遥感技术促进水资源监测

◎韩忠颖 洪阳

卫星遥感技术的发展是人类对地观测的重大进步，为人类认识水循环过程提供了更为广阔而全面的视角，具有服务于水循环过程关键因素反演与流域水文模拟的巨大应用潜力[1]。同时卫星遥感可以提供长期、动态和连续的大范围资料，为自然水的相互关系，水与人类的相互作用，以及全球/区域水文情势的监测、管理、立法等提供科学依据，为解决传统水资源难题提供有力支撑[2]。

遥感技术特点

1.探测范围大

遥感探测能在较短的时间内，从空中乃至宇宙空间对大范围地区进行对地观测，并从中获取有价值的遥感数据。这些数据拓展了人们的视觉空间，有利于宏观地掌握地面事物的现状，为地球资源及环境要素的分析创造条件。

2.受地面限制少

遥感技术能快速地获取海量地表信息，对于自然条件恶劣、地面工作难以开展的地区，如高山、冰川、沙漠及沼泽等，或由于国界限制不易到达的地区，使用遥感方法较容易获取资料。

3.获取手段多样化

随着航空、航天多种遥感平台及多种传感器不断发展，遥感数据获取手段趋于多样化和精细化。其遥感平台从传统的载人飞机发展到无人机，从低地球轨道卫星拓展到中高轨道卫星，还开拓了航天飞机、国际空间站等多种特殊平台。同时对地观测传感器系统也在不断完善，如从摄影系统到扫描系统，从被动传感器到主动传感器，从光学传感器到微波传感器等。空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率越来越高，数据类型越来越丰富，数据量不断增加，已经具有了大数据特征。

4.应用价值高

从遥感数据中可挖掘出与人类生产生活息息相关的各类信息与知识。遥感技术已广泛应用于农业、林业、地质、地理、海洋、水文、气象、测绘、环境保护和军事侦察等领域，具有明显的社会、经济和生态效益。水文方面，遥感为全球和区域水循环研究及水资源管理中涉及到的水文气象要素提供了新的技术手段，包括降水、蒸散、湖泊水库河流水位、土壤湿度、地下水、流域总水储量变化、积雪与冰盖等。此外遥感信息具有周期短、同步性好、及时准确和分布式等特点，能较好地满足水文模拟准实时、空间分布的需求，可通过与水文模型进行有效结合，模拟水文过程，研究水循环规律。

遥感技术应用与水资源监测

1.地下水资源问题

传统地下水观测一直是一项很复杂的工作，常因为各种困难导致出现人工勘测数据不足、观测数据不准确等问题。遥感技术的应用为地下水资源调查和监测提供了新的探测手段。卫星遥感基于光学、被动微波、主动微波及多传感器联合反演土壤水分，为土壤水分信息的获取提供了有效手段[3]。目前已有的卫星遥感土壤水分产品包括土壤湿度与海洋盐度卫星产品。美国宇航局SMAP计划（Soil Moisture Active and Passive）实现了主被动微波相结合的土壤水分观测和制图[3]。利用全球导航卫星系统GNSS（Global Navigation Satellite System）L波段微波地表反射信号进行土壤水分估算现已成为一个新兴的研究方向[4]。

面对人类活动导致地下水资源开采量日益增加，引起区域重力变化和地表沉降的问题，由美国宇航局（NASA）和德国航空中心共同研制的重力恢复与气候实验卫星（Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE，简称重力卫星）以其独特的观测方式对陆地水资源储量的变化进行观测。重力卫星观测陆地水储量变化的基本原理是万有引力定律，通过搭载的微波测距系统和全球定位系统（GPS）等仪器，精确测量（精度在10微米以内）两颗卫星之间的距离变化，从而反演地球重力场由于质量轻重分布所引起的变化。

基于热红外遥感的农田蒸散估算方法研究是农业遥感领域重要前沿课题之一。NASA地球观测系统发布的全球MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）陆地蒸散产品（MOD16）已广泛应用于科学研究中，我国研发的环境卫星和风云卫星区域蒸散估算也已进入业务化阶段，为农业科学管理注入新活力。

2.地表水资源问题

相较于传统的地面监测手段，遥感可以大范围、快速、客观地获取地表水体信息，作为传统地面监测手段的有效补充。

对于河道断面流速、河宽等要素，遥感监测方法主要包括地基雷达监测和航空航天雷达监测。地基雷达监测是在水体岸边架设雷达设备，通过测量电磁脉冲在发射器和接收器间的传播时间差测量河段流速、河宽等过水断面参数的一种监测方式。航空航天雷达监测是利用微波遥感技术监测河流流速、水深、水面宽度等断面状态信息，并可结合地面实测数据，建立遥感经验关系模型或全遥感模型，推求流量数据。该方法更适用于人口稀少、位置偏远及气候条件较为恶劣的高寒地区。

地表水体的变化和地表水质多采用多光谱卫星遥感监测。对地表水体变化的监测原理是利用水体和其他地物在多光谱影像上的光谱特征的明显差异，以及在不同波段上的吸收和反射特性来突出水体[8]。对地表水质监测的原理是通过监测水体吸收和散射太阳辐射的光谱特征，分析影响了水体光谱反射率物质的光谱特征变化，建立相关水质模型，反演出物质的各组分含量，进而定量监测水质。

