RS与GIS在水利行业的应用与展望

遥感专业委员会 <BR>摘 要 RS 与GIS是20世纪六七十年代逐渐发展起来，现已日渐成熟的空间信息处理技术。目前，在水利行业主要应用在防洪减灾，水资源管理，水环境监测与管理，旱情监测，水土保持，河口、河道、湖泊和水库泥沙淤积调查，大型水利水电工程建设与管理等方面。RS和GIS作为一种先进和有效的工具，在水利行业中将得到广泛应用。 <BR>关键词 水利 遥感 地理信息系统 <BR><BR>遥感(RS)、地理信息系统(GIS)是20世纪六七十年代逐渐发展起来，现已日渐成熟的空间信息处理技术。遥感和地理信息系统在水利行业中有着广泛的应用，尤其是随着水利信息化建设的逐步开展，遥感和地理信息系统的应用必将越来越广泛。 <BR><BR>一、RS与GIS在水利行业的应用现状 <BR><BR>回顾近20年来RS和GIS技术在水利行业的应用，发展最为突出的有以下几个方面：防洪减灾，水资源管理，水环境监测与管理，旱情监测，水土保持，河口、河道、湖泊和水库泥沙淤积调查，大型水利水电工程建设与管理等。 <BR><BR>1．RS与GIS在防洪减灾中的应用 <BR><BR>(1)洪涝灾害遥感监测与评估 <BR><BR>遥感技术很早就开始用于洪涝灾害调查。1987-1989年，水利部遥感技术应用中心、中国科学院、国家测绘局和空军合作，先后在永定河、黄河、荆江地区、洞庭湖和淮河进行了防洪试验，建立了洪涝灾害监测的准实时全天候系统。这个系统在1991年淮河和长江中下游大洪水的监测中发挥了很大作用。经过5年的努力，又建立了机载遥感监测灾害的实时传输系统，并应用于1994、1995、1996年的洪水监测。在“九五”期间，通过科技攻关，系统传输图像的空间分辨率从6m提高到了3m，并实现了图像数据和GPS数据的复合传输，在1998、1999和2000年的洪涝灾害监测中发挥了重大作用。 <BR><BR>(2)防汛决策支持系统或信息管理系统的GIS平台 <BR><BR>近几年来，在国家防汛指挥系统总体设计框架下，许多流域机构和省市水利厅局都在实施防汛决策支持系统或防汛信息管理系统的开发与建设。尽管各地防洪减灾工作的实际需求各有特点，但都以GIS为平台。GIS在这些系统中的作用主要有：①空间数据管理，包括查询、检索、更新和维护；②利用空间分析能力为防汛指挥决策提供辅助支持；③为各类应用模型提供数据；④优化模型参数；⑤防汛信息及决策方案的可视化表达。 <BR><BR>2．水资源监测与管理 <BR><BR>遥感是水资源监测的重要手段之一，而GIS是水资源管理的重要工具。 <BR><BR>水资源遥感监测方面，在地表水体提取上，20世纪80年代用近红外遥感图像比较多，而在近10年来则更多地利用 SAR图像，提取河流、水库、湖泊等地表水体。遥感结合地理信息系统技术还可以寻找地下水。通过遥感图像可查明与地貌、岩溶地貌、第四纪地质和新构造有密切联系的水文地质条件，结合物探结果，可较准确地评价地下水资源。重视遥感资料的地质和水文地质分析是我国用遥感调查裂隙水准确率较高的原因。此外，主动微波遥感对地面有一定的穿透能力，可以发现地下古河网的踪迹，寻找地下潜水层。另外，遥感对雪盖范围、雪的状态以及雪盖融雪程度的监测十分有效。近年来，用SAR对雪盖厚度的测定有了新进展，从而对雪盖水当量的估算更加精确。对1998年长江大洪水的成功预测与1997年冬和1998年春用遥感手段对青藏高原积雪的监测有密不可分的关系。融雪是我国西部地区水资源的重要组成部分，目前遥感是冰川、融雪水资源调查最为有效的手段。 <BR><BR>在水资源管理方面，GIS发挥着越来越重要的作用。近几年，已有多个省市建成或正在建设以GIS技术为支撑的水资源信息管理系统或者水资源管理决策支持系统。 <BR><BR>3．水环境监测与管理 <BR><BR>利用航空红外扫描图像可以确定热电厂排水口外的水体升温及其空间分布，利用SAR图像或红外扫描仪确定海面油污染的范围和油膜的厚度，利用TM图像确定水生物(藻类)、赤潮的范围等等，都是在此领域应用遥感技术的例子。 <BR><BR>在水质遥感监测方面，近几年来，对构成水的质量的一些要素进行定量监测的研究有了一定的进步，这些要素包括浑浊度、总悬移质泥沙含量、pH值、总含氮量等等。采用高光谱对水体所含化学要素的定量遥感测定研究目前正在北京官厅水库和太湖等水体积极进行。