天津水务领域遥感监测应用现状分析及前景探讨

吴 昊，杨 慧，赵 扬，黄 毅，顾晓蓉

（天津市水利科学研究院，天津 300061）

0 引言

天津地处渤海之滨，海河水系末端，河、库众多，分布范围广，水体包括市内、山区、交界等各种类别。随着工业化和城市化的高速增长，天津面临水体污染、水质性缺水、河湖生态环境破坏等系列问题。海河流域是全国七大水系中近 2000 a 来下垫面变化最大的流域，由于水资源过度开发，引起河道干涸、湿地萎缩、山区植被破坏等一系列生态与环境问题。滨海新区的填海造陆工程，是目前中国国内最大的填海造陆工程，围填海对海湾形状、岸线、面积等造成的改变多方面影响着海湾水生态系统和海域生态环境。

遥感技术具备快速、大范围、重现周期短等特点，有助于开展大范围水环境研究、河湖水体监测，对区域水体、水质、水域岸线、生态湿地、水利工程等进行监测反演极具优越性，可为控制和治理水环境提供一个快、好、省的科技途径。在天津水务领域，近年来，专家学者利用遥感技术在水资源、水环境、水生态等方面进行了诸多应用实践和探索。为进一步推进遥感技术在天津水务领域的应用，有必要对这些研究案例进行总结和探讨。

1 天津水务遥感应用现状分析

1.1 水资源管理

1.1.1 地表水体调查监测

通过遥感技术提取监测区域内湖泊、水库、河流、不透水面等自然水体的面积和水边线等信息，了解其形成、消失、扩张等变化情况。谢慧君等[1]将遥感技术运用到天津于桥水库流域不透水面的提取和分析上，采用修正后的归一化水体指数和线性光谱混合分析法对 Landsat TM/OLI 遥感影像数据进行分析处理，从流域尺度上研究 1984—2013 年间不透水面覆盖度的变化。刘登伟等[2]采用 MODIS 遥感数据对海河流域水库位置、面积及库容进行了分析和反演计算，建立提取水库面积的方法模型，同时根据水库库容-面积曲线反演了海河流域主要大型水库的实际库容，并利用此方法分析了海河流域大型水库的水深并建立水深-反射率方程。

1.1.2 水文地质调查

流域下垫面条件的改变，导致流域入渗、蒸发、径流过程改变，影响流域水资源时空分布格局和区域水资源评价。肖高怀[3]借助遥感技术提取海河流域下垫面地形、土地利用、植被覆盖、不透水面积等要素信息，分析 1980—2010 年海河流域下垫面各要素的变化情况，构建综合水文下垫面模型，并估算分析海河流域土壤饱和导水率的时间变化。

水文类型分区对于研究流域水文特性的空间分布规律、资料的移用及站网的规划调整都有着重要的意义。冯平等[4]借助遥感资料将海河流域内1 399 个子流域划分成 7 类水文类型分区，并分析各水文类型分区的空间分布特征及产汇流机制，分区成果明确反映了流域的下垫面情况及气候条件。

1.1.3 水资源评价

区域蒸发蒸腾量（ET）是流域水循环研究和水资源管理的重要参数，对流域的水资源管理、区域规划和可持续发展尤为重要。姚立英[5]基于 2006—2007 年中巴资源卫星（ZY01/02）影像数据，采用统计经验法估算盘山风景名胜区的蒸腾量，在此基础上建立区域水平衡。杨春祥[6]利用 MODIS 数据，基于地表能量平衡系统，在空间尺度上反演了海河流域 2010 年的蒸散发量，并计算分析了海河流域近 50 aET的时空变化规律。郑泽[7]借助卫星遥感技术和 SEBAL 模型，得出海河流域 2003 年的ET值和时空上的差异与规律，并对海河流域山区、平原河流和主要湿地等生态用地的生态需水量进行计算与分析。吴海涛[8]利用遥感技术反演流域ET用于流域水管理的研究，对 SEBAL 模型分析得到的流域ET结果进行不同尺度的行政区域、水资源分区、土地覆盖利用类型及相互组合区域的统计，研究ET的空间分布规律。结合 GEF（全球环境基金）海河流域水资源与水环境综合管理项目（以下简称 GEF海河项目），王志良等[9]阐述了遥感监测ET项目的主要任务、建设内容、技术框架及项目中存在的技术问题。孟宪智等[10]主要介绍 GEF 海河项目在海河流域应用这一技术进行数据生产、流域水平衡分析、地下水管理、县级及灌区水管理的实践。

