航天航空技术水文监测应用王加虎.ppt

航空航天遥感技术水文监测应用水文水资源学院王加虎2024/5/7 周二1遥感技术简介遥感技术简介航天遥感与航空遥感航天遥感与航空遥感遥感遥感水文水文遥感技术在水文监测中的应用遥感技术在水文监测中的应用结语、展望与实例结语、展望与实例2024/5/7 周二2 遥感技术简介遥感技术（Remotesensingtechnology）是20世纪60年代兴起的一种探测技术，是根据电磁波的理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术。2024/5/7 周二3 认识电磁波2024/5/7 周二4遥感技术的工作原理通常是使用绿光、红光和红外光三种光谱波段进行探测。绿光段一般用来探测地下水、岩石和土壤的特性；红光段探测植物生长、变化及水污染等；红外段探测土地、矿产及资源。此外，还有微波段，用来探测气象云层及海底鱼群的游弋。2024/5/7 周二5遥感的分类2024/5/7 周二6航天遥感（spaceremotesensing）：又称太空遥感，在地球大气层以外的宇宙空间（h80km），以人造卫星、宇宙飞船、航天飞机、火箭等航天飞行器为平台的遥感。航空遥感（aerialremotesensing）：又称机载遥感，是指利用各种飞机、飞艇、气球等作为传感器运载工具在空中(h20km)进行的遥感技术。航空遥感依飞行器的工作高度和应用目的，分高空(10000m20000m）、中空（5000m10000m）和低空(5000m)三种类型遥感作业。航天遥感与航空遥感2024/5/7 周二7航天遥感与航空遥感名称名称平台平台高度高度特点特点航天遥感航天遥感空间飞行空间飞行器器极地轨道卫星：极地轨道卫星：10001000公里公里静止气象卫星：静止气象卫星：36003600公里公里动态性好、周期性好，动态性好、周期性好，适合对某地区连续观适合对某地区连续观察察航空遥感航空遥感空中飞行空中飞行器器飞行器飞行高度：飞行器飞行高度：几百米、几公里、几十公几百米、几公里、几十公里里动态性差，适合做长动态性差，适合做长周期（几个月及更长）周期（几个月及更长）观察观察航天遥感和航空遥感的区别2024/5/7 周二8遥感水文概述：遥感水文是遥感技术在水文学和水资源研究中的应用在水文学中遥感技术的研究内容主要有：水体和周围环境辐射波谱特性的研究；遥感数据处理和分析判读技术的研究；在水文学和水资源研究中遥感数据应用的研究2024/5/7 周二9遥感水文的优势（1）可一次性获取大范围的地物信息（2）信息量大，全天候监测（3）收集资料方便，无地域局限性（4）收集资料快捷2024/5/7 周二10遥感技术在水文学方面的应用范围是广泛的，如水资源调查、水资源动态研究、冰雪研究等。例如：青藏高原的高山冰雪覆盖区及新疆、内蒙古浩瀚无垠的戈壁沙漠地带，人们难以到达，利用遥感资料有助于掌握这些地区的冰雪消融以及江、河、湖、泊的分布、面积、水量、水质、水文资料等遥感水文的水文监测中的应用2024/5/7 周二11一：利用遥感资料推求各种水体（如湖泊、湿地等）的面积变化、监测冰川和积雪的融化状态、以及洪水过程的动态监测等，这是遥感技术在水文学中的直接应用二：利用遥感资料进行有关水文过程中的参数和变量的推求(如土地覆盖情况、作物的生长和发育情况，继而利用一些经验公式、统计模型和概念性水文模型等来获取诸如径流、土壤水分、区域蒸发等水文变量，这是遥感在水文学中的间接应用)遥感技术在水文学中的应用大致分为两个方面：2024/5/7 周二12地下水地下水水质水质土壤土壤侵蚀侵蚀积雪积雪和冰和冰地表水地表水土壤含水土壤含水量量蒸发蒸发土地利用和土地利用和流域特征流域特征降水降水遥感水文的水文监测中的应用2024/5/7 周二13降雨监测的理论基础就是借助于遥感资料，可以获得降水空间分布特征，特别是在雨量站和雷达监测站叫稀少的地区。