水文与水管理中的遥感技术

前 言

一些咨询工程师曾经告诉本书的作者："如果你了解遥感，你就可以在不存在数据，甚至是在不具备地面测量条件的地方获得水文数据。因此，在发展中国家就能够根据需要的容量设计出一个饮用水供水水库。"另一方面，作者被告知："由于不可能通过遥感数据估计地面水资源和地表径流，因此遥感并不是十分有用的。"本书的主要目的是给读者提供一些关于遥感在水文和水管理领域的潜能和局限性的正确信息，来纠正这类未被证明正确性的猜想，以及言过其实的批评。

本书可以用作参考书籍或教科书，而非会议论文的汇总。本书旨在提供一些方法，帮助读者解决在水文和水管理中遇到的问题。因此，所提出的科学问题只是遥感应用中所必需的。读者将会在一些领域中看到(如蒸散发量、工壤含水量和水文模型等)。尽管已经可以使用一些可操作技术(如融雪径流模型、工地利用分类、土地利用变化检测、洪水预报与控制)，但这些科学问题仍旧处于发展阶段。此外，读者将会通过本书认识到，在许多情况下，遥感数据仅仅是其它数据的辅助信息，例如：数字地图、数字高程模型、现代液体比重计数据等。在大多数情况下，遥感不能替代传统数据，但是可以扩大传统数据。

在水文和水管理中遥感的应用不仅要求大量遥感数据，而且要求存取到要求的硬件或软件中。希望读者意识到这样一点，近几年使用和操作遥感数据已经大大地简化，并且价格低廉。前几年需要在昂贵的专用计算机上才能够完成的任务，现在采用台式机就可以完成，以合理的价格就可以获得高性能的计算机系统和功能强大的软件。我们也看到，尽管遥感数据到水文信息的转化算法变得越来越多，越来越复杂(可以处理多个卫星的数据，或者将卫星数据与传统数据融合)，但是它们分布在良好的用户操作界面中，易于使用。而且，遥感数据、地面真实情况(例如来自现代液体比重测量设备的信息)和功能强大的软件的结合占据着主导地位，例如GIS(地理信息系统)对水文学者和水管理者的研究来说是相当有用的工具，可帮助他们解决遇到的问题。

本书期望针对的读者包括水文学者和水管理者，即土木王程师、环境工程师、地球学家和农业工程师。提供的这些信息强调了在水文监测、建模以及水资源管理决策中遥感数据可能的应用。

由于遥感数据独有的特性，出现了许多新的技术，它们具有与传统水文和水管理数据和模型不同的结构。而且，这些结构可以提供新颖和独特的信息，这一般是不可能从传统的测量方法和模型中获得的。

此外，我们发现越来越多的大学院系(例如土木工程、农业和地球科学)开设了遥感理论和应用的课程。这本书对这些专业的学生也是有价值的，因为本书提供了遥感在水文和水资源管理中应用的最新纲要。

这是一个自然科学和技术科学领域中的知识增长给人们留下深刻印象的时代，也是一个相关技术快速变化的时代。编辑们意识到这些信息中的绝大部分分散在以学科为导向的刊物和出版物中。基于编辑们自身的科学研究工作和长期的国际交流活动，他们意识到如果能够将这些信息收集编辑成一本书，对水文和水管理学术团体将是十分有益的。编辑从9个不同国家的许多学术团体中精选出25人作为本书的作者。虽然本书将近500页，但并不是全面的，因此书中给出详尽的参考文献，总计有700多篇，这对帮助读者理解本书所讲述的内容是十分重要的。

