遥感正在水文中的应用.docx

水文信息技术自动化课程作业 2016年10月遥感在水文中的应用摘要:从遥感技术在水文学中的直接和间接应用两个方面, 详细阐述了遥感技术在洪水过程实时动态监测、水域面积、冰川/积雪水文、降水、区域蒸发、土壤水分、径流和水文模型、水质等领域的应用和研究进展, 继而对遥感和地理信息系统在水文学中的联合应用问题进行了讨论。关键词：水文水资源 遥感 应用 From the two aspects of the application of remote sensing technology in hydrology directly and indirectly, elaborated on the remote sensing technology in flood process real-time monitoring, water area, ice / snow hydrology, regional precipitation, evaporation, soil moisture, surface runoff and hydrological model, water quality in the field of application and research progress, and the combined application of remote sensing and the geographic information system in hydrology are discussed.引言；遥感图像处理作为遥感技术应用的重要组成部分，是根据不同的工作目的而确定的。遥感图像处理的首要任务是对遥感数据的选择及其时相选择；其次是根据任务和目标进行波段组合的优化选择；最后是确定遥感图像处理和信息提取方法，方法选择得当，即可取得了事半功倍之效。遥感技术在水资源中各个领域都有着广泛应用。 1. 遥感技术在地表特征的应用1.1地表类型划分估测区范围广阔，地貌形态复杂多样，为简化地貌类型，同时兼顾地貌对地表产流影响的差异，以卫星图像为基础，将区内划分为几个大的地貌类型，即中山区、低山丘陵区、平原区、及黄土高原区。地表岩性地表岩性地表岩性地表岩性 应用遥感岩性地层解译结果，考虑到不同岩性的透水性能，为了使区内的下垫面类型趋于简单化和带有普遍性，将其共性特征组合如下： 黄土、第四纪冲洪积物，透水性较强;砂岩、砂砾岩，结构较为松散，孔隙裂隙较为发育，透水性较强； 砂岩、砂泥岩，透水性一般；变质岩、岩浆岩，透水性较弱；碳酸盐岩，透水性较强。2 .遥感技术在地下水勘查中的作用 地下水资源勘查遥感图像能够真实反映地表地形、地貌、岩性、第四纪沉积物、地质构造、水系、植被覆盖等水文地质要素的空间展布特性及相互联系。在地下水勘查中运用遥感技术对勘查区各类地质要素进行解译和提取，并结合多学科、多信息的综合分析，可以对区域的水文地质条件和地下水的分布特征得出系统、客观的结论。 对第四纪松散层中的孔隙潜水来说，其水文地质条件通常与地貌、第四纪地质、新构造和植被覆盖等要素有着极为密切的联系。利用遥感图像上的色调、形态、纹理、结构等影像特征提取这些要素，对于圈定相对富水地段、判断含水层的层位和各种边界条件具有良好的效果。在此基础上，综合常规勘探资料，可以较准确地评价地下水资源。地表水资源现状调查与动态变化分析地下水的形成及赋存状态与地表水资源有着极其密切的关系。在调查地表水资源方面，可以非常方便地利用水体明显区别于其它地物的特殊光谱特性，直接从遥感图像上提取水体信息；利用不同时相的遥感数据，经计算机几何纠正、叠加配准等处理，可以定量地提取江河、湖泊水体的动态变化信息，从而推测江河、湖泊岸线的演变规律；根据江河、湖泊水量的变化和对地下水的补给关系分析地下水位的可能变化趋势。