用于降水估算的遥感信息源有雷达（数字雷达、WSR-88D雷达）、气象卫星和航空飞机等，其中雷达多用于局部短期雨量预测预报，而气象卫星则主要用于大面积降雨估算。降水监测2024/5/7 周二14监测实例监测实例地面雷达地面雷达可见光和红外线可见光和红外线卫星数据卫星数据无源微波卫星数无源微波卫星数据据航天雷达航天雷达2024/5/7 周二15地面雷达：可以从同一个位置、近实时地测量大范围的降水量可见光（红外线技术）：根据云反射的太阳辐射（云的亮度和颜色）和降水量之间的间接关系，从卫星图像得到降雨的定量和定性估计航天雷达：测量降雨量是非常有吸引力的，因为它能够在其覆盖范围（空间操作的时候指高度）内进行识别，而且雷达反射率与降雨率直接相关微波：几种不同的观测影响都与云层的存在有关，而且与频率密切相关2024/5/7 周二16在短时间（少于一小时）和小范围（小于102km2）内，地面雷达具有比卫星技术更高的精度。显而易见，如果每分钟采集一次数据，就可获得较精确的降雨量数据，累计误差也较小。未来天气雷达和卫星设备将有一个很大的发展空间，为使用地面雷达，开发偏振多样性技术的研究正在进行中。有些措施可以提高降水量的观测精度，特别是高降雨率地区，在TRMM（美日联合热带降雨测量卫星）中获得的经验将推动空载有源雷达的发展，预计这样的系统在极地轨道上运行并提供覆盖全球范围测量的日子不会太远了。降雨监测未来发展趋势2024/5/7 周二17植被覆盖或土地覆盖以多种方式影响水文过程，密集的植被可防止雨水的冲刷、增加渗透并减缓地表径流流速。所有可获得流域数据显示，森林采伐使的沉积物质不断增多，上游地区的森林采伐也可能使水流中携带的碎石、泥沙等增多，而这些东西可能破坏下有冲积平原的耕地。植被也可能影响水质，在空气污染的湿润温和地区还能影响对树木下被污染的径流观测，植被对水质的影响最终影响水平衡。土地利用和流域特征监测理论基础2024/5/7 周二18土地利用和土地利用和流域特征流域特征无源遥感数无源遥感数据据绘制土地覆制土地覆盖盖类型地型地图植被指数植被指数专题分分类有源有源传感器感器（机（机载雷达）雷达）土地覆盖土地覆盖类型型2024/5/7 周二19 在水文学中，植被扮演着很重要的角色，但植被对水文过程的影响必须通过对土地的覆盖情况的研究才能被更好的理解，从而可以应用传递函数将遥感土地覆盖的数据转换为相应的水文数据或模型输入值。不管地面覆盖什么，靠近地表的浓密植被会极大地影响水文过程，因此，除非实验数据可以起同样的作用，否则就有必要将与密集植被有关的光谱覆盖类别与实地观测结合起来是十分必要的；遥感记录了森林的覆盖情况，但无法记录森林中靠近地面的灌木丛情况，灌木丛的情况决定了水文过程的主要方面。研究水文过程时，应首先提及植被的相关性，来自遥感的定量生物物理参数与灌溉管理密切相关，遥感测量和植被参数之间的关系通过植被指数反映出来2024/5/7 周二20北京东北部密云水库附近获取的TM图像反演归一化植被指数(NDVI)、地表辐射温度的例子，其中图2(a)为7甜3波段合成示意图，合成效果接近自然彩色遥感反演地表信息图2024/5/7 周二21蒸发监测的理论基础蒸发量监测是一种通过物理方法来对地表能量与质量转化的勘测手段。随着近年来遥感技术不断应用，对于蒸发量的估算也趋于成熟。蒸发量的计算主要通过卫星数据来实现，如统计经验法、能量余项法等目前，遥感已经应用在地表蒸发量测量的各个方面。例如可以通过热红外线观测和地表热平衡方程测量地表蒸发量；用空间或机载设备测得的多光谱数据可估计潜在蒸发量和农作物需水量蒸发监测2024/5/7 周二22地面蒸发量的遥感测量潜在蒸发实际蒸发地表热平衡土壤水平衡空气水平衡2024/5/7 周二23土壤水分（即土壤湿度或土壤含水量），是联系地表水与地下水的纽带，也是研究地表能量交换的基本要素。