不仅要感谢合作了四年多的所有作者，而且感谢JoachimGeyer，他协助进行了各章的编辑工作，感谢Springer-verlag统筹了本书的制作和出版。

Gert A．Schultz

德国波鸿鲁尔大学

Edwin T．Engman

美国马里兰格林贝尔特国家航空和

宇宙航行局(NASA)/戈达德宇宙航行中心

第一部分 概述与基本原理

1 概论 3

1．1 引言 3

1．2 遥感的定义 3

1．3 遥感数据的本质 4

1．4 卫星系统 5

1．4．1 遥感平台 6

1．4．2 遥感传感器 9

1．4．3 空间分辨率 10

1．4．4 时间分辨率 11

1．5 遥感与水文学 11

1．6 本书的结构 12

2 遥感的物理原理和技术要点 14

2．1 引言 14

2．2 电磁光谱和辐射率 14

2．3 大气传播 18

2．4 自然介质的反射和发射特性 22

2．5 传感器原理 26

2．6 现在和未来的地球观测任务概述 31

3 遥感数据处理：硬件和软件准备 34

3．1 图像处理系统的特点 34

3．1．1 中央处理器(CPU)：个人电脑、工作站和大型机 34

3．1．2 系统分析员人数及操作方式 35

3．1．3 串行与并行图像处理、算术协处理器和随机存取存储器(RAM) 37

3．1．4 操作系统和软件编译器 3了

3．1．5 大容量存储 39

3．1．6 屏幕显示分辨率 4l

3．1．7 屏幕颜色分辨率 41

3．1．8 图像扫描(数字化)思考 42

3．2 图像处理和GIS软件应用 43

3．2．1 预处理 44

3．2．2 显示和加强 45

3．2．3 遥感信息提取 45

3．2．4 摄影测量的信息提取 46

3．2．5 元数据和图像/地图系列文档 46

3．2．6 图像和地图的制图成分 49

3．2．7 地理信息系统(GIS) 49

3．2．8 应用 49

3．3 经济实用的数字图像处理系统 50

3．4 小结 50

4 遥感信息数据与地理信息系统的集成 57

4．1 引言 57

4．2 一般方法 59

4．2．1 栅格和矢量数据结构 59

4．2．2 现有集成方法 6l

4．2．3 与地理数据处理过程相关的误差 63

4．3 当前的应用 64

4．3．1 流域数据库的开发 64

4．3．2 高程数据的集成使用 64

4．3．3 土地利用/土地覆盖类型变化监测 65

4．3．4 流域径流量建模 66

4．3．5 水质监测与建模 68

4．3．6 土壤侵蚀监测 68

4．4 展望 69

第二部分 遥感在水文监测和建模中的应用

5 水文建模中的遥感 77

5．1 引言 77

5．2 实际水文模型中遥感的应用 78

5．3 耦合水一能量平衡模型中的遥感 82

5．4 遥感方法 83

5．4．1 太阳辐射 84

5．4．2 下降长波 84

5．4．3 降水 85

5．4．4 气温 85

5．4．5 表面空气湿度 86

5．5 模型实例：红河一Arkansas流域 87

5．6 发展方向 88

6 降水 103

6．1 引言 103

6．2 一般方法 104

6．2．1 地面雷达 104

6．2．2 可见光和红外线卫星数据的使用 105

6．2．3 无源微波卫星数据的使用 106

6．2．4 航天雷达 106

6．3 当前技术 107

6．3．1 降雨的单偏振雷达测量 107

6．3．2 降雪和雹的测量 110

6．3．3 多参数雷达 11l

6．3．4 降雨量估计的卫星云指数和生活史方法 112

6．3．5 双光谱技术 114

6．3．6 空间降雨的无源微波估计 115

6．3．"para" label-module="para">

6．4 改进的潜力 118

6．4．1 当前的性能标准 118

6．4．2 展望 119

7 土地利用和流域特征 125

7．1 引言 125

7．2 用遥感绘制土地覆盖类型地图 126

7．3 植被指数 127

7．3．1 简单植被指数 128

7．3．2 归一化植被指数(NDV)) 129

7．3．3 精确的估计 131

7．3．4 多时相植被指数 131

7．4 专题分类 132

7．4．1 图像分类方法 133

7．4．2 最大似然分类 136

7．4．3 讨论 137

7．4．4 概率估计的精确化 138

7．4．5 分割 140

7．4．6 巴西Pantanal地区的范例研究 140

7．5 雷达 142

8 蒸发 148

8．1 引言 148

8．1．1 概述 148

