跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論及其在水利行業(yè)的應(yīng)用

文|付俊娥 路京選 龐治國(guó) 王明月 曲偉

1.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心/中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 2.山西大學(xué)

一、跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論的內(nèi)涵

遙感是一門可跨越空間尺度開展分析與應(yīng)用的空間科學(xué)。從小到一個(gè)像元到一個(gè)地塊，從一個(gè)區(qū)域到一個(gè)流域，從一個(gè)國(guó)家到全球覆蓋，所有遙感應(yīng)用無一不體現(xiàn)出這一顯著特征，使得遙感在不同空間尺度都已得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，遙感也是一門跨越時(shí)間尺度進(jìn)行變化分析與應(yīng)用的信息科學(xué)。從單一監(jiān)測(cè)指標(biāo)，如溫度、降水等，到各種地物目標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與時(shí)間序列分析，大多數(shù)遙感應(yīng)用也都體現(xiàn)出這一明顯特征，時(shí)間跨度從小時(shí)到日，從月到年，最多可到 40～50 年，甚至更長(zhǎng)，使得變化檢測(cè)成為遙感應(yīng)用的一個(gè)主要方向。由此可見，在遙感應(yīng)用中普遍存在跨區(qū)域監(jiān)測(cè)與再現(xiàn)時(shí)間序列變化分析這一顯著特征。2015年水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心的路京選教授從遙感應(yīng)用的新視野，提出了跨時(shí)空遙感(Cross Time and Space Rmote Sensing，CRS)應(yīng)用理論，并認(rèn)為利用跨時(shí)空特征挖掘有效信息必將成為今后遙感應(yīng)用的一個(gè)重要方向[1]。

跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論是針對(duì)各種遙感應(yīng)用所普遍存在的跨時(shí)空分析特征，綜合利用各種遙感理論與技術(shù)，通過與GIS空間分析、時(shí)間過程模擬等技術(shù)的集成，解決跨時(shí)空遙感分析應(yīng)用中多源與多時(shí)相的時(shí)空分布遙感信息的數(shù)據(jù)同化與融合等技術(shù)問題，為各種遙感應(yīng)用提供具有普適性的方法論?？鐣r(shí)空遙感應(yīng)用理論的提出，為今后的綜合定量遙感應(yīng)用指出了新的發(fā)展方向，研究視野將更為開闊，研究結(jié)果也將更加面向?qū)嶋H問題的解決?？鐣r(shí)空遙感應(yīng)用理論的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論的技術(shù)架構(gòu)

二、跨時(shí)空遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論涵蓋各分支遙感應(yīng)用學(xué)科方向的所有服務(wù)對(duì)象，將直接面向各種應(yīng)用需求，通過解決一系列的跨時(shí)空遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，提供能滿足用戶需求的時(shí)空分布的監(jiān)測(cè)目標(biāo)識(shí)別與變化檢測(cè)信息、監(jiān)測(cè)參數(shù)的定量反演與時(shí)空分布分析結(jié)果、信息與知識(shí)挖掘結(jié)果、物理過程的計(jì)算機(jī)再現(xiàn)等。從目前的主要研究領(lǐng)域看，跨時(shí)空遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)研究多源遙感信息同化、遙感信息時(shí)間序列分析、多時(shí)相遙感信息同化與變化檢測(cè)、時(shí)空遙感信息與過程模擬模型耦合、遙感信息空間分析、遙感信息尺度效應(yīng)分析與尺度轉(zhuǎn)換、遙感制圖與地理制圖歸一化等關(guān)鍵技術(shù)問題。其中，跨時(shí)空遙感信息的獲取與處理方法是基礎(chǔ)，多源、多尺度時(shí)空分布遙感數(shù)據(jù)的無縫化融合與同化是保障，GIS 等空間分析、時(shí)間序列分析、過程模擬、信息挖掘等支撐手段是關(guān)鍵，面向應(yīng)用的跨時(shí)空信息綜合分析與應(yīng)用是目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)“小時(shí)-日-月-周-年”等不同時(shí)間尺度與“厘米-米-百米-千米-流域”等不同跨時(shí)空尺度的應(yīng)用服務(wù)。時(shí)空遙感信息與過程模擬模型的耦合成為推動(dòng)遙感跨時(shí)空定量應(yīng)用的重要方向。

