甘 容 陶 潔

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省地下水污染防治與修復(fù)重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.鄭州市水資源與水環(huán)境重點實驗室，河南 鄭州 450001)

水文學(xué)是人類從利用水資源開始，在長期水事活動過程中，不斷地觀測、研究水文現(xiàn)象及其規(guī)律性而逐步形成的一門科學(xué)，是地球科學(xué)的一個分支。水文學(xué)既包含基礎(chǔ)研究內(nèi)容，如水循環(huán)轉(zhuǎn)化機理及過程，也包括水文學(xué)應(yīng)用服務(wù)內(nèi)容[1]。由于客觀世界的復(fù)雜性、廣泛存在的不確定性以及人類認識上的局限性，水文學(xué)仍有許多難點問題在理論上和實際應(yīng)用中未能很好解決。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究手段不斷改進，水文學(xué)也在不斷發(fā)展之中。

遙感技術(shù)是指不直接接觸物體，主要依賴電磁波進行信息傳遞，從遠處通過探測儀器接收來自目標地物的電磁波信息，經(jīng)過對信息的處理，在不與被研究對象直接接觸的情況下，實現(xiàn)遠程識別物體的技術(shù)。根據(jù)遙感平臺可將遙感分為地面遙感、航空遙感、航天遙感；根據(jù)電磁波譜可分為紫外、可見光、紅外、微波、多光譜遙感；根據(jù)電磁輻射能源可分為被動遙感、主動遙感；根據(jù)應(yīng)用目的可分為農(nóng)業(yè)遙感、林業(yè)遙感、地質(zhì)遙感及環(huán)境遙感等。

遙感技術(shù)改變了傳統(tǒng)獲取信息的方式，可以同時收集多種類型的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時上傳，工作周期短；且不受時間和地域的限制，使用范圍廣泛；依托于現(xiàn)代科技，減少了煩瑣的人工勞動，降低了成本，已成為現(xiàn)代探測與診斷技術(shù)之一[2]。遙感技術(shù)在水文水資源方面得到了很好的應(yīng)用，傅國斌等[3-4]探討了遙感技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用尺度問題及研究進展；張煒等[5]闡述了遙感技術(shù)在現(xiàn)代水文學(xué)中的應(yīng)用。近年來，隨著我國科技水平的不斷提升，遙感技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展，在水文學(xué)中的應(yīng)用也有了長足的發(fā)展。對此，本文在廣泛閱讀2017—2018年相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理了中國近年來遙感技術(shù)在水文學(xué)的應(yīng)用研究進展。

1 遙感技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用

1.1 水域及土地利用變化中的應(yīng)用

1.1.1 水域面積的識別

水體的反射特征與植被、裸地等其他地物有所差異，使其在遙感影像圖中容易辨識。在具體應(yīng)用中主要分為3個方面：

a.基于遙感的水體信息提取，偏重于方法上的應(yīng)用創(chuàng)新。地表水體同建筑物、山體等在光譜特征上，有一定的類似性，在用遙感影像提取時容易出現(xiàn)混淆，針對這個問題可以采用一種基于面向?qū)ο蠛腿斯し淙旱牡乇硭w提取方法，利用DEM與遙感綜合、簡化的脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、稀疏表達方法等方法，可以提高水體提取精度。

b.通過不同時期的遙感監(jiān)測，得到不同時期的水域面積，進而探討水域面積動態(tài)變化時空特征及影響因素。此類研究文獻較多，一些學(xué)者基于遙感數(shù)據(jù)，分別開展了不同時期武漢市、云貴高原、青海湖湖泊水域面積動態(tài)變化的遙感監(jiān)測與分析。

c.城市不透水面估算。主要進展為基于遙感數(shù)據(jù)，提出了采用隨機森林模型與支持向量機模型對城市不透水面進行更為精確的提取和估算[6]。

1.1.2 土地利用變化

土地利用/植被覆蓋是土地資源規(guī)劃及管理的信息保障，是區(qū)域環(huán)境與氣候研究的基礎(chǔ)。遙感技術(shù)是提取土地利用/植被覆蓋的重要手段。近年來的研究主要分為兩個方面：

a.提取方法。通過對比研究，提出了采用最大似然法、時間序列HJ衛(wèi)星數(shù)據(jù)與面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǎ谖锖騾?shù)和面向?qū)ο蠓▉硖崛⊥恋乩?植被覆蓋信息。

b.擴展應(yīng)用?；谶b感影像數(shù)據(jù)，在獲得土地利用/植被覆蓋的基礎(chǔ)上，部分學(xué)者開展了時空變化特征、喀斯特地貌景觀格局、生態(tài)輸水影響、生態(tài)服務(wù)價值測算、氣候變化的響應(yīng)、森林景觀格局穩(wěn)定性、城鎮(zhèn)用地擴張、沙漠化分析研究。