3.遥感技术在水环境保护中的应用水体及其污染物质的光谱特性是利用遥感信息进行水质监测与评价的依据。国内外的许多学者利用遥感(遥测)的方法估算水体污染参数，以监测水质变化情况。国内外的许多学者利用遥感(遥测)的方法估算水体污染参数，以监测水质变化情况。如莱思罗普(Lathrop)等利用5号陆地卫星TM 数据评价了格林湾和森特勒尔莱克的水质情况?；陈楚群等应用TM 数据建立了估算叶绿素a浓度的模型。 在水污染监测方面，我国先后对海河、渤海湾、蓟运河、大连海、长春南湖、于桥水库、珠江、苏南大运河、滇池等大型水体进行了遥感监测，研究了有机物污染、油污染、富营养化等；利用水体叶绿素与富营养化之间的关系研究了滇池水体污染与富营养化状况；利用卫星遥感资料估算了渤海湾表层水体叶绿素的含量，建立了叶绿素含量与海水光谱反射率之间的相关模式，定量地划分了有机物污染区域；利用水体热污染原理先后对湘江、大连海、海河、闽江、黄浦江等进行了红外遥感监测。4.遥感技术在降雨蒸发防洪抗旱中的应用4.1.降水借助于遥感资料，可以获得降水空间分布特别是在雨量站和雷达观测站点较稀的地区。用于降水估算的遥感信息源。目前，国内外应用卫星数据来估测降雨量的方法有云层指数法 阈值 生命-历史法 形状分类法 综合方法 微波辐射法 航空遥感是被动式遥感，它实际是深入云内及环境云体周围做各种飞行的气象专用飞机，可以测出不同的云滴，雨滴和冰晶分子及其分布。通过计算机和各种资料处理系统从而使数据自动收集与记录。4.2.蒸散发区域蒸发（包括土壤蒸发，水面蒸发和植物蒸腾）是区域水量平衡和能量平衡的重要组成部分。随着遥感技术的发展和应用，利用遥感技术估算蒸散发已经成为研究的热点和趋势。能量平衡是遥感方法估算蒸散发的理论基础利用遥感研究蒸散发有多种方法 统计经验法，数值模型法。我国学者对遥感应用于区域蒸散发做了大量的研究。02年陈云浩建立了裸露地表条件下的裸土蒸发和全植被覆盖条件下植被蒸腾计算模型。4.3.防洪抗旱 自遥感技术应用依赖，遥感技术就在防洪抗旱中发挥了巨大的作用。灾害发生后可以根据水体与其他第五光谱明显不同的特点，利用多光谱图像快速确定受灾面积。在此基础上根据已有的社会信息，利用遥感图像分析功能进行叠加分析，可以快速的对灾情进行评估。为救灾，减灾提供信息基础。再次方面水利行业已经做了大量的工作取得了成熟经验。5.遥感技术在整理积雪区域中的应用在高海拔地区，冰雪融水是河流的主要来源这些地区水文资料和气像资料比较短缺，这几大地影响了河川径流及对准确地预报。遥感技术，地理信息系统和计算机技术的发展，使无资料的地区积雪研究成为可能。遥感技术在积雪中的应用，主要表现在三个方面1.遥感技术在融雪径流模拟中的应用。2.遥感技术在积雪遥感动态监测中的应用。3.遥感技术在积雪参数反演中的应用。以上三个方面我国学者也做出了相应的计算与模型。6.遥感技术在区域蒸发中的应用区域蒸发在全球/区域气候模式、水文循环过程以及农业、林业、环境中都具有重要意义。目前对于蒸发的计算与测定都是基于单点或同一种植物(作物)而展开的, 对于区域尺度上蒸发的估算, 遥感信息不仅具有常规手段无法比拟的, 对大面积地面特征信息同时快捷获得的手段, 而且就目前科技水平而言, 遥感技术是最为经济和最为准确的手段。利用遥感技术估算区域蒸发的基本依据是能量平衡方程, 即Rn +G +H +LE =0 (1)式中Rn 为净辐射;G 为土壤热通量;H 为显热通量;LE 为潜热通量。Rn 可通过天文辐射(理论太阳辐射)用经验公式求得, 亦可通过遥感方法求得。