遥感和地理信息系统与水文学整合研究进展_毕华兴.

第16卷第2期2002年6月
水土保持学报
Journa l of Soil a nd Wa ter Co nserv a tion
V ol.16N o.2
Jun.,2002
遥感和地理信息系统与水文学整合研究进展
毕华兴1,中北理2
(1.北京林业大学,北京100083; 2.森林综合研究所,日本筑波市305-8687
摘要:近20年来,遥感和地理信息系统在水文学中的应用有了长足的发展,特别是近几年来,遥感和地理信息系
统与水文模型的整合研究从技术上变得切实可行,从而为水文学的研究开创了新的研究领域。

从遥感和地理信息
系统与水文学整合研究的起源、遥感和地理信息系统在水文学中的应用,及其三者的整合研究现状进行了综述。

可以看出:面对水文模型的全球化、分布化及复杂化发展趋势,遥感、地理信息系统与水文学的整合,不仅可加速
水文学的发展,同时对水资源管理也必将发挥重要的作用。

关键词:遥感;地理信息系统;水文学;模型;水资源管理;整合
中图分类号:T P79;P33文献标识码:A文章编号:1009-2242(200202-0045-05
Review on integrating of RS and GIS with hydrology
BI Hua-xing1,Nakakita Osamu2
(1.Beijing Forestry University,Beijing100083;2.Forestry and Forest Products Research Institute,T sukuba,305-8687,J apan Abstract:Ov er the last two decades,the g reat prog resses hav e been made in the applicatio n of RS and GIS in hy-
drology.Especially,from sev eral yea rs ag o,an integ ration of RS and GIS with hy drological models had becom e technically feasible,so the studies on hydrology cam e into a new era.This paper re v iew s on the roo ts of hydrolog-ical GIS,the applicatio n of RS and GIS in hydrology and review o n the integ ration of RS and GIS with hydrolo-gy.It can be concluded that:In the future,hydrological m odeling will be more g lobal,m ore distributed,and m ore sophisticated.In this situation,the integ ration of RS and GIS w ith hydrolog y w ill not only speed up the re-search o n hydrological but also play a g rea t role in w ater resources manag ement.
Key words:RS;GIS;hy drolog y;model;w ater resources manag ement; integ ration
近20年来,由于计算机科学的发展使得遥感(Remo te Sensing,简称RS和地理信息系统(Geog raphic Infor-mation System,简称GIS在水文学(Hydrology中的应用有了长足的发展。

遥感是指通过某种传感器装置,在不与被研究对象直接接触的情况下,获取其特征信息,并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学和技术。

由于遥感具有用地磁波谱来测定景观特征的能力,所以,在一些情况下,它可以测定水文变量。

大多数水文学者对用可见光谱来摄影的航片都非常熟悉。

然而,现代遥感则聚焦在卫星系统和对卫星数据的分析上。

近年来,遥感技术已经大大超出了传统的观点,目前几乎包括了所有的波段。

不同的传感器能够反映地表或近地表的独一无二的特征信息。

比如要测定太阳辐射的反射率,反映在星体反照率上,热传感器测量地表温度,而微波传感器则测量非传导性的特征,如湿度、土壤表面信息。

遥感的不断发展使
得水文学者能够在众多领域应用此技术。

也正是由于遥感具有巨大的对地观测能力(传统的实地水文观测仅是对流域或区域的有限几个点进行观测,这就使得用传统方法所不能观测的水文变量借助遥感技术变为可能(Edwin T.Engman,1995。

水文学通常需要水文气象、地形、土地利用、土壤、河流等各种各样的数据,对这些数据进行分析和处理是一件非常麻烦的工作,急需有一个好的空间数据分析及处理的工具。

也正是由于地理信息系统是一种采集、处理、传输、存储、管理、查询检索、分析、表达和应用地理信息的计算机系统,能够分析、处理大量地理数据,所以,人们很自然地将地理信息系统与水文进行结合,并得到了迅速发展。

目前,地理信息系统在水文学中的应用非常广泛,特别是在水文模型和水资源管理方面。

面对水文模型向全球化、分布化以及复杂化的发展趋势,同时也正是由于RS、GIS以及水文学各自的特点、功能和发展需求,近年来,在应用水文
收稿日期:2002-01-06
基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:39930130、日本科学技术厅(S TA 特别研究员资助项目(编号:100037
作者简介:毕华兴,男,生于1969年,副教授,博士,日本科学技术厅特别研究员。

