程中，随着互联网技术的进步，遥感技术及地理信息技术和计算机技术等多种新型技术方式逐渐广泛得到应用。文章结合分布式水文模型及遥感技术本身的功能特性，对辽宁省区域降雨系数及河川径流、河水蒸发量、地面温度与土地/植被覆盖率、水分等相关参数进行了反演分析，以此为今后进一步研究与拓展深化，奠定了重要的技术基础和理论基础。

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Application of Remote Sensing Technology in Construction of Distributed Hydrological Model

YANG Guang

(Jinzhou Hydrology Bureau Liaoning Province, Jinzhou 121000,China)

Remote sensing technology, also known as RS technology, its application in combination with the distributed hydrological model plays a vital role in the field of modern hydrology and technology. This paper briefly expounds the basis of distributed hydrological model and the remote sensing technology,puts forward an inversion method of the hydrology telemetry information, this method is mainly based on RST in distributed hydrological model application in the process of rainfall and runoff coefficient and water evaporation amount, and the land surface temperature vegetation coverage, soil moisture other related parameters are calculated to verify.

distributed; hydrological model; construction method; remote sensing technology; application

1007-7596(2016)11-0094-04

2016-10-26

杨光(1983-)，男，辽宁锦州人，工程师，研究方向为水文水资源勘测、整编、管理工作。

TP79

B