三、跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論在水利行業(yè)的應(yīng)用

遙感技術(shù)作為一種新興技術(shù)，其及時(shí)、客觀、可追溯、不受地域限制的優(yōu)勢(shì)，為新時(shí)期水利信息化發(fā)展提供了新的手段[2]。我國(guó)水利遙感應(yīng)用始于1980年，經(jīng)過近40年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)水利業(yè)務(wù)中，發(fā)揮著越來越重要的技術(shù)支撐作用。水利遙感作為遙感應(yīng)用的重要領(lǐng)域，在跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論方法實(shí)踐方面做了大量研究工作，在流域尺度遙感數(shù)據(jù)、流域信息的獲取與處理等共性基礎(chǔ)技術(shù)方面，在面向服務(wù)于水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、河道治理、涉水災(zāi)害定量遙感專題應(yīng)用，以及遙感與水文模型耦合的流域尺度降雨徑流過程定量分析等方面的關(guān)鍵理論、技術(shù)、方法等新時(shí)代水利問題都做了深入系統(tǒng)的探索，提出了有效的解決方案。

1.跨時(shí)空多源多尺度定量遙感產(chǎn)品獲取與處理

要獲取時(shí)空連續(xù)的水利遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的最大難點(diǎn)，就是如何將瞬時(shí)的空間分布遙感數(shù)據(jù)有效擴(kuò)展到時(shí)空過程上。通過梳理當(dāng)前多星種、多傳感器、多分辨率共同發(fā)展的現(xiàn)狀，綜合考慮衛(wèi)星軌道、傳感器性能、天氣條件等因素影響，有效利用多源、多尺度、多時(shí)相的遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究并形成了一套跨時(shí)空多源、多尺度定量遙感產(chǎn)品獲取與處理方法。該研究屬于跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論中的遙感應(yīng)用共性技術(shù)，體現(xiàn)了基于跨時(shí)空遙感理論的多源遙感信息同化、尺度轉(zhuǎn)換等過程。具體研究?jī)?nèi)容包括：不同時(shí)空分辨率遙感數(shù)據(jù)的互補(bǔ)技術(shù)、地面控制點(diǎn)不足條件下的遙感影像幾何糾正技術(shù)、面向應(yīng)用的定量遙感融合與處理技術(shù)以及生產(chǎn)符合水利業(yè)務(wù)需求及時(shí)空精度要求的時(shí)空無縫的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，具備了長(zhǎng)期、持續(xù)、及時(shí)提供水利業(yè)務(wù)信息服務(wù)的能力。

2.跨時(shí)空水資源利用遙感定量監(jiān)測(cè)

水資源的監(jiān)測(cè)與保護(hù)具有極其重要的戰(zhàn)略意義。利用遙感技術(shù)進(jìn)行水資源調(diào)查可以克服傳統(tǒng)手段高投入、長(zhǎng)周期、低效率的缺點(diǎn)，可快速準(zhǔn)確地進(jìn)行區(qū)域水資源狀況調(diào)查，為水資源開發(fā)利用提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。針對(duì)湖庫(kù)水量隨時(shí)間波動(dòng)與變化趨勢(shì)的研究比較缺乏的現(xiàn)狀，基于多源、多尺度、多時(shí)相的遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)，在對(duì)湖庫(kù)水域范圍提取的基礎(chǔ)上，利用湖盆DEM數(shù)據(jù)，依據(jù)多期水域面積遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果和相應(yīng)時(shí)段的水面高程值，建立水域面積-高程-蓄水量變化曲線，連續(xù)獲取湖泊蓄水量的年、月動(dòng)態(tài)變化信息，為流域水資源評(píng)價(jià)管理提供了重要依據(jù)。該研究體現(xiàn)了跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論中的基于信息挖掘、遙感信息時(shí)間序列分析等過程。

