遥感技术及其在水利领域应用

遥感技术及其在水利领域应用:现状与展望

潘世兵李纪人张建立辛景峰徐美

中国水利水电科学研究院遥感技术应用中心，北京，100044

摘要：本文讨论了遥感技术在我国水利工程领域的应用现状，包括洪涝灾害和旱情监测与评估、水资源动态监测、生态环境监测、水土流失监测与评价以及水利工程建设与管理等方面，提出了今后开发研究的关键技术和发展方向。

关键词：遥感，水利工程，应用，展望

1 引言

遥感就是遥远感知事物的意思，也就是不直接接触目标物和现象，在距离使用光学或电子光学仪器接受地面物体反射或发射的电磁波信号，并以图像胶片或数据磁带形式记录下来，传送到地面，经过信息处理、判读分析和野外实地验证，最终服务于资源勘探、环境动态监测和有关部门的规划决策。通常把这一接收、传输、处理、分析判读和应用遥感信息的全过程称为遥感技术，一般划分为航天遥感、航空遥感和地面遥感。遥感技术是本世纪60年代蓬勃发展起来的，随着现代物理学、空间技术、电子技术、计算机技术和信息科学等的发展，遥感技术已成为一种影像遥感和数字遥感相结合的先进、实用的综合性探测手段，被广泛应用于测绘、农业、林业、地质、水利、气象、海洋和环境保护等各个领域。

信息技术和传感器技术的飞速发展带来了遥感数据源的极大丰富，每天都有数量庞大的不同分辨率的遥感信息，从各种传感器上接收下来（图1）。这些高分辨率、高光谱的遥感数据为遥感定量化、动态化、网络化、实用化和产业化及利用遥感数据进行地物特征的提取，提供了丰富的数据源。本文主要讨论遥感技术在防汛抗旱、水资源评价管理和生态环境监测、水土流失监测与评价以及水利工程建设与管理等方面，提出了今后开发研究的关键技术。

作者简介：潘世兵，1965年出生，水文水资源专业，博士，高级工程师，从事“3S”技术在水利领域应用研究，出版专著1部，公开发表学术论文20余篇。

基金项目：水利部“水利科技发展战略研究课题”（2003-2004）支持。

2 RS技术在水利领域应用现状

遥感技术已广泛运用于水旱灾害监测与评估、水资源动态监测和评价、生态环境监测、水土流失监测与评价以及水利工程建设与管理等水利业务，并取得显著的社会经济效益。

2.1 遥感技术在防洪抗旱领域中的应用

遥感技术在洪涝灾害中的应用比较成熟，在世界各国得到广泛应用。但因中长期天气预报等世界尖端难题未得到解决，因此预测工作较弱。其应用主要集中在快速反应、紧急救灾和灾后重建方面。例如，早在1983年我国水利部就利用多频段扫描仪系统（MSS）数据监测了三江平原挠力河的洪水。之后，水利部、中科院、气象局和民政部等有关单位进行了大量类似的研究工作，并在实践中取得一定成效。又例如，“九五”期间，中科院等单位完成了洪涝灾情遥感速报系统，该系统有两种运行模式：第一种运行模式为灾区的宏观监测评估，主要是利用NOAA气象卫星的数据，每天两次对全国洪涝灾害易发区内的灾情分布状况、淹没范围、持续时间以及影响程度等进行宏观监测评估，并给出灾情图像、简报以及淹没损失数量的统计报表等。第二种运行模式为灾区的重点监测评估,它是用雷达卫星和机载合成孔径雷达（SAR）图像数据、主题测绘仪（TM）数据、SPOT数据和其他来源的高分辨率数据，结合地理信息系统技术对灾情严重地区，进行多层次的监测和详细评估，并给出相应的灾情图像、详细评估报告和以县为单位的灾情损失的分区分类数据表格，同时提出灾后重建家园的决策建议。

1998年长江流域发生建国以来仅次于1954的全流域特大洪水，东北的嫩江、松花江也同时发生超过和达到百年一遇的特大洪水。国家遥感中心各部通力合作，开展了大量的洪涝灾害监测评估工作。中国科学院遥感应用研究所、水利部遥感技术应用中心、国家卫星气象中心、中国科学院遥感卫星地面站和国家测绘局等单位采用加拿大、日本、美国等国以及欧洲空间局的遥感卫星数据，气象卫星数据，国家攻关计划“机—星—地”系统，国家“863”计划机载雷达系统，国家测绘局的航测遥感系统进行了几十次动态监测，总覆盖面积达800平方公里。各类遥感图像、受灾地区的受淹范围和土地利用专题图以及灾情分析报告等被迅速和及时地送到国家防汛抗旱总指挥部办公室和通过国家遥感中心送到国务院办公室以及江西省、哈尔滨市和大庆市等各地的防汛部门，为防洪减灾和救灾做出了贡献，也为灾后重建和防洪规划提供了科学依据。图2为2004年7月份运用Radarsat监测得到的广西桂平—梧州洪涝灾害分布图。

“九五”国家重中之重“3S技术综合应用”项目课题之一，“重大自然灾害监测评估业务运行系统的建立”由水利部遥感技术应用中心承担，2001年通过国家科技部的验收。课题涉及最主要的灾种就是洪涝灾害。洪涝灾害监测评估业务系统涉及面很广，包括多种星载和机载遥感器，也涉及到多个执行单位。在执行过程中情况多变，需要系统本身有多种预案和具有迅速做出应急决策的功能，才能在最短的时段内保质保量地按既定技术要求完成。为此，制定的指挥调度辅助决策支持系统包括：工作与技术流程、指挥调度系统、卫星轨道查询系统、实时水情查询系统、资料快速检索系统和质量控制标准与检验规程等。该系统的研究目标是为使“重大自然灾害监测与评估业务运行系统”在洪涝灾害监测与评估的过程中，决策指挥调度、监测与评估的技术流程、数据管理、以及产品、成果的编制、输出和传输等，都有一套严格的技术规程和标准可遵循，使决策、指挥、管理和运行做到科学化和规范化。

由中国科学院遥感应用研究所、水利部遥感技术应用中心、国家气象中心等单位共同完成了国家“九五”科技减灾项目“全国主要流域重点地区警戒水域遥感数据库的建立”，范围涉及长江、黄河、珠江、淮河、海河、松花江、嫩江和辽河等七大水系中下游地区。通过把江河流域的遥感图像与数据库中的水域图像进行重叠，来对比分析出目前江河流域的水文状况，超过警戒水域的面积也可以通过数据库及时地算出来。开发的数据库经过两年的试运行，实现了信息资源共享，并在洪涝灾害遥感监测工作中发挥了显著效益。

实践证明，卫星遥感在减轻洪涝灾害损失方面是可以发挥重大作用的，特别是在降水遥感监测、洪水灾情监测与评估、紧急救灾和灾后重建，以及区域旱情监测与评估等方面，卫星提供的灾情信息比其他常规手段有着更快速、客观和全面等优越性（表1）。

表1 遥感技术监测洪水灾害适宜性分析

ERS-1/2

航空

JERS-1RadarSat

SPOT

数据源 NOAA

MODIS

TM

观测周期, d 0.5 2-3 16 26 44 3-4 准实时

空间分别率, m 1100 250-1000 30 20 30 18 10-100

成像宽度, km 2700 185 92

全天候能力××××√√√√√√√√

淹没范围√√√√√√√√√√√√√√

淹没水深××√√√√√√

淹没历时√√××××√×

淹没区本底×√√√√√√√√

工情监测×××××××√

灾情评估×√√√√√√√注：√√特别适合，√一般适合，×不适合