1.2 水环境监测

1.2.1 水体富营养化

房旭等[11]等综合利用多源卫星数据实现天津于桥水库蓝藻水华监测，采用 HJ-l，GF-1 和Landsat-8 高分辨率卫星联合监测方式，基于归一化植被指数NDVI构建了蓝藻水华提取算法，获取了于桥水库蓝藻水华的面积和空间分布情况，利用尺度转换重采样的方式保持多星观测结果的一致性。岳昂等[12]以 2008—2017 年 8—9 月的 Landsat-8 遥感数据为基础，通过叶绿素光谱解译，分析于桥水库藻华分布现状和演变特征，并结合水质监测和区域气温数据，探讨藻华爆发的驱动因素，得出水体总磷与叶绿素 a（Chl-a）呈现一致变化的规律。冯爱萍等[13]基于 MODIS 数据，采用 DPeRS 面源污染负荷估算模型，分析了 2016 年海河流域氮磷面源污染排放量、入河量和空间分布特征，对总氮和总磷污染负荷进行估算，并对海河流域 172 个控制单元进行了面源污染源和空间管理控制分析。罗阳等[14]通过地面光谱测试，对于桥水库的藻类光谱特性进行了分析，获取了藻类光谱基本信息，并分析了水华的敏感谱段，认为全色多光谱遥感技术对水体面源、点源和内源等各类污染源，具有较好的分辨能力。宋德彬[15]基于多源数据进行黄渤海藻类灾害时空分布及对策研究，借助 GF-1，VIRRS，Ascat，科考船等多平台数据集，对藻类暴发的环境要素进行综合分析，实现渤海生态健康的空间化评价。

1.2.2 悬浮固体

王代堃等[16]基于 Landsat-8 影像数据开展天津滨海新区地表水悬浮物浓度遥感反演研究，将实地水样采集、实验室测量分析和遥感影像不同波段像元亮度值结合，建立基于统计回归和神经网络的 2 种经验算法反演模型。左书华等[17]利用 Landsat-5/7 卫星影像和实测含沙量等资料，建立天津港—南排河岸段海域悬沙遥感模型，对表层水体悬沙分布及泥沙运动情况进行分析，获得了不同时期、潮型和风况下该海域表层悬沙含量分布特点。

1.3 水土保持监测

1.3.1 海岸带变化监测

陈文刚[18]开展了天津滨海新区海岸带变化遥感监测与动态模拟，以 1995—2015 年 5 期 Landsat TM/ETM + /OLI 数据为基础，动态分析了天津滨海新区海岸带土地利用类型变化趋势及海岸线变化特征，模拟 2020 年天津滨海新区海岸带土地利用状况，并提取 2020 年海岸线。王娟等[19]利用天津市1987—2008 年 5 个时相的遥感影像、土地利用数据和海域使用规划资料，结合数字图像处理、GIS 等技术和目视解译方法，提取了不同年代的岸线和湿地信息，剖析了天津滨海新区 20 a 来岸线变迁和湿地变化规律及其原因。

1.3.2 土地利用变化监测

李洪远等[20]利用 1979 和 2001 年的 Landsat TM 及 2009 年的 SPOT 等影像资料，通过目视解译法及 GIS 软件的空间叠加分析功能，研究了滨海新区生态用地的总体特征、生态用地转化特点及这些变化的驱动因素。王丰等[21]基于 Landsat TM 遥感影像与天津滨海新区 1∶50 000 地形图，运用土地利用转移矩阵对近 10 a 来天津滨海新区土地利用、覆盖变化、各种土地类型面积变化及相互转移情况进行定量分析。吴正鹏等[22]应用多源（多时相）卫星遥感影像变化检测与 GIS 相结合的技术手段对天津南港工业区填海造地总体进程进行监测，收集自2008 年至今的卫星影像，提取围海、填海造地变化信息并进行相关统计分析。