1.2 水循環(huán)及水文模型中的應(yīng)用

1.2.1 降水

降水是流域水循環(huán)過程及水量平衡的重要環(huán)節(jié)，也是水文氣象的重要因素。與氣象站觀測降水數(shù)據(jù)相比，遙感降水產(chǎn)品能夠更好地反映降水的空間分布特征，且能彌補無氣象站實測資料的缺憾。由于遙感降水數(shù)據(jù)存在很大的不確定性，需要通過一定的方法進行校正后才能使用，也可以與研究區(qū)的實測降水數(shù)據(jù)進行對比，評價其效果。近年來關(guān)于遙感技術(shù)在降水應(yīng)用中取得的進展，主要體現(xiàn)在對不同數(shù)據(jù)源的遙感降水產(chǎn)品的精度及適用性的評價研究。另外，還體現(xiàn)在對遙感降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理的方法方面，如降水數(shù)據(jù)的降尺度研究、復(fù)合校正方法、反演與驗證研究。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，可以應(yīng)用多參數(shù)雷達遙感監(jiān)測區(qū)域?qū)崟r降雨強度，進而應(yīng)用到城市內(nèi)澇防治體系、城市雨洪等方面。

1.2.2 蒸散發(fā)

蒸散發(fā)是水循環(huán)過程的重要組成部分，影響著水體、土壤、植被和大氣之間的水量交換。大尺度上的實際蒸散發(fā)不能被直接觀測，遙感技術(shù)也不能直接得到蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，但是可以通過對相關(guān)遙感數(shù)據(jù)的處理，借助一定的方法和模型估算反演得到區(qū)域蒸散發(fā)量。如可采用地表能量平衡原理、SEBS模型、隨機森林算法等進行長時間序列的蒸散發(fā)量監(jiān)測和反演。

1.2.3 冰雪水文

冰川和積雪是重要的淡水資源，其分布決定著融冰融雪徑流。遙感技術(shù)在冰雪水文方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下3個方面：

a.冰川變化的遙感監(jiān)測。主要基于不同時期的遙感影像數(shù)據(jù)，采用一定的方法提取冰川信息，進而分析冰川的變化趨勢特征。如一些學(xué)者分別開展了哈爾里克山脈、青藏高原東南部崗日嘎布山、唐古拉山西段、東帕米爾高原昆蓋山、天山南伊等地區(qū)的冰川變化研究。

b.雪線監(jiān)測及提取方法。冰川雪線高度的遙感提取對冰川物質(zhì)平衡研究具有重要意義，可采用一種基于晴空環(huán)境下積雪覆蓋頻率的方法來提取雪線高度[7]。

c.積雪分布。主要為基于遙感積雪產(chǎn)品數(shù)據(jù)，開展積雪產(chǎn)品算法和積雪時空分布特征的研究。

1.2.4 徑流及水文模型

徑流量是流域水文計算和水循環(huán)的關(guān)鍵因素。遙感技術(shù)在徑流方面的應(yīng)用主要是基于遙感信息，借助水文模型來估算或模擬河川徑流。如針對無資料或少資料區(qū)，提出了一種水力學(xué)與遙感相耦合的徑流反演模型。

水文模型是將復(fù)雜的水文現(xiàn)象和過程，用模擬的方法概化后的近似的科學(xué)模型。模型包括輸入和輸出部分，降水數(shù)據(jù)是水文模型輸入的主要參數(shù)之一，將不同的遙感降水數(shù)據(jù)引入到水文模型中已成為區(qū)域水文模擬的熱點?，F(xiàn)已評估了不同的衛(wèi)星遙感降水數(shù)據(jù)在VIC模型、MIKE SHE模型、三水源新安江等模型中的應(yīng)用效果，并開展了水文過程及洪水過程模擬。遙感技術(shù)在水文模型其他方面的應(yīng)用也有一些進展，如構(gòu)建了河流水生物理生境遙感評價模型；建立了適用于多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)且精度較高的太湖水體漫衰減系數(shù)估算模型。