几年之后将取得有可能应用于生产实际的成果，为进行大面积的水环境监测提供先进、同步、快速和价廉的手段，取代传统的取水样化验的方法。 <BR><BR>4．旱情监测 。 <BR><BR>旱情的遥感监测是难度比较大的一项工作。目前以遥感数据为基础的方法虽然很多，如热惯量法、归一化植被指数距平法、作物供水系数法、作物缺水系数法等，但大多与农业生产的实际需要还有一定差距。近几年来，在旱情遥感监测模型的实用化方面进行了很多探索，取得了一些成果。首先，建立了全国耕地空间数据库，可以只对农田而不是土地进行旱情的评估；其次是有的方法已注意到从土地表层含水量推求土壤剖面含水量，例如水热耦合方程，而这正是微波遥感擅长之处；此外还有进一步考虑植被影响的方法，例如农田蒸散双层模型。 <BR><BR>5．水土流失调查 <BR><BR>近年来，随着现代遥感技术的发展及其在水土保持领域的应用，定量或定性与定量结合的侵蚀评价在区域监测中得以实现，而地理信息系统技术又为较大范围的空间分析提供了快速、准确的技术手段，人们可以利用矢量和栅格两种类型的空间数据分析侵蚀因子的属性、数量值及其空间分布，进而评价侵蚀的类型、程度以及不同类型、不同程度侵蚀的分布规律。这就在技术、方法乃至理论上深化了区域土壤侵蚀监测的研究。 <BR><BR>6．河口、河道、湖泊和水库泥沙淤积调查 <BR><BR>遥感技术的优势之一是能够监测动态变化。几十年前的遥感影像可以真实、具体、形象地反映当时的下垫面情况。因此在河道、河口等的动态监测中遥感是首选工具。河道与河口的泥沙淤积以及引起的相应河势变化对防洪、航运等都至关重要。遥感在悬移质泥沙分布和河势监测中的应用也有技术优势。 <BR><BR>我国利用卫星遥感信息监测河道变化、预测河道发展趋势，并应用到水利规划、航道开发以及防灾减灾等方面，产生了十分可观的经济效益和显著的社会效益。尤其是近年来，开展了大量的河口、河道、湖泊和水库泥沙淤积遥感调查工作。 <BR><BR>7．大型水利水电工程建设和管理 <BR><BR>大型跨流域引水(例如南水北调)工程的选线和大型水利工程的选址以及环境效益评估是遥感和CIS技术在水利水电领域中发挥作用的重要方面。 <BR><BR>遥感技术可以快速、经济和客观地为大型水利水电工程选址提供所需要的地理、地质、环境以及人文等各类信息，从而提高工作的效率和质量。目前正在进行的南水北调西线研究中，遥感技术在青藏高原更能发挥不可替代的重要作用，尤其是用干涉雷达(1NSAR)或立体像对确定高程更是引起了广泛的关注。 <BR><BR>CIS是水利水电工程选址、规划乃至设计、施工管理中十分重要的分析工具，例如移民安置地环境容量调查、调水工程选线及环境影响评价、梯级开发的淹没调查、水库高水位运行的淹没调查、大中型水利工程的环境影响评价、防洪规划、大型水利水电工程抗震安全、河道管理、大型水利水电工程物料贮运管理、蓄滞洪区规划与建设等等。 <BR><BR>二、遥感和GIS在水利行业应用的发展趋势 <BR><BR>1．遥感技术在水利行业应用的发展趋势 <BR><BR>(1)采用遥感数据源方面 <BR><BR>水利遥感应用采用的遥感数据源方面朝着高空间分辨率、高光谱分辨率和新型雷达遥感的方向发展。目前，国外水利遥感数据源的空间分辨率普遍达到了米级，高光谱分辨率的遥感数据也大量应用，另外新型雷达遥感数据也越来越多地得到应用。 <BR><BR>(2)定量化遥感 <BR><BR>定量遥感是当前国内外遥感应用的发展方向，也是水利遥感的发展趋势。定量遥感主要是通过实验的或物理的模型将遥感信息与观测目标参量联系起来，将遥感信息定量地反演或推算为某些地学、生物学及大气等观测目标参量。 <BR><BR>(3)遥感水利应用方面 <BR><BR>遥感在水利中的应用将会越来越深入。国外在水利遥感应用方面的以下几个趋势值得关注。 <BR><BR>①降雨的定量遥感。采用卫星遥感进行降雨量监测，包括利用气象卫星的水汽通道和微波两种途径，前者利用水汽含量和温差来估算，后者利用冻雨的反射率来估算降雨量是主要的途径。 <BR><BR>②土壤含水量定量遥感。国外开始采用多重遥感数据源，包括雷达遥感进行土壤含水量的定量遥感。 <BR><BR>③蒸散发遥感。蒸散发估算是水资源评价的重要内容。采用遥感数据反演蒸散发已成为蒸散发估算的重要手段。 <BR><BR>④水质遥感监测。水质遥感监测一直是个难点。