1.4 旱情监测

遥感干旱监测方法可实时反映大范围的地表植被干旱状况。张士昌等[23]基于 MODIS 数据，采用条件植被指数VCI、条件温度指数TCI和植被供水指数VSWI，对海河流域 2000—2009 年的旱情进行监测，得出遥感反演的土壤相对湿度图，实时监测旱情分布和动态变化，统计受旱面积，确定干旱等级。

1.5 生态环境监测

海河流域湿地众多，近年来受自然、人为因素的影响，湿地不断丧失或退化，污染加重，湿地生态遭到严重破坏，同时对海洋生态红线区的常态化监测还未全面实施。借助遥感监测手段有助于摸清海河流域湿地现状，在此基础上查找湿地环境恶化的原因，制定合理的保护和利用规划。

1.5.1 流域湿地监测

苗钰婷[24]以 2000，2015 和 2016 年 3 个时期的遥感影像为数据源，分析得出 2000—2016 年天津近岸—滨海新区自然湿地面积增减变动情况。高军[25]以 Landsat 遥感影像为主要数据源，利用 3S 技术和面向对象分类方法进行土地动态变化监测和地物信息提取，对天津市境内的湿地资源进行了季节性和 34 a 来的湿地变迁等的研究。孟伟庆等[26]利用1979—2008 年间共 6 期 Landsat TM 遥感影像与非遥感数据，对天津市滨海新区近 30 a 的湿地景观空间格局进行了动态分析，对湿地总面积变动和类型转换的情况及原因进行了总结。薛小妮等[27]利用2000，2005，2009 年 3 期 Landsat TM/ETM 遥感影像，提取白洋淀、衡水湖、北大港等 12 处洼淀的水面面积，分析其变化趋势，并对南水北调通水后湿地水面的恢复情况进行分析。

1.5.2 海洋生态红线监测

刘晓颖[28]以天津海域为试验区，设计了一套以业务化运行为目标的海洋生态红线区遥感监测方案。选取 2000—2015 年 4 个时段卫星遥感影像，开展了回顾性的海洋生态红线区遥感监测实践。研究显示：自 2002 年以来，海洋生态红线区内部无直接占用现象，但周围的开发利用活动对海洋生态红线区构成较严重的威胁，海洋生态红线区所在海域的自然属性发生较大改变。

2 天津水务遥感应用问题分析

2.1 遥感信息发掘不充分

天津水务遥感产品主要集中在水体提取、水资源蒸散发、水质分析、海岸带监测、滨海新区土地利用变化、湿地变迁监测等方面，且监测对象集中在于桥水库、海河、滨海新区的岸线及湿地，遥感产品多产生于科研项目和学术研究，未达到成熟应用水平，产品覆盖领域不够全面深入。

遥感可提取诸多水利有关的信息，以水体为例，可提取地表水体面积、水面高程、水深、水温、水色、悬移质泥沙含量、透明度、浑浊度、叶绿素 a含量、蒸散发量、土壤含水量等信息。利用这些信息可制作诸多水利遥感产品，以洪涝灾害遥感监测为例，可进行洪涝淹没区的淹没范围、历时（连续监测）、水深及洪涝影响对象等的监测评估。今后应充分发掘遥感信息，扩大覆盖领域，提升应用水平。

2.2 遥感基础研究工作不深入

遥感影像的正确解析离不开辐射校正、光学参数测量、波谱库建设、辐射传输机理研究、光学特性分析、光谱解析、水质模型建模反演等大量基础研究工作。

1）辐射校正。辐射校正是消除光线传播成像过程中各种畸变和噪声，从接收辐射亮度值中分离出水体的离水辐亮度，由于水体反射率偏低，同时受大气散射和吸收作用，空气湿度尤其是水面上水汽、气溶胶浓度、地形变化等因素影响，目前常用的大气校正模型在实际应用中还存在多种问题。如最著名 LOWTRAN，MORTRAN，6S 和 ATCOR 等模型，建模时需要气溶胶类型等多个大气参数，实际应用中通常采用将全球气溶胶根据地理位置划分为若干固定参数类型的计算方式，导致计算精度受影响。另外如黑体减法（Dark-Object Subtraction）模型，也称为暗像元法，利用阴影和水体等图像暗像元忽略地面反射能量或将其当做已知量的方式计算气溶胶参数，这种方法不需要卫星同步观测数据，在大气参数实时性方面效果有所改善，但没有充分考虑大气透过率和天空光下行散射的影响。基于暗像元模型的改进方法，如基于多个暗像元的对非均质大气的大气纠正方法和基于 DEM 的大气辐射纠正方法，考虑了大气的非均质性和地形对阳光穿过大气层厚度的影响，精度有所提高。总体上辐射校正的精确程度依赖于理论方法和模型设计的更深入的研究。