1.3 水文效應(yīng)及旱情監(jiān)測

1.3.1 土壤水鹽

土壤水分是作物旱情診斷及灌溉管理的參數(shù)，監(jiān)測土壤水分可以提高水分利用效率；土壤鹽漬化已是全球性的環(huán)境問題，土壤有機質(zhì)是目前土壤質(zhì)量評價的重要指標。近年來遙感技術(shù)對土壤水鹽監(jiān)測的應(yīng)用進展主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

a.如何進行土壤水分遙感反演或提高土壤水分遙感反演的精度。不同的學(xué)者提出了不同的方法，有植被供水指數(shù)VSWI模型法、改進植被指數(shù)法，利用試驗反射光譜數(shù)據(jù)等進行土壤水分的遙感反演，但缺乏對這些方法的適用條件的評價。

b.土壤鹽分及有機質(zhì)的遙感反演研究。將遙感數(shù)據(jù)與實測土壤鹽分數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以提高鹽漬化土壤的判別精度，且光譜變換會影響黑土養(yǎng)分含量的高光譜遙感反演；基于遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建包含含水量變化與有機質(zhì)含量信息的多光譜指數(shù)，建立土壤有機質(zhì)的遙感反演模型[8]。

1.3.2 地表溫度

地表溫度是驅(qū)動土壤熱狀態(tài)的主要因子，是一些地表過程模型的輸入?yún)?shù)之一。和降水數(shù)據(jù)一樣，傳統(tǒng)方法獲取的地表溫度數(shù)據(jù)一般來自氣象站點，范圍小且不連續(xù)。遙感反演地表溫度是估算地表輻射和能量收支平衡的重要手段。在近期研究中，主要為如何提高遙感反演地表溫度的精度及穩(wěn)定性。冬季由于對云與雪的混淆，可能導(dǎo)致大量MOD11A1地表溫度產(chǎn)品的數(shù)據(jù)缺失，影響其在東北凍土區(qū)的使用，可以利用劈窗算法反演少云或無云的MODIS1B衛(wèi)星影像，估算地表溫度[9]。進一步擴展應(yīng)用方面，基于TM影像數(shù)據(jù)，利用單窗算法反演可得到主城區(qū)地表溫度，并基于SPOT影像數(shù)據(jù)，提取城市綠地斑塊，分析綠地對城市熱島地溫格局的影響[10]；基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用逐日百分位數(shù)法，確定極端高溫事件，用來探討城市集群化發(fā)展對極端高溫事件的影響[11]。

1.3.3 旱情監(jiān)測

干旱的頻繁發(fā)生和長期持續(xù)，不僅會造成經(jīng)濟損失，還會帶來荒漠化加劇、水資源短缺等一系列環(huán)境問題。區(qū)域旱情的監(jiān)測主要取決于土壤水分的監(jiān)測。遙感技術(shù)在旱情監(jiān)測方面的應(yīng)用進展主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

a.利用不同的遙感數(shù)據(jù)源，求得溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)，進而監(jiān)測區(qū)域旱情。

b.衛(wèi)星遙感降水數(shù)據(jù)在干旱監(jiān)測中的應(yīng)用。降水是眾多干旱指標計算所需的直接或間接參數(shù)，基于衛(wèi)星遙感反演的降水數(shù)據(jù)產(chǎn)品，具有較高的時空分辨率和較廣的覆蓋范圍，彌補了地面站點在空間分布上的不足，為干旱指標的計算提供了新的數(shù)據(jù)源。需要比較分析基于站點實測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)計算的各干旱指數(shù)，綜合評估衛(wèi)星降水產(chǎn)品在研究區(qū)的干旱監(jiān)測與評估效用[12]。