主要从事水文学、遥感和地理信息系统、林业生态工程等方面的研究工作,发表学术论文20多篇。

学和工程水文学中把遥感数据作为有效的数据源,将地理信息系统作为有效的数据处理工具,并将三者进行整合研究,有了一定的进展,并随着遥感、GIS 、计算机图形、人工智能的不断发展而发展。

1GIS 与水文学整合研究“根源”
1995年Pett 对“现代”地理方法在河川水文学中的应用研究进行了高度的概括和总结,他认为GIS 与水文学整合有4个关键性的阶段。

首先是Strahler 在1952年提出的用力学原理和流体力学原理来解决河流地貌问题,其中两者均包含空间分布参数。

其次是Leopold 和Miller (1952、Schumn (1968等人的研究成果,即河网系统
特征是一个流域水文状态的长期结果。

同时,Schumn 还提出了河网变动的阈值概念,其中河网变动与河网空间特征密切相关。

第三阶段是Schumn 和Lich ty (1965在当时公认的“在空间和时间尺度变化的情况下原因—结果关系可以改变或完全相反”的观点下进一步将其发展,所提出的观点正好拟合了Wolman 和Miller 在1960年提出的地貌过程中的频率和大数问题。

最后一个有代表性的层次是将系统理论应用于地貌学研究中(Chorley,1962;Chorley 和Kennedy ,1971。

图1地理信息系统在水文学中应用的概念结构图
尽管最近就非线性系统、尺度以
及空间/时间滞后等问题的研究有了
很大的发展,但是,Pett 所提出的这4个
组成层次的观点创立了有可能用GIS
手段来解决水文、流域以及河网系统
相互作用问题的基础。

后来,水文学与
流域及河流输出的关系更加强了基于
分布式、物理式模型的研究,Brow n
(1995认为这些模型是GIS 在水文学中应用的核心。

GIS 在水文学科的众多应用领域中,水文模型研究是其关键。

Clark M J (1998将地理信息系统在水文学中应
用的概念结构表示为如图1所示。

2遥感和地理信息系统在水文学中的应用
遥感和地理信息系统在水文学中的应用范围非常广泛。

但是,目前主要集中在水循环和能量循环中相关的不同水文变量和过程的测定以及水文模型研究方面。

2.1基于遥感技术的水文变量和过程测定
2.1.1降雨面对用常规方法无法测定大范围或人类根本无法接近地域的空间平均降雨量这一实际问题,水文学者试图用遥感技术来测定降雨量,特别是那些地表没有观测设施以及偏远地区。

这里要指出的是:由于云层的阻挡,可见光、近红外和热红外传感器不能直接观测降雨量,所以,直接用卫星来测定降雨量还不是切实可行的。

然而,将卫星技术与传统的地面测量方法有机结合来测定降雨则是非常有效的。

卫星数据着重于潜在降雨云空间分布特征,而地面实测则是强调点雨量的准确性。

目前,应用遥感数据来估测降雨量的主要方法有:(1云层指数法:应用可见光和热红外数据来对云的类型或温度与降雨量的关系建立经验方程,对降雨云进行分类,从云的数量和持续时间或云的面积来测定降雨量。

Papadaakis 等(1993从卫星图像的云层覆盖指数来估测月平均降雨量。

(2阈值法(极限法:以温度极限和云层亮度为基础来解析潜在降雨云。

该方法认为所有的云在顶层温度低到一定程度时将变为降雨云。

(3生命-历史法(Griffith,1987;Scofield,1987;Shih,1990:该方法建立在非常明显的降雨主要来自对流云这一前提上。

在遥感图像中,能够区分对流云和其它类型的云(Barrett 和M artin,1981。

这一方法在时间上具有非独立性,而且考虑了个别对流云和集团对流云的变化速率。

Shih (1989,1990用GO ES 可见光和热红外数据来估测降雨量。

(4形状分类法(Weiss 和Smith,1987:应用形状统计-分类技术,根据云顶层最低温度以及两个连续图像云顶层平均温度差来确定降雨量隶属那一等级。

(5综合方法(Cheng 和Shih ,1992:将一个小范围、高精度的传感器和一个大范围、低精度的传感器建立相关关系,然后,用大面积、低精度的传感器测定研究地区(小范围传感器无法覆盖的地区区域平均降雨。