随着高光谱遥感的发展，水质遥感监测开始有所突破，并成为国外水利遥感研究的热点。 <BR><BR>⑤生态环境遥感。采用多尺度、多时相的遥感手段，对生态环境进行遥感监测也是当前遥感应用研究趋势之一。 <BR><BR>2．GIS在水利行业应用的发展趋势 <BR><BR>GIS技术的发展与计算机硬件和操作系统、元数据库的建设、数据仓库、数据挖掘、网络、遥感、数据库管理、数字摄影与自动成像等技术的发展是紧密相关的。每项技术的发展都会给GIS带来深刻的变化。GI$技术在水利行业应用的发展，不仅仅取决于GIS技术的发展，更取决于水利行业信息化的进程。在以信息化带动水利现代化的战略方针指导下，GI$在水利行业的应用将越来越广泛。GIS在水利行业应用主要有以下四个方面的趋势： <BR><BR>(1)网络GIS(WebGIS) <BR><BR>目前国内WebGI$的研制基本上与国际同步，但在应用上常受制于网络传输能力，即带宽。WebGl8在防汛会商等系统中特别有用，但如动态地访问地理空间数据时反应太慢，会大大影响工作。但随着信息基础设施的发展，这不会成为影响WebGIS发挥优越性的障碍。 <BR><BR>(2)组件式GIS(ComGIS) <BR><BR>GIS软件的技术体系经历了GIS模块、集成式GIS和模块式GIS这三个阶段后，已发展到了组件式GIS阶段。ComGIS使软件的可配置性、可扩展性和开放性更强，使用更灵活，更便于二次开发，特别有利于应用系统集成和拓展。 <BR><BR>(3)三维GIS和四维GIS <BR><BR>三维尤其是实时的三维GIS系统为各种水利信息提供了更为直观的表现方式。在调水线路沿线贯穿飞行、城市及蓄滞洪区洪水演进、水利工程布置、大坝及堤防等工情信息的表达、水流流动的三维表现、库区的描述、宏观地形地貌表现、通视性分析等等方面使用得特别多，前景非常广阔，而且它也是虚拟或仿真的基础。 <BR><BR>水利上很多问题是时间序列问题、动态监测及过程问题。因此，加上时间维的4DGIS应用需求很广。 <BR><BR>(4)VR-GIS技术 <BR><BR>VR-GIS技术是虚拟现实技术与GIS技术的结合。应用VR-GIS技术进行模拟试验时必须了解对象的机制，并建立模型(数理或概念模型)或采用人工智能及可视化技术，此外还必须进行实验分析和验证。 <BR><BR>在水利行业可模拟的例子也不少，例如工程结构、河流地貌过程、三角洲演化过程、天气过程、湖泊与沼泽演化过程、调水工程、水资源调控、河道整治、大型水利工程的环境评价、水质污染过程、区域可持续发展、生态系统的恶化与恢复、洪涝灾害的发生与救灾、防洪规划、河口与港口整治、垮坝溃堤、土壤侵蚀、水土保持效果、荒漠化过程、大型水利 水电工程规划以及替代传统的水工模拟等等。 <BR><BR>综上所述，近10年来RS和CIS在水利行业中有了更广和更深入的应用，已替代了许多传统的手段。作为一种先进和有效的工具，遥感和CIS技术已被越来越多的水利工作者所了解，但在水利行业，遥感和GIS应用较突出的问题是还要进一步实用化，解决问题要更到位。只有这样，才能使更多的水利专业人员使用遥感和GIS技术，反过来又推动水利学科的发展。 <BR><BR>参考文献： <BR><BR>1 李纪人，黄诗峰等．“3S"技术在水利行业中的应用指南．北京：中国水利水电出版社，2003 <BR>2李纪人．洪涝灾害监测评估运行系统．卫星应用，2001．9 <BR>3 黄意玢，董超华．用940nm通道遥感水汽总量的可行性试验．应用气象学报，2002．13 <BR>4 王云鹏等．水体污染的遥感方法及在珠江广州河段水污染监测中的应用．遥感学报，2001．5 <BR>5 杨世植．水质的光学遥感监测技术．光电子技术与信息，2002．15 <BR>6 李芳等．土壤含水量信息提取模型的理论初探．遥感信息，2001．4 <BR>7 黄诗峰，钟邵南，徐荚．基于GIS的流域土壤侵蚀量估算的指标模型方法．水土保持学报，2001．2 <BR>8 李纪人．地理信息系统在水利中的应用．中国水利，2001．8 <BR>9 黄家柱、尤玉明．长江南通河段卫星遥感水深探测试验．水科学进展，2002．13 <BR>10 陆家驹．应用多时相遥感资料分析水库区围垦面积的影响．遥感信息，2001．3 <BR>(执笔人：李纪人、黄诗峰) <BR>注：本文已收录在《中国水利学会专业学术综述(第五集)》 <BR>