1.3.4 地下水位

地下水是水資源的重要組成部分，尤其在內(nèi)陸干旱區(qū)，由于降水稀少，地下水是綠洲生存的主要水源，地下水位動態(tài)變化與生態(tài)環(huán)境問題有著密切的聯(lián)系。傳統(tǒng)的地下水位獲取主要是通過單點打井觀測地下水位，該方法成本高，耗時費力，且代表性差，無法實現(xiàn)大面積的地下水位的監(jiān)測和評價，通過遙感技術(shù)監(jiān)測地下水位可以彌補此方法的不足。基于Landsat遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，反演得到地下水位。而且利用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，建立植被覆蓋時空數(shù)據(jù)集，可分析植被覆蓋變化對地下水位埋深的響應(yīng)[13]。

1.3.5 水庫-庫容曲線

水庫-庫容曲線是水庫調(diào)度及運行管理的重要依據(jù)。傳統(tǒng)庫容曲線校核費時費力且成本高。利用基于遙感技術(shù)的水體信息提取方法，提取得到庫區(qū)內(nèi)的水體面積，結(jié)合影像成像時間對應(yīng)的實測水庫水位值，根據(jù)統(tǒng)計原理擬合得到水庫的水位-面積曲線，從而推算出其水位-庫容曲線；也可基于ETM+遙感影像及實測水位數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出研究區(qū)的水位-水面面積函數(shù)關(guān)系，運用積分方法得到庫容曲線[14]。

1.4 水生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用

1.4.1 湖泊水化學(xué)

遙感技術(shù)在湖泊水化學(xué)方面的研究，主要體現(xiàn)在建立遙感參數(shù)與湖泊水化學(xué)特征參數(shù)之間的反演模型。湖泊透明度是湖泊水體性質(zhì)的重要參數(shù)之一，是有機和無機顆粒進入湖泊的溶解程度及湖泊浮游生物的綜合反映。遙感影像是獲取時間長、面積廣的湖泊透明度的重要手段，基于MODIS遙感影像數(shù)據(jù)及湖泊實測透明度值，建立了湖泊水體透明度MODIS遙感反演模型[15]。湖泊水體中的有色可溶性有機物(CDOM)是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷等有機營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可反演水體中CDOM濃度。磷是生物體組成的元素，也是引發(fā)湖泊水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子，為了改進傳統(tǒng)總磷采樣的缺點，進行實時監(jiān)測，可利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最小二乘支持向量機遙感反演總磷質(zhì)量濃度的監(jiān)測方法[16]。

1.4.2 濕地

濕地是一種介于陸地和水域之間的過渡生態(tài)系統(tǒng)，有其獨特的生態(tài)功能和價值。濕地水文特征參數(shù)在水資源合理配置規(guī)劃及災(zāi)害預(yù)警中具有重要的地位，可依據(jù)多源多時相遙感數(shù)據(jù)，反演得到濕地水文特征參數(shù)，構(gòu)建濕地水文特征參數(shù)綜合反演技術(shù)框架體系[17]。遙感技術(shù)在濕地方面的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在基于不同時期的遙感影像數(shù)據(jù)，采用一定的算法解譯得到濕地資源、濕地景觀、濕地植被覆蓋度、濕地面積等，并分析其時空變化特征。然而由于外部環(huán)境的影響同一類地物可能表現(xiàn)出強烈的光譜差異，而不同的地物類型，由于自然植被沒有明顯的邊界，可能表現(xiàn)出很強的同質(zhì)性，從而影響濕地遙感分類的精度，針對該問題，提出采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，進行高分辨率濕地遙感影像的分類研究。

1.4.3 沙塵

風(fēng)將大量沙塵卷入大氣中，導(dǎo)致大氣水平能見度小于1km的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，稱為沙塵天氣。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以對沙塵過程進行實時動態(tài)監(jiān)測, 懸浮的沙塵粒子與大氣中其他物質(zhì)對不同通道的散射和吸收存在差異，利用差異特征，可從遙感影像上判別沙塵暴的位置和移動軌跡。基于Himawari 8靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對華北地區(qū)沙塵污染的起源、行進軌跡和形成過程的24小時的三維動態(tài)觀測[18]；通過MODIS真彩色合成影像和熱紅外波段亮度溫度差識別、提取沙塵信息，可以實時、快捷地獲取沙塵來源、沙塵天氣影響過程和范圍[19]。