同时,用地面测量信息与卫星可见光和热红外数据结合来估测空间降雨分布。

(6微波辐射法(Spencer 等,1988:由于在一些微波频率范围内,云是透明的,而且微波辐射与雨滴大小直接相关,所以,被动微波技术在测量降雨量方面有巨大潜力。

微波辐射法或被动微波技术测量降雨大致有以下两种方法:一是通过散发/吸收,二是通过散射。

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2.1.2土壤水分现代遥感技术可以被用来测定土壤水分。

但目前用遥感技术测定的土壤水分数据还不能广泛地应用于水文学,主要是因为目前缺少数据系列和最佳的卫星系统。

大多数情况下,科学家只是被限制在从短期航空摄影中获得数据,或者是对SM M R 和SSM /I 无源微波卫星进行分析。

尽管现有的无源微波系统对土壤水分监测的最优波长还确定不了,但研究表明在植被稀少的地区可以用此方法得到很有价值的土壤水分值(Ow e 等,1988。

由于SSM R 无源微波卫星系统具有C 波段辐射计(土壤水分监测的优良设备,所以,在对土壤水分监测方面,用SSM R 要比用SSM /I 观测的数据好得多(Choudhury 和Goulus ,1988;Ow e 等,1992,不足的是,其纪录仅限于从1982~1987年。

为了提高其观测精度,可以在无源微波卫星系统中使用电子操纵稀疏布阵辐射仪(EST AR的光圈合成器。

机载EST AR 曾在美国亚利桑那州的Walnut Gulch 流域中示范过(J ack-on 等,1993。

最近几年,SAR 系统的开发大大促进了应用遥感技术测定土壤水分的技术和方法。

如目前正在运行的欧洲遥感(ERS-1C 波段、日本地球资源卫星(JERS-1L 波段SARs 以及加拿大的RADASAT(C 波段等。

尽管人们都认为具有L 波段的卫星系统对反应土壤水分来讲是最好的,但是,ERS -1的结果也表明该卫星在土壤水分监测方面也具有这种能力。

用变换探查技术来探查土壤水分已经在Alaska 的一个流域中应用过(Vil-lasenor 等,1993。

微波技术能够在各种各样的地形和植被覆盖条件下数量化表示土壤水分含量(Engman,1990;被动微波技术所测定的小流域土壤水分数据和地面实测数据吻合很好,可以用来进行模型标定(Wood 等,1993。

2.1.3蒸发散遥感技术不能直接用来测量蒸发或蒸发散(E T ,但遥感数据提供了扩展以往所建立的、以植被图或气候因子(如温度和太阳辐射为基础的估测蒸发散量的经验方程式。

如:1981年Gervins 和Shih 应用M SS 数据进行佛罗里达州Okeechobee 湖沿海植被图的制作,通过对从卫星数据所得到的植被区域表面进行调整,可较好地计算ET 。

而且,应用APT 热红外数据来测定水体表面温度,进而估测湖
泊蒸发量(Xin 和Shih,1991。

通过对遥感测量的温度数据进行分析来估算区域规模的E T 也有大量的研究(Soer,1980;Price,1982;Gurney 等,1984;Sucksdroff
等,1990;Sandholt 等,1993。

很多E T 模型中的重要参数,如太阳辐射、表面反照率、植被条件、表面温度可从Landsat ,SPOT ,NO AA -AV HRR 以及ERS -1卫星图像中获取。

2.1.4水质遥感在水质评价和管理中具有很重要的作用,主要表现在:(a 测定水质:遥感大多数之局限应用于测定水体表面混浊度、悬浮物质、叶绿素、富营养化以及温度等污染指标中(Shih 和Engm an,1992。

(b侵蚀与非点源污染:非点源污染和土地利用/土地覆盖密切相关。

所以,了解土壤和地形等信息可以把握径流的水质情况。

许多学者用卫星数据作为非点源污染模型中的土地覆盖输入
(Schecter ,1976;Ragan 和Rogers ,1978。

(c湿地评价:Still 和Shih(1991用M SS 数据对佛罗里达州Econ 流域进行湿地划分。

研究结果表明:M SS-4和M SS-5可非常有效地划分该流域的湿地范围。

湿地管理的其它方面包括挖泥范围、废弃的泻湖、排水、水深控制以及其它与人为因素相关的变化对自然环境的影响(Engman 等,1991,而遥感非常适合于监测这些变化以及其对环境的影响做出初步估计。