土壤水分与干旱的遥感监测是目前遥感技术应用研究的前沿领域国内外许多研究人员做了大量的研究工作，提出了许多监测土壤水分的方法，从遥感光谱波段的使用上，对土壤水分的遥感监测研究可分为两类，分别为光学遥感和微波遥感土壤含水量监测理论基础土壤含水量监测2024/5/7 周二24土壤含水量光学遥感可见光/近红外技术热红外技术微波遥感2024/5/7 周二25热惯量法：利用热红外遥感影像反演下垫面温度，建立与土壤热惯量、土壤水分含量的关系模型和土壤表层与一定深度土壤含水量的关系模型来研究土壤含水量植被指数法：被认为植被的缺水状况可以通过不同的遥感植被指数来表征，通过植被指数来间接估算土壤水分作物缺水指数法：作物缺水指数是土壤水分的一个度量指标，它是由作物冠层温度值转换来的，是利用热红外遥感温度和常规气象资料来间接的监测植被条件下的土壤水分，是遥感监测土壤水分的一种很重要的方法光学遥感监测土壤水分的方法有以下几种：2024/5/7 周二26被动微波遥感：主要是通过微波辐射计获得土壤的亮温温度，然后通过物理模型反演土壤水分或与土壤湿度建立经验/统计模型主动微波遥感：主要利用土壤的这点特性和含水量间的密切关系微波遥感法有被动微波遥感土壤水分和主动微波遥感土壤水分发展趋势目前，虽然用遥感资料及其它辅助手段进行土壤水分监测的理论已趋成熟。对于裸土，热惯量法和微波遥感法都能得到较好的结果，在全植被覆盖条件下，植被指数法和作物缺水指数法比较适用。如何解决部分植被覆盖条件下旱情的监测是一个值得研究的问题，隋洪智做出了有益的探索2024/5/7 周二272024/5/7 周二28监测监测范围范围地表水地表水探测探测湖泊和湖泊和水库面水库面积的估积的估测测湿地湿地湖泊水湖泊水位位河流水河流水位和流位和流量量洪水范洪水范围围地表水监测2024/5/7 周二29地表水探测：用遥感数据中近红外和可见光可以方便地解决地表水域的定位和确定边界等问题。根据红外灰度图或多光谱扫描图上反射红外线的光谱波段可知，水体显深色而与周围对比度鲜明的部分是植被和土壤湖泊和水库面积的估测：可以通过红外线和可见光数据对比来观测水域的轮廓线，从而估计出湖泊和水库的面积，湖泊面积的时间序列能提供气候变化的记录，特别是对封闭湖泊更能显示出这种显著的变化湖泊水位的估测：载有雷达高度计卫星的出现（如Geosat、Seasat、ERS-1和美国/法国的TOPEX/Poseidon卫星），使得对湖泊和大型河流的水位测量成为可能，且精度可达到厘米级。所有雷达高度计测量表面高度都是通过像海洋表面发射微波脉冲，测量脉冲返回的时间，从而推算出高度值2024/5/7 周二30河流水位和流量：可以从卫星测量的河道宽度估算出相对宽且浅的河流流量。如果河流足够宽且水位与流量之间的关系相对稳定，那么可以通过雷达高度计测量到的河流水位值估算出河水流量。洪水范围：机载和卫星合成孔径雷达（SAR）凭借其具有穿透云层和全天候探测的能力，在探测洪水范围方面显示出巨大的潜力。同时，洪水暴发期间的泥沙沉积和转移的总量也是可以估算的水深遥感：监测水面高程和水底地形，求差值2024/5/7 周二31监测方法GammaGamma射线射线可见光可见光热红外热红外有源和无源微波有源和无源微波积雪和冰的监测2024/5/7 周二32Gamma射线优点：可靠，有效，省时局限：Gamma射线遇水衰减可见光优点：图像解译容易，适用范围广局限：不能直接获得信息，易受云层干扰有源和无源微波优点：提供全面充分的数据局限：适用范围有限2024/5/7 周二33地下水监测理论基础机载地球物理方法（例如航空磁测调查）能够提供地下信息（Reeves，1992），但是由于可能存在不唯一的解释，所以测得的数据必须加以解译，基于非地面的微波传感器具有一定的穿透能力，但是只有在满足特定条件，即被测量对象表面纹理粗糙、地形单一和地下水水位较浅时，才有可能测得真实数据，事实上，已经可以得到某些地区的景观微波图像地下水监测2024/5/7 周二34地下水监测应地下水监测应用用水文地质的概水文地质的概念化念化三维水文状况三维水文状况地下水水面地下水水面水流系统水流系统水量平衡水量平衡地下水灌溉方地下水灌溉方案案补给补给2024/5/7 周二35显示不同要素找出区域地下水靶区2024/5/7 周二36土壤侵蚀是影响地球表面的水、风和冰引起的缓慢形成的自然过程。