3.跨時(shí)空水生態(tài)環(huán)境遙感定量監(jiān)測(cè)

常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法盡管可以精確地測(cè)定出某一位置水質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)，但成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、同步性差?；诙嘣础⒍喑叨?、多時(shí)相的遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)，在水環(huán)境遙感特征參數(shù)光譜測(cè)定的基礎(chǔ)上，構(gòu)建懸浮物濃度、總氮/總磷濃度、葉綠素a濃度、含鹽量等水環(huán)境參數(shù)的遙感反演模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非洲維多利亞湖、坦噶尼喀湖、柬埔寨洞里薩湖和福建的山美水庫(kù)等水環(huán)境參數(shù)時(shí)空分布產(chǎn)品的反演，為流域的水環(huán)境評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐（見圖2、圖3）。該研究體現(xiàn)了跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論中的基于信息挖掘、遙感信息時(shí)間序列分析等過程。

圖2 洞里薩湖水域范圍月際變化

圖3 山美水庫(kù)葉綠素濃度空間分布

4.跨時(shí)空河道治理遙感定量監(jiān)測(cè)

河道與河口變化的監(jiān)測(cè)也是遙感技術(shù)在水利中應(yīng)用較多的一個(gè)領(lǐng)域。河道水沙變化引起河道沖淤變化，河道挖沙引起河勢(shì)變化。尤其在跨境河流上，部分河道變化導(dǎo)致的中泓線的變化還會(huì)引起國(guó)土面積的變化。通過現(xiàn)場(chǎng)高光譜波譜測(cè)定與多源衛(wèi)星多光譜特征分析，建立河道水深反演模型，可獲取多年的河道深泓線的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于界河河勢(shì)監(jiān)測(cè)及相關(guān)管理工作具有重要價(jià)值。河口是陸地和海洋的交匯處，河流徑流與海流共同作用造成河口泥沙淤積延伸或侵蝕后退。河道治理遙感定量監(jiān)測(cè)體現(xiàn)了跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論中的遙感信息空間分析、時(shí)間序列分析等過程。水利部多年來對(duì)黃河三角洲、珠江口、黑龍江等的河道和河口的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)相關(guān)河口治理、資源環(huán)境保護(hù)與發(fā)展發(fā)揮了作用。

5.跨時(shí)空涉水災(zāi)害定量監(jiān)測(cè)與影響評(píng)估

我國(guó)水旱災(zāi)害頻繁，地方層層上報(bào)的受災(zāi)面積經(jīng)常偏大，有時(shí)因多次重復(fù)計(jì)算總和甚至超過其國(guó)土面積，而利用遙感技術(shù)可以得到最為客觀的受災(zāi)范圍，得到水利主管部門的認(rèn)可[2]。水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)是遙感水利應(yīng)用開展最早的領(lǐng)域之一，20世紀(jì)80 年代研發(fā)的洪災(zāi)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)就已進(jìn)入實(shí)用階段。涉水災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)主要包括災(zāi)前預(yù)測(cè)、災(zāi)中監(jiān)測(cè)、緊急救災(zāi)和災(zāi)后重建四類應(yīng)用，它體現(xiàn)了基于跨時(shí)空遙感理論的多時(shí)相遙感信息同化與變化檢測(cè)、時(shí)間序列分析等過程。研究成果主要包括：①洪澇災(zāi)害遙感定量監(jiān)測(cè)與影響評(píng)估技術(shù)。耦合多源遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分布式流域洪水模擬模型，實(shí)現(xiàn)流域徑流的動(dòng)態(tài)模擬，通過歷史典型洪災(zāi)期徑流的重現(xiàn)和對(duì)流域徑流的動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)流域洪澇災(zāi)害的動(dòng)態(tài)和流域全覆蓋監(jiān)測(cè)，為流域防災(zāi)減災(zāi)提供遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品與災(zāi)情信息服務(wù)。②干旱災(zāi)害遙感定量監(jiān)測(cè)與影響評(píng)估技術(shù)。采用野外實(shí)地調(diào)查和長(zhǎng)時(shí)間系列遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，利用多種表征植被動(dòng)態(tài)變化指標(biāo)（歸一化植被指數(shù)NDVI、凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP）、多尺度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI和耦合遙感資料的生態(tài)過程模型，量化了植被對(duì)不同尺度干旱災(zāi)害的響應(yīng)，形成了干旱災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估的技術(shù)流程。研究成果為開展大范圍干旱時(shí)空動(dòng)態(tài)及植被影響評(píng)價(jià)提供了一個(gè)良好的科學(xué)技術(shù)途徑。③冰湖、堰塞湖災(zāi)害遙感定量監(jiān)測(cè)與影響評(píng)估技術(shù)。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)與人工解譯相結(jié)合的方法，開發(fā)了冰湖、堰塞湖專題信息自動(dòng)提取算法，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)情信息的快速提取，結(jié)合監(jiān)測(cè)區(qū)本底水體范圍獲取了冰湖、堰塞湖的淹沒范圍，估算冰湖、堰塞湖的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。這些成果在歷次重特大水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。