2.1.5径流尽管遥感技术不能直接测量径流,但可提供大量输入数据,以协助人们估测径流方程的系数和模型参数。

遥感技术所提供的大量数据主要应用于3个方面:(1对获得流域几何特征、水文网系统和其它图形方式的信息非常有用;(2对经验洪峰、年径流量等提供信息;(3对建立在以土地利用组成为基础的径流模型,通过对多光谱数据图像的解译,确定土地利用,进而对径流模型提供大量输入信息。

就世界大多数地区而言,遥感数据,特别是TM 数据和SPOT 数据是主要的信息源。

即使是非常偏远地区,所研究的集水区面积和水文网都可以很容易地从质量较好的图像信息中获取。

地形特征是任何水文分析及模型研究的最基本要求。

遥感能够提供的具有一定精度的数量化信息对水文模型中的输入因子是非常有价值的。

比如,用立体SPO T 影像在理想状况下可以得到水平精度为10m 、垂直精度为5m 的数字高程模型(DEM (Case,1989;用干涉仪器测量的SAR 可以形成水平精度相近,而
垂直精度为2m 的数字高程模型(Zebker 等,1992;用INOKOS 卫星图像可以得到精度为1m 的数字高程模型。

J ackson 等(1976通过陆地卫星信息测定城镇和农村的土地利用,进而估算径流系数;用微波传感器可以在任何天气情况下获得洪水分布图;被动微波测量数据也可以用来改进小流域水量平衡研究(Lin 等,1994;Koblinsky 等(1993就怎样才能使卫星测高法应用于测量河流水位以估测洪水量或进行洪水监测进行过研究。

2.2基于地理信息系统技术的水文模型研究Zhang (1990和Schultz(1993曾对GIS 和水文模型进行了综述;DeVantier 和Feldman(1993将GIS 在水47
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文模型,特别是降雨-径流模型、洪水管理和预测、侵蚀预测与控制、水质预测与控制等中的应用进行了综述;Wallis (1988就GIS /水文界面及其发展趋势进行了总结。

整体来看,随着高精度数字高程模型(DEM s 的不断普及与发展,目前,地理信息系统在水文学中应用主要是在地形图的基础上确定流路和径流贡献面积以及与水文模型的耦合,这里的关键是地形精度。

模型研究在一定程度上验证了传统地理学所谓水文、流域以及河流系统在时间和空间尺度上相互作用、互为因果的论点。

尽管水文模型要素研究早于地理信息系统100多年(Maidm ent ,1993,但是,最近20年这两者紧密地结合在一起。

在1993年和1996年的水文地理信息系统学术会议上发表的整个152篇学术论文中,有近60%的论文涉及到应用地理信息系统进行模型方面的研究(Kov ar 和
Nachtnebel,1993,1996,包括模型模拟和预测等诸多方面。

Chow 等(1988在随机(确定/随机、空间变化(分布型/集中型、空间独立/空间非独立以及时间变化(连续流/不连续流、时间独立/时间相关的基础上提出了模型分类学,进而使人们对水文模型的空间维变化有了足够的重视。

Goodchild(1993就地理信息系统在处理环境模型的空间维方面的潜在作用进行了中肯的总结,其结果如下:(1数据预处理功能使得数据更适合于分析,比如比例、坐标系、数据结构和数据模型等;
(2直接支持模型,这就使得分析、标定和预测等可以通过地理信息系统本身来完成;(3通过格式转化、报表、图形或文字报告等方式的数据后处理,可使结果更加直观明了。

上述3个功能代表了地理信息系统在模型中应用的普遍功能。

后来,Goodchild 等人将地理信息系统在各种各样的模型实际过程中的核心作用简化,提出了一种更为简便的结构,即模拟和预测由非地理信息系统水文模型来完成。

实际上,这种模型是和地理信息数据的输入或输出具有松散(数据通过协议来转换完成或紧密(地理信息系统和模型具有相同的数据结构,同时两者面对的是相同的数据库并进行相互访问的联系。