8．1．2 地面蒸发的遥感测量 149

8．2 蒸发和辐射测量的变量 150

8．2．1 潜在蒸发 150

8．2．2 实际蒸发 152

8．3 土地蒸发的遥感测量：应用和模拟方法 154

8．3．1 概论 154

8．3．2 蒸发和地表温度的线性关系[1] 156

8．3．3 改进的线性关系[2] 157

8．3．4 蒸发、地表温度和光谱指数的关系[3] 157

8．3．5 土壤-植被-大气输送(SVAT)模型[4] 158

8．3．6 集成SVAT和行星边界层(PBL)模型[5] 159

8．4 当前趋势：改进的观测和参数化方法 160

8．4．1 局部最大蒸发量和地表温度[6] 160

8．4．2 改进的地表变量观测[7] 163

8．5 空间可变性 165

8．6 精度 166

8．7 应用 167

8．8 目前及未来的观测 168

8．9 概要和总结 169

9 土壤含水量 187

9．1 引言 187

9．2 一般方法 188

9．3 传感器-目标相互作用 19l

9．4 水文实例 197

9．5 未来微波遥感在土壤含水量测量中的应用 200

10 地表水的遥感分析 206

10．1 引言 206

10．2 地表水采测 207

10．3 湖泊和水库面积的估测 209

10．4 湿地 211

10．5 湖泊水位 213

10．6 河流水位和流量 216

10．7 洪水范围 218

10．8 结论 222

1l 积雪和冰 228

11．1 积雪和冰的作用 228

11．2 一般方法 229

11．2．1 Gamma射线 229

11．2．2 可见光图像 231

11．2．3 热红外 232

11．2．4 有源和无源微波 233

11．2．5 相关应用 236

11．3 当前的应用 237

11．3．1 NOHRSC(美国国家应用水文遥感中心)积雪覆盖和雪水当量

的测量 237

11．3．2 加拿大草原雪水当量制图 238

11．3．3 融雪径流的预报计算 240

11．4 未来的方向 243

11．4．1 提高无源微波的分辨率 243

11．4．2 改进的无源微波算法 243

11．4．3 雷达应用的前景 243

11．4．4 各种数据类型的综合 244

12 土壤侵蚀 261

12．1 引言 261

12．2 遥感使用基础 263

12．3 应用 264

12．4 实例研究 266

12．4．1 图像解译/摄影测量 266

12．4．2 模型/GIS输入 268

12．4．3 光谱特性 269

12．4．4 地形测量 27l

12．5 未来发展趋势 272

13 水质 278

13．1 引言 278

13．2 遥感的应用基础 279

13．3 应用 280

13．4 实例研究 281

13．4．1 悬浮泥沙 28l

13．4．2 叶绿素 284

13．4．3 温度 286

13．4．4 油 288

13．5 未来的发展趋势 289

14 地下水 295

14．1 引言 295

14．2 水文地质的概念化 296

14．2．1 三维水文状况 296

14．2．2 地下水水面 298

14．2．3 水流系统 300

14．3 水量平衡 30l

14．3．1 地下水灌溉方案 302

14．3．2 补给 303

14．4 坚硬岩石地形和线性构造 308

14．5 地下水管理与结论 310

14．6 总结与展望 310

第三部分 遥感数据辅助下的水管理

15 遥感在水管理中的应用 319

15．1 引言 319

15．2 水管理中遥感应用潜力 319

15．2．1 观测和制图 319

15．2．2 空间分析和分区 32l

15．2．3 监测与预报 322

15．3 遥感支持下的流域规划 323

15．3．1 引言 323

15．3．2 水文监测和预测 323

15．3．3 流域中的上下游关系 324

15．4 遥感辅助下的流域管理 325

15．4．1 引言 325

15．4．2 水文图像解译在流域管理中的应用 327

15．5 小范围水资源开发和遥感 328

15．5．1 引言 328

15．5．2 在遥感技术辅助下的径流收集研究 328

15．5．3 洪水的延伸和地下水的补给 329

15．6 灌溉水管理和遥感 329

15．7 水管理的决策支持系统 330

15．7．1 引言 330

15．7．2 专家系统和决策支持系统 33l

16 洪水预报和控制 345

16．1 引言 345

16．2 一般方法 346