6.遙感與水文模型耦合的流域尺度降水徑流過程定量分析技術(shù)

跨區(qū)域流域水資源是我國(guó)重要的戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源，對(duì)于我國(guó)及周邊國(guó)家的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。這些地區(qū)大多地處邊遠(yuǎn)，基礎(chǔ)資料缺乏且獲取困難，常規(guī)地面觀測(cè)手段往往難以奏效，衛(wèi)星遙感技術(shù)自然就成為獲取這些流域基礎(chǔ)資料的必然選擇。針對(duì)我國(guó)跨區(qū)域河流自然環(huán)境復(fù)雜、背景資料奇缺、科學(xué)研究薄弱、遙感應(yīng)用空白的實(shí)際情況，基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及遙感反演的水循環(huán)參數(shù)、下墊面信息、基礎(chǔ)地理要素與共享衛(wèi)星遙感信息產(chǎn)品，在流域尺度開展了遙感數(shù)據(jù)與水文模型的耦合研究，建立了多個(gè)全遙感信息驅(qū)動(dòng)的跨區(qū)域流域分布式水文模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流域水資源總量及各水量平衡要素的估算與定量分析，遙感數(shù)據(jù)支撐程度和模型模擬結(jié)果均達(dá)到國(guó)際同類研究的領(lǐng)先水平。該研究體現(xiàn)出基于跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論的多源遙感信息同化、時(shí)空遙感信息與過程模擬模型的耦合等過程，為跨時(shí)空遙感定量應(yīng)用探索出一條有效途徑。研究成果在伊犁河、瀾滄江-湄公河、雅魯藏布江、伊洛瓦底江和鴨綠江等跨區(qū)域流域得到了實(shí)際應(yīng)用（見圖4、圖5）。

圖4 伊洛瓦底江界河河道變遷分析

四、結(jié)論

目前的遙感應(yīng)用范圍已逐步從區(qū)域尺度發(fā)展到全球尺度，應(yīng)用頻次也逐漸由年尺度向月、旬、日、小時(shí)等更精細(xì)尺度轉(zhuǎn)變，跨越空間和時(shí)間尺度應(yīng)用的特性日益明顯。未來遙感的發(fā)展將從跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論這一新視野出發(fā)，通過跨越時(shí)空遙感信息的綜合利用，達(dá)到更好認(rèn)識(shí)地球及其時(shí)空變化規(guī)律的目的。跨時(shí)空遙感應(yīng)用理論的建立順應(yīng)遙感學(xué)科發(fā)展的需要，遙感應(yīng)用時(shí)空觀的提出對(duì)今后遙感應(yīng)用具有參考價(jià)值。

圖5 湄公河流域降雨徑流過程