对于内陆水域水位变化的监测通常采用地面定点、连续观测的方法，人、财、物的成本较高。卫星上搭载微波雷达测高仪、辐射计和合成孔径雷达等设备，可测量卫星到水面的距离、后向散射系数和有效波高等参数，经过处理和分析后实现对水位的实时监测。

冰盖和海冰变化影响地球表面能量平衡，进而影响全球的天气和气候。近年来，卫星测高技术由最初对海平面变化观测，逐步向测量冰盖厚度及内陆水域水位变化监测方面发展，这对少/无地面观测资料的地区意义重大。传统雷达测高卫星如Skylab、Geosat和Seasat等足迹覆盖范围大，仅在海面或较大湖面等表面精度较高[6]。冰、云和陆地高程卫星（ICESat）是NASA于2003年发射的第一颗专门用于测量极地冰量的激光卫星。ICESat上搭载的地学激光测高系统用于地面测高及确定地表粗糙度，同时可以测定冰原质量平衡及对海平面变化影响[7]。而后欧洲空间局发射了其第一颗冰探测卫星CryoSat-2，支持以更高的分辨率探测冰盖和海冰变化。

3.洪涝干旱灾害问题

科学有效的洪涝灾害监测和评估可为防灾减灾决策提供重要依据。目前国内外利用遥感监测洪涝灾害的方式有二：一是通过降水观测卫星加深对降水结构的认识，提升降水预测能力；二是准确快速提取下垫面、洪水淹没面积等洪水灾情信息。

全球降水观测计划（The Global Precipitation Measurement，GPM）是NASA和日本宇宙航空开发机构（JAXA）共同开发设计进行全球尺度的降水观测的国际卫星观测计划。GPM的核心观测平台于2014年2月28日在日本成功发射，是迄今为止最先进的降水量测量卫星。卫星观测时间分辨率可达30min，观测范围可覆盖全球陆地和海洋表面的90%，且可分辨雨、雪等降水形式，GPM核心观测平台上搭载了双频测雨雷达以及微波成像仪，通过对云结构和动力进行观测，可以更好地了解降水过程，也可以更频繁更全球化地精确观测降水。

在洪涝灾害监测中，光学遥感数据中的空间分辨率比较高，故MSS（多光谱扫描仪）、TM（专题绘图仪）、SPOT（地球观测卫星系统）等广泛应用于洪灾发生前土地利用信息的提取，为洪涝监测提供背景数据。而对于洪水淹没面积等需要近实时动态监测的灾情信息，需要有高时间分辨率的遥感数据进行补充。如风云三号A星（FY-3A）极轨气象卫星既有光学遥感又有微波遥感，有较高的时间空间分辨率，且不受各种天气状况的影响，具有全天候、全天时的监测能力。国家卫星气象中心成功地将FY-3遥感数据用于2013年8月19日的松嫩流域及绥滨洪涝水体监测。

目前卫星遥感监测干旱的种类主要包括基于地物反射光谱的干旱监测、热红外遥感干旱监测、基于植被指数和地表温度的干旱监测、 基于蒸散的干旱监测、基于土壤湿度的干旱监测和干旱监测综合模型[8]。总体而言是通过建立遥感获得的植被状况、地表温度、热惯量等参数与地面干旱监测指标如土壤湿度的关系来间接监测干旱。然而，干旱问题的复杂性以及卫星遥感技术存在的不确定性，导致遥感监测干旱技术在监测指标的普适性、可比性及实用性等方面还存在许多问题。AVHRR数据是1980年以来各国进行卫星干旱监测的最主要的数据源。20世纪90年代后，MODIS、AMSR-E等新一代传感器升空以及我国风云等卫星的业务化运行，进一步推动了遥感干旱应用研究的进步和普及。

未来遥感水文学的发展仍有许多亟待解决的问题，如提升遥感产品时间、空间精度，解决遥感水文应用中的尺度问题；建立水循环要素立体观测体系，实现多传感器联合观测，多源数据融合的水资源观测；加强遥感信息与水文模型同化，实现遥感技术与水文模拟技术无缝耦合等。遥感可以为水文学提供海量数据，提高对遥感数据的利用能力是发展的必然趋势。随着电子信息、计算机等学科的发展，遥感数据势必会在水文水资源研究中发挥更大的作用。

[1]唐国强，龙笛，万玮，曾子悦，郭晓林，洪阳. 全球水遥感技术及其应用研究的综述与展望. 中国科学：技术科学，2015，45（10）：1013-1023.

[2]杜利娟. 遥感技术在水利信息化中的运用. 河南科技，2017，（15）：45-46.

[3]陈书林，刘元波，温作民. 卫星遥感反演土壤水分研究综述. 地球科学进展，2012，27（11）：1192-1203.

[4]万玮，陈秀万，李国平等. GNSS-R遥感国内外研究进展. 遥感信息，2012，3：117-124.

[5]朱鹤. 遥感技术在地表水源地水体监测中的应用研究. 中国水利水电科学研究院，2013.

[6]于飞. 卫星测高探测极地冰盖与内陆冰川高程变化的方法研究. 辽宁工程技术大学，2015.

[7]文汉江，程鹏飞. ICESAT/GLAS激光测高原理及其应用. 长江大学学报自然科学版，医学卷，2005，5：33-35

[8]郭铌，王小平. 遥感干旱应用技术进展及面临的技术问题与发展机遇. 干旱气象，2015，33（1）：1.