这种数据之间的联系在地理信息系统的其它应用领域也相同,包括资产评估。

1993年,Maidment 对这种地理信息系统与模型联系的优点总结如下:(1通过水文评价来表征不足(通过对显著影响因子的权重和综合影响得出,而不是通过物理规则;(2水文参数的确定。

这里,地理信息系统根据模型参数提供数据源(输入,如地面坡度、沟谷长度、土地利用以及土壤特征等;(3地理信息系统中的水文模型。

地理信息系统和水文模型的结合是将地理信息系统作为输入或显示装置,同时,如果有必要的观测资料(指遥感数据,可以包括实时过程监测。

目前,地理信息系统与水文模型数据类型的不同仍然是最主要的问题。

图2遥感与地理信息系统和水文学整合研究框架
48水土保持学报第16卷
2.3遥感和地理信息系统与水文学的整合研究
大约从1992年开始,遥感、地理信息系统和水文模型的整合研究才在技术上变得切实可行(Baumgarner 等,1997。

对于遥感与地理信息系统和水文模型的整合研究来讲,确实是刚刚起步,还有很大的不足(Shih,1996。

好在1998年,ESRI 和ERDAS 同时授权,将其作为ArcView 地理信息系统的图像分析工具,使得Ar-cView 与遥感和地理信息系统的一些基本功能直接连接。

地理信息系统与遥感技术相互补充,使得他们与水文学的结合,特别是使得水文模型更具有物理基础和更加有效。

地理信息系统对分布型水文模型提供了新的开发
环境,这些模型将研究流域中任何一点都作为考虑对象并加以预测(Mitas 和Maidment,1998。

Zhang(1997开发出了地理信息系统支持下的随机空间时间降雨模型与分布型水文模拟的整合研究框架。

最近,H ellw eger 和Maidment (1999在ARC /IN FO 和ArcView 中开发了一个自动工具来定义和连接水文单元,然后将他们与HEC-HM C 连接用于集合型水文模型。

总体来看,遥感和地理信息系统与水文学整合研究框架如图2所示。

3结果与讨论
(1遥感、地理信息系统在水文学的应用中有着很长的历史根源,分别在水文学中得到了广泛的应用,取得了大量研究成果。

但是,三者的整合研究还刚刚起步,有待于进一步深入研究。

(2遥感技术给水文模型提供了大量与时间、空间信息相关的不同水文数据或变量,使水文模型的信息源更具有广域性、及时性和准确性;地理信息系统的不断发展使得其在水文模型的应用研究中更加有效,同时,由于地理信息系统在数据组织、操作以及可视化不同尺度多渠道空间数据的巨大作用,使其可用来检索或显示多维数据,进而来支持工程设计和资源管理。

(3现代遥感和地理信息系统与传统水文学的整合研究,必将给水文学注入新的活力,同时将对流域或区域乃至全球水资源管理发挥巨大作用,也使全球水资源高效管理成为可能。

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另外,从图5中我们还可以看出,随着坡面径流流量的增大径流能耗相应增大,径流侵蚀产沙率也随着增大。

在流量相同而坡度不同的情况下,坡面径流侵蚀产沙率随着坡度的增大而明显增加;在坡度相同而流量不同的情况下,坡面径流侵蚀产沙率随着流量的增大也明显增加。

由此可见,径流冲刷量的大小并不是唯一决定径流冲刷量多少的因素,它不仅径流能耗、土粒间的粘结力以及土粒的受力状态均有关系,而且与其作用方式、单位时间消耗的能量、流量、坡度等因素也有关系。

3结论
(1从研究结果可以看出,径流在坡面上沿程的流速分布并非呈直线关系增大或减小,而是表现出一定的波动性,坡面薄层水流呈滚坡流形式运动,且滚波沿程叠加,其叠加作用与坡面水深、流量、坡度等有关。

(2坡面径流侵蚀产沙率与坡面径流能耗之间存在良好的直线关系:Dr
=18.26(ΔE -8.38。

可以用此式进行坡面侵蚀率的估算,并直接推求土壤抗蚀性参数和细沟发生临界动力参数。

本试验黄土的抗蚀性参数为18.26g /(J m 2,细沟侵蚀发生的临界能量为8.38J 。

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