16．2．1 模型方法 346

16．2．2 遥感数据的种类和要求 346

16．2．3 从遥感数据中得到水文气象信息 348

16．2．4 地区降雨到径流水位图实时预报的转换 349

16．3 基于遥感数据的洪水预报辅助下的实时洪水控制范例 35l

16．3．1 基本原理 351

16．3．2 雷达降雨量测量应用于Gunz河流域 352

16．3．3 定量的降雨量预报 352

16．3．4 降雨-径流模型在洪水预报中的应用 354

16．3．5 基于洪水水文预报图的水库最优操作 355

16．4 城市环境下的洪水预报和控制 356

16．5 展望 359

17 灌溉和排水 362

17．1 引言 362

17．1．1 现有的非遥感方法及其局限性 363

17．1．2 遥感在灌溉和排水中的应用回顾 364

17．2 一般方法 365

17．2．1 应用与可观测性对比及算法 365

17．2．2 理论和概念性的方法 365

17．2．3 应用举例 369

17．3 当前的应用 371

17．3．1 一般应用 371

17．3．2 高分辨率的灌溉土地制图 371

17．3．3 农作物需水量--可见光和近红外线 373

17．3．4 农作物缺水--红外线 373

17．3．5 流域水文 374

17．3．6 盐碱地的发现 375

17．3．7 灌溉管理 375

17．4 目前和未来的观测 376

17．5 未来方向和潜力 377

18 无计量河流流域水利工程设计的水文数据计算 385

18．1 引言 385

18．2 一般方法 386

18．2．1 模块1：卫星系统，数据处理 387

18．2．2 模块2：以多时相卫星图像为基础估计每月地区降水 389

18．2．3 模块3：径流量的估汁 391

18．3 应用 392

18．3．1 研究区域和所用数据 392

18．3．2 多时相B2-Meteosat卫星图像辅助下地区月降水量估计 392

18．3．3 降雨-径流模型 394

18．4 进一步应用 395

18．5 总结与讨论 396

19 土地覆盖变化趋势检测及对水管理的影响 400

19．1 引言 400

19．2 水文模型和土地覆盖变化 402

19．3 研究实例：西欧Sauer河流域土地利用变化的遥感检测 404

19．4 总结 412

第四部分 展 望

20 展望 425

20．1 引言 425

20．2 水文研究与建模现状 426

20．3 水管理 428

20．4 水文学和水资源管理中的数据问题 429

20．5 攻坚计划 430

20．6 已有的传感器和平台 432

20．7 计划中和已提出的传感器和平台 433

20．8 遥感和水文学的未来需要 434

缩略语表 449 2100433B

为了确保遥感技术在供水水文地质勘察工作中的作用和质量，我协会委托全国工程勘测标准技术委员会组织制订《供水水文地质勘察遥感技术规程》，本规程在制定过程中，广泛收集和总结国内外的有关资料盒经验，并征求有关单位和专家的意见，最后经全国工程勘测标准技术委员会会审定稿。

源远流长的中华文化从一开始就孕育着思想内容丰富的水文化。国学精粹中，各家都在自身所主崇的思想基调上形成了内容各异的水文化。在水景观的营造中，适当融入国学精粹中不同思想学派的水文化，能为景观注入鲜活的气息。因此，我们有必要在营造水景观时，充分了解这些不同思想学派所感悟出的水文化。当然，这些国学中的水文化必须与地方文化和民族文化融合，才有生命力。

水文化易学

易学中有关水文化的论述，最广为人知的应该是阴阳五行说了。阴阳五行说是我国先民在接触各种事物与现象的实践中，通过观察与思考而建立的一种影响很大的哲学思想观念。它是一种自发的朴素的唯物论，并具有辩证法初步思想因素，是我国人民所独创的一种学说，广泛渗透于中国古代科技文化的各个领域。五行即金木水火土，五行相生相克，其中的水主智，其性聪，其情善，其味咸，其色黑。《三命通会》中也对五行之水有相关论述，指出“水之性润下，顺则有容”、“水不绝源，仗金生而流远”等特点。

此外，易学中与水有关的记述还涉及到河图洛书的典故。《周易·系辞上》：“河出图，洛出书，圣人则之。”认为八卦乃据河洛推演出来，后人也多以河洛解释八卦来源。易学中认为，河图最初出于龙马背上，而洛书处于神龟壳上；龙马出于孟河，而神龟则出于洛河。可见，河图洛书的诞生都是与水紧密关联的。

虽然易学中有关水的记录和论述并不仅仅局限于以上两点，但可以总结出的是：易学只是对水这一物质形态本身有所探究，而对水文化的认识还没有形成完整的体系，并没有将水性上升到一种学派思想的高度。