2）光学参数测量。水体成分光学参数的精确测量和专业波谱数据库的建设，对水体和水质定量遥感建模、参数反演及环境生态监测等具有重要作用。国内如中国污染水体反射光谱数据库，包含河流、水库、湖泊、排污口、赤潮水体等不同类型污染水体光谱曲线 330 组。但目前国内波谱库远未达到支撑遥感应用的程度，同国外波谱库规模和应用水平存在较大差距，水体专业波谱库的补充完善、标准化、数据共享等工作的开展极具紧迫性。

3）光谱解析。通过解析光谱曲线实现分类识别。由于光学参数测量误差、同物异谱/异物同谱现象的存在、理论方法的不完善及模型误差等原因，准确程度有限。解析对象以水体中的悬浮物、叶绿素和黄色物质等光学特性显著的成分为主。随着高光谱遥感等技术的发展，更多波段的信息可用于地物识别，光谱信息与各种建模方法的结合探索，也为总氮、总磷等光学特性不明显指标的解析提供了思路。

2.3 遥感数据解析方法有待丰富完善

遥感影像的处理方式目前主要有目视解译法和数据分析法，应用中或与现有模型结合，或基于光学理论建立新的模型，由于模型适用性和理论不完善等问题导致环境适应性、解析精度等还不能满足实用要求。

1）目视解译法。目视解译法直接在遥感影像上识别提取目标对象，精确程度依赖于遥感数据源空间分辨率和判据准则的适用性，多采用监督、非监督、决策树、最大似然等机器分类方法结合人工目视判别，对地物、图斑等进行判别分类，多应用于土地动态变化监测、地物信息提取、专题地图的制作等。

2）数据分析法。数据分析法以目标物体的光谱特征为基础，以多、高光谱影像为数据源，运用数学手段对影像波段数据进行处理，多用于地物提取、水质分析等方面。数据分析法主要有以下 2 种应用类型：a. 作为数据源参与运算，相比传统数据，遥感数据源为这些模型提供了新的特征参数和指标，有助于提高模型精度，扩展应用领域。b. 针对遥感数据建模，通常有理论、半经验、经验等方法。半经验方法应用较为成熟，通过统计关系或模型将实测光谱数据与遥感数据建立联系，针对性强，但当水体或水质发生较大变化后需要重新建模率定；理论算法基于辐射传输机理，建立污染物类型、浓度与水体光谱的函数关系，较少依赖实测数据，普适性好，但这种基于光场理论的模型基础尚不完善，需要更深入的研究和验证。

2.4 高光谱数据及卫星资源利用不充分

在水环境的遥感监测中，常用的数据源以多光谱影像为主，以蓝光、绿光、红光、近红外等 4～5 个不连续波段为主要研究对象并总结出一系列特征规律，目前应用较多的各种遥感指数算法多是依据光谱特征进行研究的结果。高光谱遥感在实际应用中还存在以下问题：

1）高光谱成像设备以地面和机载应用为主，星载仍以多光谱传感器为主。

2）高光谱遥感水质分析方法的处理思想较多参考多光谱成果，即以多光谱的思想解决高光谱问题，以相对较粗层次的方法和思想解决较细层次的问题，必然存在理论滞后的问题。

因此研究和分析高光谱遥感数据的特点，充分利用其信息优势是高光谱理论研究和应用的前提。

天津水质遥感产品多以 Landsat，MODIS 传感器影像为数据源，目前国产卫星如 GF，HJ，ZY 系列卫星，特别是 GF-1 和 GF-2 卫星数据空间分辨率与当前主流商业光学卫星基本相当，在幅宽、重访周期和中高分辨率传感器同星搭载上有一定优势。国外卫星如哨兵-2A， 携带 1 枚多光谱成像仪，可覆盖 13 个光谱波段，在光学数据中哨兵-2A 数据是唯一一个在红边范围含有 3 个波段的数据，为遥感监测提供了更高空间、时间和光谱分辨率的遥感数据，这对监测水环境信息非常有效。