如果用遥感技术, 则一般利用GOES 卫星资料, 获取下式中的参数, 从而求得净辐射 :Rn =(1 -)Rs +(1 -s)Rld -sTsh4 (2)式中Rs 为太阳短波辐射收入项;Rld 为长波辐射收入项;为地面短波反射率;s 为地表反射率;是斯蒂芬-波尔滋曼常数;Tsh 为半球辐射温度(Norman 和Becker , 1975)。sTsh4 为向上的长波辐射通量, 可写为Rlu 。空间运载工具上的红外辐射仪所测到的辐射温度Trad 假定接近Tsh 。Rs 和均可利用GOES 遥感资料, 通过经验/统计模型或具有物理基础的模型求得。地表长波辐射通量亦可从遥感资料获得, 如NOAA 卫星TOVS (Tiros Operational Vertical Sounder)的红外和微波探测资料可用于Rld 和Trad 的估算。也有的学者, 如Jackson 等(1987)由地面气象资料, 利用经验公式求得Rld , 然后利用Trad 计算长波向上部分的辐射。Sellers 等 曾经讨论了对由以上4 个参数估算来求得Rn 的误差累积问题, 这就导致了一些学者试图利用大气层顶部的Rn 来推求地表的Rn (Pinker 和Tarpley , 1988), 但Harshvardhan 等的研究 21 表明者之间的相关性很小。土壤热通量G 是土壤热传导性和垂直温度梯度的函数。因为温度梯度不可能利用遥感手段获得, 因而求解G 的数值模型一般都将土壤划分为若干层(Campbell , 1985) 16 。这就需要对土壤属性有详细的了解, 因此, 常规气象资料一般均能获得满意的G 值。遥感上的应用, 一般是将G/ Rn 作为植被覆盖状况(VI)或叶面积指数的函数, 遥感资料通常可获得满意的后者的值 16 。Choudhury 等(1987)的研究表明 16 , 在裸露土壤条件下, G/Rn 为0.4 ;而完全被植被覆盖时, G/Rn 仅为0.05 。虽然目前的观测都表明VI 和G/Rn 之间是线性关系, 但从理论上分析, 它们之间应该是非线性关系(Clothiert 等, 1986 ;Kustas 等, 1993) 。在获得Rn 和G 之后, 如果能准确地区分开H 和LE , 则由式(1)可求得区域蒸发。目前区分H 和LE 的方法主要有三大类(1)经验、半经验公式这类公式一般采用遥感的连续观测资料来估计天的蒸发量, 通常假定白天的H 和LE 与(Rn +G)之间有一定联系, Hall 等(1992)的试验观测结果表明, 用于蒸发部分的能量(EF)(即:EF =-LE/(Rn +G)在白天相当稳定。一种最为流行的方法是假定ET 和Rn 之差可用以下线性方程表示。(2)有物理基础的分析模型Price(1980)曾建立了一个以能量平衡为基础的计算通量的模型, 来计算日蒸发量。此模型需要的输入参数包括Trad 的最大最小差值及常规气象观测要素,如风速、空气温度、水汽等。由于NOAA -AVHRR 可以提供白天和晚上的表面辐射温度, 因而可用于此模型中。此模型在1982 年经Price 改进后, 成为一个预测模型, 与利用气象资料和蒸发器所获得的结果基本一致。(3)数值模型在过去几十年, 出现了大量的数值模型来摸拟地表能量通量的交换, 同时利用遥感资料(如Trad)来提取模型参数。数值模拟同统计模型和分析模型相比有两大优点:一是它们是揭示土壤-植被-大气系统(SVAT)能量传输的物理过程;二是它们在一定的初始和边界条件下, 可以模拟能量通量的连续变化过程。但在实际应用中, 有关参数的估算需要大量和详尽的植被和土壤信息, 所以很难应用于区域尺度。这就要求将物理模拟与遥感技术相联系, 这方面的一些尝试还是较为成功的(数值模型的不足之处在于需要大量有关区域植被和土壤的参数。由于这些参数很难获得, 在实际应用中往往简化模型、减少参数, 以便遥感技术应用Bougeault 等, 1991), 除以能量平衡方程为基本出发点的求解区域蒸发的方法外, 还有一些其它方法, 试图通过某个环节或过程, 利用遥感信息来估算区域蒸发。