水文化儒家思想

儒家认为，水代表了德，人们应该向水学习，君子应该像水那样不断流动和永不停息，顺其自然地加强道德修养。

水为孔孟思想中重要的意象及哲学思想表达的隐喻。就意象与哲学思想的关系而言，水思想并非独立于孔孟哲思之外，而是与孔孟思想紧密联结。孔孟思想以尚水之动为主轴，流贯其中，呈现出日进不懈、自强不息的直线流动模式。 《论语》和《孟子》等儒家代表作中较多地提到了尚动之水与行仁、为政和心性等的关系。《论语·雍也》中，子曰：“知者乐水，仁者乐山。知者动，仁者静。知者乐，仁者寿。”论述了水与行仁的关系。《孟子·离娄上》中孟子曰：“为政不难，不得罪于巨室。巨室之所慕，一国慕之；一国之所慕，天下慕之。故沛然德教，溢乎四海。”论述了水与为政的关系。《孟子》借水喻人性的精辟论述更是对后人影响尤深：“人性之善也，犹水之就下也。人无有不善，水无有不下。今夫水搏而跃之，可使过颡；激而行之，可使在山。是岂水之性也？其势则然也。人之可使为善，其性亦犹是也。”

由以上内容可知，孔孟之水思维除前人所论之政治、心性及治水等范畴之外，更与孔孟理想境界有关。孔孟水思维具有从宗教仪式转化为理性道德的发展脉络。就时间之今天、昨天与明天三种面向来说，孔孟所关心的是对“今天”的执著与体悟。尚动之水与孔孟思想关系论述中，可以发现日进不止之水与孔孟自强不息、及时奋斗的精神有着密切的关联。

水文化道家思想

道家主张无为而治，这种“无为”并非真的无所作为，而是以“无为而无不为”，其实质还是一种有为，这一点，与水之“以柔克刚”、“柔中见刚”的社会性情极为相似。道家以水象征道在流变，比喻柔弱可以战胜刚强，天下“攻坚强者莫胜于水”。可见，道家思想与水，其实是一种“无为而无不为”的“以柔克刚”、“柔而隐则于内”本质的共同展现。

道家《老子》、《太一生水》、《管子·水地》等作品中都有关于水性的深刻阐述。《老子》书中许多章节的内容都与水有关联，如“上善若水，水善利万物而不争，处众人之所恶，故几于道矣。”在《老子》书中，“水”是“道”的物理原型，“道”是“水”的哲学升华，二者如影之与形，关系十分密切。《太一生水》承袭了老子的尚水思想。“太一生水，水反辅太一，是以成天。天反辅太一，是以成地。”这体现了在宇宙演化中，太一生成天地之先，水起了关键的作用，“太一生水”说是对老子“尚水”思想的承袭与发挥。《管子·水地》从宇宙发生论的角度，第一次明确提出了水为“万物之本原”的学说。它发挥了老子尚水的思想，强调了水的作用。

道家有关水的论述体现了“道”柔而不争的无为之道的德性，它与茶性、人性可以说是一体的。可见水的性质水动不息，静则保在其中。所以水被老子喻为上善。它随着自然的运行与变化而存在。它在方为方，在圆为圆，顺自然而成行。世上万物生长都离不开水，它总是向低处流。它的特性构成了老子道家思想的核心。

水文化其他学派

水文化不仅仅存在于以上三大思想派别中，它在兵家、墨家等诸多思想派别中广泛存在。

兵家的孙子汲取他人对“水”的思辨认识，借助了古代中国盛行的象形思维方式，从水的自然特性体悟到了兵家以弱胜强的战略发展观和以柔克刚的战术策略观。《孙子兵法》一书就有15处提到水，一是使用“水”字的本义，主要见于《行军篇》和《火攻篇》；二是采用明喻类比的方式，辩证地以水喻兵，借水的形象阐述自己对战争规律的认识，主要见于《形》、《势篇》和《虚实篇》。如《孙子兵法·虚实篇》就认为“兵”、“水”同形：“夫兵形像水，水之形避高而趋下，兵之形避实而击虚；水困地而流，兵因敌而制胜，故兵无常势，水无常形。”

墨家则出现了专门针对水攻的专著，如《墨子·备水》。墨子作为先秦诸子百家中墨家学派的创始人，极力反对侵略战争，力主并实践防御，即用防御战争来反对战争，实现“武装和平”。《备水》篇中就比较系统地提出了对付水攻的措施。

专业核心课程与实践环节：数据库语言程序设计、气象与天气学基础、水文统计、水文学原理、水质监测与评价、水文预报、水文水利计算、水资源评价与管理、水文信息处理、水文自动测报系统、测量实习、水文信息采集整编实训、水文水利计算课程设计、水资源评价与管理课程设计、水文预报实训、水质监测实训、毕业设计与顶岗实习等，以及各校的主要特色课程和实践环节。