1.4.4 水土流失監(jiān)測

為了掌握區(qū)域水土流失變化規(guī)律與發(fā)展趨勢，需要開展水土流失動態(tài)監(jiān)測。植被覆蓋度是水土流失的主要影響因子，利用高分辨率遙感影像，可以獲取研究區(qū)土地利用和植被覆蓋因子，評價水土流失狀況、水土保持措施等。在近期進展中，主要為如何準確、快速有效地使用遙感影像數(shù)據(jù)，獲取植被覆蓋度信息，進行水土流失監(jiān)測?；谒款C布的土壤侵蝕分類分級標準，構(gòu)建了一種水土流失遙感監(jiān)測土地利用現(xiàn)狀分類體系[20]。

1.4.5 生態(tài)系統(tǒng)評價

生態(tài)系統(tǒng)健康是保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的前提，遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為生態(tài)系統(tǒng)健康的監(jiān)測和評價提供了更有效的手段。進行生態(tài)系統(tǒng)健康評價，關(guān)鍵是要建立評價指標體系，針對海岸帶陸域生態(tài)系統(tǒng)健康評價，可從資源環(huán)境、人類活動、景觀生態(tài)3個方面，按活力、恢復(fù)力和組織力3個子系統(tǒng)選取代表性指標，構(gòu)建遙感技術(shù)支持下的評價指標體系[21]。利用遙感和GIS空間分析相結(jié)合的方法，將研究區(qū)劃分為不同的單元，考慮不同類型區(qū)域的生態(tài)評價的適用性問題，進行不同尺度上的生態(tài)健康評價。為進一步解決評估生態(tài)系統(tǒng)時尺度轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)性評估弱的問題，構(gòu)建了小尺度潮間帶生態(tài)系統(tǒng)遙感綜合評估方法[22]。

1.5 其他方面的應(yīng)用

此外，遙感技術(shù)還有在其他方面的應(yīng)用研究。借助GRACE重力衛(wèi)星可反演得到研究區(qū)的水儲量，進而分析水儲量的時空動態(tài)變化及其影響因素；基于衛(wèi)星遙感技術(shù)，可開展河流河勢演變分析；評價高分遙感立體影像提取黃土丘陵區(qū)切溝參數(shù)的精度；基于高分辨率遙感影像，進行遠程崩滑災(zāi)害的判識與評估，研究城市“源”“匯”景觀格局與大氣霾污染的相關(guān)關(guān)系等。

2 結(jié) 論

a.遙感技術(shù)可提供面源而非點源信息, 且不受地域和時間的限制，可獲得常規(guī)手段無法測量到的水文參數(shù)和變量, 從而提供動態(tài)的、連續(xù)的和長期的大范圍數(shù)據(jù)資料，在水文學(xué)方面得到了廣泛的應(yīng)用。

b.遙感技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用進展主要體現(xiàn)在兩個方面：?方法上的創(chuàng)新，研究如何提高基于遙感數(shù)據(jù)的提取精度，如何提高水文變量的反演模型等，從而獲得準確的水文參數(shù)數(shù)據(jù)信息；?應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，基于遙感技術(shù)得到水文參數(shù)或變量，進而分析不同的水文現(xiàn)象和變化規(guī)律，可為水文預(yù)測、防洪抗旱、災(zāi)情預(yù)警、水環(huán)境保護等提供有力的支持。

c.由于遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)信息量大，也會出現(xiàn)一定的局限性，目前遙感在水文學(xué)中的應(yīng)用還受到傳感器、分辨率以及解譯精度等的影響。在進行相關(guān)應(yīng)用研究時，需要進行規(guī)范的、有目的的篩選整理，應(yīng)充分利用但不能盲目依賴遙感技術(shù)，可采用遙感技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測相結(jié)合的方式，取長補短，更好地為水文學(xué)的研究提供準確的數(shù)據(jù)保障。

d.隨著科技的發(fā)展，可針對水文學(xué)中的具體問題，發(fā)射遙感衛(wèi)星，進行更為專業(yè)化、精細化的模擬研究。各種遙感技術(shù)獲取的遙感數(shù)據(jù)集具有典型的大數(shù)據(jù)特征，隨著大數(shù)據(jù)的興起，運用大數(shù)據(jù)思維與手段，可從多種來源、多種分辨率、多種頻段、多種介質(zhì)的海量遙感數(shù)據(jù)中獲取更多有價值的水文信息，遙感大數(shù)據(jù)在水文學(xué)中的應(yīng)用將有很好的發(fā)展前景。