遥感技术在水文学中的应用与研究进展ΞWord下载.docx
《遥感技术在水文学中的应用与研究进展ΞWord下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《遥感技术在水文学中的应用与研究进展ΞWord下载.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
灾造成的经济损失和人员伤亡,在各种自然灾害中居第一位。
利用遥感手段在洪水发生过程
中,对洪水进行实时的动态监测可以为抗洪抢险提供宝贵的资料,从而将洪水的损失降低到最
低程度。
例如,对1981年三江平原大水、1984年合肥大水、1985年辽河大水等的监测都通过
[1~3]
气象卫星取得了很好的应用效果。
在1998年中国长江、松花江大洪水过程中,国家遥感
中心航空遥感一部、水利部遥感中心、中国科学院遥感应用研究所、国家测绘局、国家卫星气
象中心等单位分别采用各种手段对洪涝灾害进行了有效的监测与评估,为抗洪决策提供了坚实
[4]
的基础,大大降低了洪水所造成的损失。
X收稿日期:
2000208218;
修订日期:
2000209225
基金项目:
国家重点基础研究发展规划973项目G1999043601。
作者简介:
傅国斌1966-,男,山西临猗人,中国科学院地理科学与资源研究所副研究员,主要从
事水文水资源研究。
1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,LtdAllrightsreserved.548水科学进展第12卷
除了洪水发生过程的动态监测外,利用遥感资料和地形图等基本资料可以编制警戒水域遥
感数据库,提供洪水有可能淹没的范围,危险地段的范围及空间分布,洪水有可能造成的损失
等数据,从而为洪涝灾害的监测评估、恢复生产、重建家园等工作提供科学依据。
中国科学院
遥感应用研究所和水利部遥感技术应用中心已完成我国洪水易发的12个地区珠江三角洲地
区、洞庭湖、洪湖和荆江地区、武汉地区、鄱阳湖地区、太湖及长江三角洲地区、淮河中游地区、淮
河下游地区、黄河中游地区、黄河下游地区、海河中下游地区、辽河中下游地区、嫩江、松花江下游
地区的1:
10万警戒水域遥感数据库的研制,这对我国抗洪抢险工作的宏观指导具有积极的意
义。
112水域面积的识别
由于水体的反射特征同陆面、植物作物等其它类型的地物有明显区别,也就使得其在遥
感图象中较易判读。
在应用上一般有两种类型:
一是在一些无资料地区或人类难以到达的地
区,进行各种水体的详查工作,例如我国青藏高原湖泊和湿地的调查工作主要就是依靠遥感资
料来完成的。
近年来由于遥感资料越来越容易获得,分辨率越来越高,人们对遥感图象的释译
水平不断提高等原因,即使在人类很容易到达的地区,也多利用遥感技术,这不仅精度可以满
足要求,而且成本也较低;
二是利用不同时段的遥感资料,进行各种水域的动态规律研究。
如
[5]
许殿元等曾利用TM图像研究了黄河三角洲的动态演变。
113冰川/积雪水文
虽然冰雪水文遥感还存在着一些问题,但它已经被全世界的学者广泛应用,特别是在确定
冰川面积分布研究领域。
积雪场/冰川的分布范围和面积在水文学上具有重要意义,因为,它
[6]
们基本上决定着融雪融冰径流的幅度。
自从20世纪60年代随着气象卫星的可见光和远红外
探测器的出现,此领域的研究就逐渐开展起来Popham,1968。
1972年NOAA2AVHRR的出现,
加速了这一进程Rango,1986。
目前在北美洲,4000多个流域的冰雪分布图都已由NOAA2
AVHRR遥感资料绘制,这些图都是以周为时段的连续资料,其中10%的流域分布图被划分为
垂直带Caroll,1995。
挪威也是利用遥感资料进行冰雪研究较早的国家之一,在20世纪80年
代他们曾利用将象素转化为积雪的简单转化,用于水电枢纽工程的规划。
印度学者
Ramamoorthi1985,1987也曾利用遥感资料进行流域融雪径流预报。
积雪/冰川的分布范围
一般不能推求积雪/冰川量,而后者对融雪/冰径流更为重要。
积雪/冰等融水量的估算关健在
于微波波段的波谱特征。
加拿大气候中心的工作人员利用被动微波遥感资料引入微波亮度温度
研制了一种积雪/冰等融水量的定时预报模型,并应用到加拿大草原地区。
遥感技术在冰雪
水文中的应用,还包括对积雪/冰区温度、湿度、反射率、雪粒大小等的估算。
我国学者在冰
[7]
雪水文的遥感应用领域也做了大量的工作,如柯长青等分析了青藏高原积雪分布与变化特
[8][9]
征;
陈乾等曾利用AVHRR资料反演祁连山区积雪亏量;
曾群柱等则对黄河上游卫星雪盖
监测与融雪径流进行了较为详细的研究。
114降水
降水是陆地表面水文气象的重要因素,对区域水循环过程和水平衡都具有重要的意义,一
般采用雨量站的实际观测而得到。
但降水的空间分布对水文过程更为重要,这就要借助遥感资
料获得其空间特征,特别是在雨量站和雷达观测站点较稀的地区。
降水一般利用遥感资料的红
外IR和可见光VIS波段,但自1987年SSM/I发射之外,微波也成为获得陆地降水的有效手1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,LtdAllrightsreserved.第4期傅国斌、刘昌明:
遥感技术在水文学中的应用与研究进展549
段。
红外和可见光波段的优点是具有较高的空间分辨率,并具有时间上的大量样本,不足之处
在于云顶反射率和温度与地表降水速率的关系,并不是一种直接关系。
截至目前,大量的研究
表明,由VIS/IR生成的连续降水区域只有在大尺度上或长时间上平均状况才有意义,而且要
经过仔细的区域和季节调整。
微波技术由于能够穿透云端,而获得云层之下实际降雨微粒的特