2.5 遥感监测精度和时效性不足

遥感数据受空间和光谱分辨率、影像幅宽、过境周期、气象条件等因素的影响，数据采集的精确性、稳定性和有效性目前还不能满足应急数据需求，周期性、业务化、全国和分区域的覆盖性采集能力和调度同样不能满足常规业务需求。具体在以下几方面存在不足：

1）空间分辨率方面。用于水质监测的遥感数据一般不能低于 2～5 个像元精度，目前常规遥感数据分辨率还无法满足中小河湖水域的监测需求。

2）时间要求方面。汛期水情、水华发展、黑臭水体等监测有较高的时效性要求，但幅宽覆盖面积大的遥感影像更适用于大区域的监测。云、雨、雾霾等气象条件也限制了遥感影像的正常使用，导致对遥感影像需求最高的汛期往往无法获取有效影像数据。

3）在研究对象方面。水质分析多为大面积的湖泊、水库等的水质分析，对于河流，还停留在一级主干道水体的监测阶段，目前城市河网遥感水体研究基本还处于探索阶段，成熟的应用不多。

4）多源数据联合使用方面。多源数据联合使用是当下一个研究方向，如多云多雨地区的多源遥感协同监测、水陆交互带土地覆盖变化检测与更新等，但不同来源的遥感数据目前存在标准、格式等的不统一，加上卫星姿态、过境时间等因素，导致不同来源的数据共享和融合有一定难度。

3 水务遥感应用前景探讨

目前，卫星遥感在水政执法、水资源、水生态等方面得到拓展应用，逐步成为重要业务支撑；河（湖）长制等遥感应用急需大量高光谱数据开展水环境监测。综合水务业务工作和应急监测评估需求，水务遥感有巨大市场和应用前景。

随着国内遥感基础研究的不断完善、新技术研究的进步和卫星产业的快速发展，遥感产品的精度、实用性、时效性日益提高。遥感产品的普及应用需要实现自动化及业务流程化处理，具备数据自动获取、处理、入库，以及专题产品生产、共享的能力，能够提供定期、及时、持续、标准的产业化应用服务。

高光谱、超光谱遥感和高空间分辨率的凝聚式卫星观测等新技术，以及更多新型遥感卫星资源的运用，将使遥感可对水质分布、污染源等，进行大区域、不间断监测，可很好地应对突发事件，实现水中微生物、光活性重金属等多水质参数的高精度遥感参数反演，对水安全和水环境保护具有巨大的意义。遥感大数据的建设能提供知识化的水利遥感大数据管理、云端化的遥感大数据服务能力，助力“互联网 + 现代水利和智慧水利”建设。

遥感影像处理软件国产化进程日益紧迫，长期以来，遥感影像处理分析类软件主要依靠国外产品，我国还有大量关键系统仍然使用国外遥感处理基础软件，全面启动国产软件替代工作，保障空间信息安全势在必行。

4 结语

我国遥感卫星应用起步于 20 世纪 70 年代末，随着水利信息化的发展及高分辨率对地观测系统重大专项的实施，水利遥感的技术和应用水平近年来有了迅猛发展，能力不断增强，应用范围不断扩大，应用深度向业务工作的要求不断靠拢。利用遥感技术监测地球表面水体具有监测范围广、频率高、速度快、成本低等优势，能够全面及时监测和获取水质动态变化等数据，对于水质监控和污染源排查具有极大的重要性，在水资源管理、水环境监测、水土保持、水利工程监测、防洪抗旱、生态环境监测、应急监测评估等水务业务领域有极大的应用需求。虽然目前遥感水务应用还存在诸多不完善的方面，但随着遥感技术的不断进步和应用研究的逐步深入，其在资源环境的保护、规划和可持续发展方面的作用将更加重要，能够为建立天地一体、上下协同、信息共享的生态环境监测网络提供保障。