如利用VI/ Trad 关系, 因为许多研究明 16 , NDVI 和Trad 有着极好的相关性此外, 微波遥感由于较少受到大气和云的影响, 因而在区域蒸发的估算方面是大有可为的 。同热红外遥感资料相比, 微波技术还有一个优点就是可以获得不同深度(虽然深度极其有限)的土壤信息, 在获得土壤水分垂直分布应用上有积极意义(Jackson 等, 1995)。虽然利用遥感资料估算区域蒸发量还存在着许多问题, 但应该指出, 利用遥感资料结合地面气象和植被要素, 反演区域蒸发通量, 仍是估计区域蒸发通量最有前途的手段。7.遥感技术在水土保持中的应用为了有效的进行水土保持工作，对土壤侵蚀和水土流失调查，监测和评价，具有十分重要的意义。目前遥感技术成为水土保持研究的重要技术手段，在区域土壤侵蚀和水土流失研究中得到了广泛的应用。水土流失的研究有以下两种土壤侵蚀动态的监测，其关键是提取影响土壤侵蚀因子信息。2水土流失定量研究。利用遥感技术对土壤水分的监测从宏观上可分为两大类:一类是利用微波遥感手段对地表土壤湿度进行直接测量;一类是依据可见光/红外波段遥感资料, 利用热惯量、作物缺水指数、距平植被指数等方法, 获得地表能量和作物生长状况等信息, 然后建立与土壤水分的相关函数/经验公式, 从而计算土壤水分。(1)微波遥感微波遥感可以对各种地表覆盖条件下的土壤水分进行直接测定。通常有两种基本方法:被动微波遥感和主动微波遥感。被动遥感技术利用高精度的辐射仪测量特定波段内地表的热发射率。通常用亮度温度表示, 亮度温度在数量上等于发射率乘以物理温度。如果物理温度能确定, 则发射率可简单求得。微波发射率对大多数地表在0.6 0.95 之间。微波的反射率等于1 减去发射率, 而反射率则通过Fresnel 方程与土壤水分相联系。Jackson (1993)曾利用这种方法结合有关土壤结构、地表粗糙度、温度等提出了一种算法。由于植被会降低土壤水分变化的灵敏度, 但这种影响会随着波长增加而降低, 这就是被动遥感使用波长较长的重要原因。Jackson 和Schmugge(1989)曾使用植被水分含量有关的参数, 进行较长波长的植被修正。被动遥感的另一个问题是空间分辨率较低, 一般都大于10 km 。总之, 虽然有一些问题, 但被动遥感对裸露土壤和植被覆盖条件下土壤水分估算的方法基本成熟, 被国内外广泛使用。主动微波遥感(如雷达)是发射和回收微波信号, 然后利用两者之差来分析目标物体的特征,方法主要是后向散射系数法。因为土壤含水量直接影响土壤的介电特性, 使雷达回波对土壤水分极为敏感。对雷达发出微波信号, 不同介电常数的物体, 回波信号不同, 即不同含水量土壤的微波后向散射系数不同。但由于后向散射系数不仅同土壤水分含量有关, 而且与地表土壤的何特征、植被覆盖状况等因素有关, 因而纠正过程较为复杂和困难。对裸露土壤而言, 所有涉及后向散射系数的模型都涉及到两个土壤参数:土壤介电常数和552 水科学进展第12 卷地表高程标准差(Oh 等, 1992 ;Dubois 等, 1995)。由于主动微波的空间分辨率较高, 一般均小于100 m , 因而后者的精度就显得尤为重要。而对于植被覆盖影响的综合性模型, 还不多见。大部分模型都是针对某一特定植被类型而言(Lin , 1994)。由于以上原因, 主动微波遥感的应用还很有限。微波遥感土壤水分测定, 精度较高, 且可排除云等影响, 可全天候使用, 因而是监测大面积土壤水分最为行之有效的方法。不足之处是成本很高, 但随着JERS -1 SAR , EOS -ASR ,Radarsat 等行载雷达的发射和运行, 其成本将会不断下降, 广泛应用的前景十分光明。结语随着遥感技