征,而被广泛采用,虽然与VIS、IR相比,微波更加侧重于地面的自然特征,但它还是无法直
接确定地面的降水速率,而只能通过垂直梯度的水分差异而间接获得,但有时两者之间的相关
性又是很差的。
依据其采用的资料源,将利用遥感资料进行降水量计算的公式与算法,大致分
[10]
为三大类:
一是利用VIS/IR资料;
二是利用微波资料;
三是两者结合。
利用VIS/IR遥感资料的算法基本上都依据这样一个基本假定,即降水与浓云,特别是冷
云层顶部有关,而VIS/IR所获得的就是云层顶部的红外图象。
可见光部分云的反射率常常用
来区分薄的无降水的云团和厚的可能降水的云团。
但是,可见光影象只能应用到太阳高于地平
面的时段,而红外影象则不受一天内时间变化的影响,因而更为广大学者所采用。
由于降水仅
占空间云区的一小部分,因而VIS/IR一般都过大地估计降水的空间范围。
为了克服这一缺陷,
一般的经验公式都有意地缩小降水速率。
目前比较著名的经验公式有:
GPITheGoes
PrecipitationIndex,Arkin和Meisner,1987;
Arkin等1994是在热带和亚热带地区利用红外影象最
为简单和最为流行的方法;
NAWTNegri2Adler2WetzelTechnique,Negri,1984是由Griffith2Woodley
Griffith,1978方法,不考虑时间历史关系而发展的一种红外技术;
CSTTheConvective-Stratiform
Technique,Adler和Negri,1998试图将对流体与红外亮度温度场的极小值位置相联系;
RAMSAT
是一种集成的分类算法,它是利用VIS/IR影象相结合来确立降雨面积的方法Lovejoy和Austin,
[11]
1979;
Bellon等,1980;
Hogg,1990;
King,1989。
陈乾等利用GMS卫星的红外和可见光资料,
及与之相匹配的数字化地形模型来反演复杂地形下的降水率。
微波辐射的降雨释译则主要在于分析顶层雨滴尺度冰粒的分散特征。
如果这些冰粒存在,
通常存在于较厚的雨云。
由于云的较强热辐射,那么观察到的微波辐射强度相对于“暖”的地
面背景就应该大大降低。
有各种各样的算法来区分时空分布上这种遥感信号同地面背景的特
征,继而将微波辐射信号转化为降水速率,以下是几种具有代表性的算法:
SRLThe
SatelliteResearchLaboratory是NOAA-NESDIS的SRL实验室建立的在无降水条件下,利用SSM/I
低频波段来预测垂直方向8515GHZ偏振的亮度温度的经验公式Grody1991;
Ferraro等1994。
利用观测到的亮度温度和预测的亮度温度之间的关系引入离散指数ScatteringIndex来推求降
水强度Ferraro和Marks,1995;
GSCATTheGoddardScatteringalgorithm算法首先由Adler在1993
年提出来,随后又进行了改进,在此算法中,经验逻辑树被应用到多波段信息中去,来确定在
象素中降雨是否初始存在;
Bristol算法由Kidd和Barrett1990对PCTPolarizoaion-corrected
temperature,spencer等,1989算法改进而来的,以SSM/I8515GHZ波段为基础,对陆地和水体表
面降水估计的一种算法;
HPRHydrometeorprofileretrievalalgorithms是一种对水文大气如雨水、
软雹、雪、云水等纵断面不断进行修正,直到模型计算多波谱亮度温度同观测到的相一致,然
后利用最低层雨水的浓度来获得地表降雨率的方法。
这种方法最大的优点是具有一定物理意
义,而非纯粹的统计模型,典型的例子可参见文献[12~15]。
IR算法一般都没有物理基础,而SSM/I算法虽有物理基础,但样本稀缺,因而一种试图
将两者结合,利用IR图象的时空连续性和微波技术对降水的直接探测的方法就应运而生。
最1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,LtdAllrightsreserved.550水科学进展第12卷
普遍的算法就是假定每天1~2次的SSM/I的降水速率有足够的精度来对基于IR方法的关系进
行验证Adler1994,Xie和Arkin1996。
总之,目前利用遥感资料来估算降水量还处在一种不断完善的阶段,在时相和区域上还存
在着许多未解决的问题。
利用VIS/IR资料在最为理想的条件下:
即空间尺度为2°
~5°
的气候
尺度,时间尺度为周或月,在热带和亚热带地区中纬度的暖季,对流降水估算的相关性可达
018以上;
而微波技术对015°
~1°
范围内的连续降雨的估算相关性,可达017以上。
2遥感技术在水文学中的间接应用
211区域蒸发
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
R+G+H+LE01
n
式中R为净辐射;
G为土壤热通量;
H为显热通量;
LE为潜热通量。
R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
[16]
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:
4
αεεδ
R1-R+1-Rld-Tsh2
nsss
σε
式中R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;
为地表反
ss
δεδ
射率;
是斯蒂芬-波尔滋曼常数;
Tsh为半球辐射温度Norman和Becker,1975。
Tsh为向
s
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。
α
R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
净长波辐射通量亦可从遥感资料获得,如NOAA卫星TOVSTirosOperationalVerticalSounder
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R的误差累积问题,这就导致了一些学者试图利用大
[21]
气层顶部的R来推求地表的RPinker和Tarpley,1988,但Harshvardhan等的研究表明两
nn
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。
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/R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
[16][16]
值。
Choudhury等1987的研究表明,在裸露土壤条件下,G/R为014;
而完全被植被
覆盖时,G/R仅为0105。
虽然目前的观测都表明VI和G/R之间是线性关系,但从理论上分
nn1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,LtdAllrightsreserved.第4期傅国斌、刘昌明:
遥感技术在水文学中的应用与研究进展551
析,它们之间应该是非线性关系Clothiert等,1986;
Kustas等,1993。
在获得R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Jackson1977:
Rn,d+LEdA+BTrad,i-Ta,I3
式中下标I和d分别表示连续和日,Ta为近地表如2m空气温度,A和B为回归常数。
Seguin和Itier1983则将上式改写为指数形式,即:
Rn,d+LEdBTrad,i-Ta,i4
式中B取决于地表粗糙度,而n则取决于是否稳定。
2有物理基础的分析模型Price1980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。
另一类模型是显热通量H由下式求得后,利用能量平衡方程获得LE。
ρ
cT-T
paeroa
H5
r
H
ρ
式中是空气密度;
c是空气比热;
r是热传输阻力;
T是表面空气动力学温度;
T是
pHaeroa
空气温度。
由于T不能用遥感资料求得,故一般由Trad代替,对于均一、冠层完全覆盖的
aero
植被,两者之差一般小于2℃Choudhury等,1986;
Huband和Monteith,1986。
但对于部分植
被覆盖,两者之差可高达10℃Kustas,1990。
这就导致许多学者利用经验公式通过无向量
的热糙度来修正rKustas等,1989;
Sugita和Brutsaert,1990;
Kohsiek等,1993,或引入额外阻力
Stewart等,1994。
另一类方法是利用微波和辐射传输模型来进行物理模拟,从而将Trad和Taero之间的关系
作为地表条件如,植被覆盖、叶面子指数、地表土壤湿度、太阳天顶和高度角等的函数Prevot
等,1994。
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Comillo等,1983;
Carlson等,1981;
Soer等,1980;
Taconet等,1986。
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
Sellers等,1992;
Crosson等,1993。
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1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,LtdAllrightsreserved.552水科学进展第12卷
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,例如,
Brunet等1991曾利用大气边界层模型AtmosphericBoundarylayer,ABL估算区域尺度能量通
量,其中土壤-植被-大气界面的能量传输是利用Penman-Montieth公式进行参数化的。
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,因为许多研究表
明,NDVI和Trad有着极好的相关性Goward等,1985;
Hope和McDowell,1992;
Nemani和
Running,1989;
Nemani等,1993。
Hope等1986还从理论上阐述了如何利用VI和Trad之间的
关系得到冠层阻力;
Price1990则利用NDVI/Trad关系来推求裸露土壤和植被的温度,并利用
土壤水分空间分布资料,计算全部覆盖下、干湿土壤中的蒸散量;
Carlson等1990,1994则在
Price1990的基础上,将ABL和SVAT模型相结合,来推算土壤水分、植被覆盖状况和地面通
量。
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
[17~19]
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。
212土壤水分
[20]
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
升级会员 