传统的土壤侵蚀测量方法是用试验区确立侵蚀基本模式和测量侵蚀速率，用这种方法测定景观中土壤侵蚀的空间分布存在观测困难、耗时，而且价格昂贵等问题遥感能够测量景观的光谱特性，因此遥感通常可以用于研究土壤寝室的模式和速率。对地测量和航空像片是最常用的遥感技术，对这些相片进行图像解译或摄影测量后，其结果可用来研究和绘制土壤侵蚀地图。土壤侵蚀监测理论基础土壤侵蚀监测2024/5/7 周二37河流、水库、湖泊、河口和海洋水质的检测与估计对于管理和提高环境质量非常关键遥感技术的优势在于其具有能同时提供时间和空间方面的水质参数的能力，而这在实地测量中通常是得不到的。遥感使监测可行、高效成为可能，还能识别具有严重水质问题的水体。这些水质参数通常可以用遥感技术来量化，从而制定出减少从流域到水体的物质转移的管理计划，以降低污染物质对水质的影响。水质监测理论基础2024/5/7 周二38针对太湖蓝藻水华的特点，逐步形成了点线面三维一体全方位的太湖蓝藻水华监测体系，系统基本结构如图所示系统基本结构示意图2024/5/7 周二39（1）对资料与数据的采用有选择性遥感技术在水文勘测领域的优势是毋庸置疑的，但针对遥感技术获取信息量大的特点，需要水文工作在资料以及数据的采用上有一定的选择性（2）遥感技术与人工作业的结合遥感技术相对人工作也来讲尽管有着很大的优势，但在实践操作中不应当完全否定人工作业，而应该将二者进完美的结合应用水文中应用遥感注意事项2024/5/7 周二40遥感技术在分布式水文模型中得到广泛应用，应用过程中所需参变量的反演方法日趋完善。但受到遥感技术自身局限性的制约，应用过程中尚具有如下问题：(1)难以满足水文模拟尺度问题(2)遥感数据的精度偏低(3)现行的遥感数据提取水文变量方法应用范围较窄，缺乏普适性(4)遥感数据参数化和特征值提取方法尚不完善存在问题分析2024/5/7 周二41(1)随着遥感技术的迅猛发展，多平台、多时相、高分辨率的遥感数据不断出现，如何将这些海量数据应用到水文水资源领域中是目前研究的热点问题(2)与常规观测方法相结合。用常规方法可以观测点上的水文变量(如降水量、蒸发和土壤含水量等)，而用遥感技术则可以提供空间面状水文变量的信息(3)与地理信息系统(GIS)相结合(4)无资料地区的水文过程研究。海量的遥感数据为开展无资料地区的水文过程研究提供了优越的数据源和前提条件(5)水文尺度问题研究。一方面，由于水文水资源科学自身尺度问题的复杂性，限制了遥感的应用；另一方面，遥感信息又对水文尺度问题提供了新的技术手段，使水文水资源科学迈上新的台阶展望2024/5/7 周二42 基于遥感的地表水源地水体监测技术框架降水分布降水分布水文模型水文模型流域蓄水量流域蓄水量分布分布流域水量平流域水量平衡分析衡分析产流分布产流分布多遥感卫星多遥感卫星数据数据地面监测数据地面监测数据遥感方法遥感方法地面检测方法地面检测方法水体位置、水体位置、面积面积水位、流量水位、流量同化模型同化模型水体蓄水量水体蓄水量2024/5/7 周二43基于多卫星数据源的地表水源地水体监测方案2024/5/7 周二44遥感与地理信息系统和水文整合研究框架2024/5/7 周二45遥感和GIS结合的洪涝灾害系统2024/5/7 周二46应用例子奇葩的GRACE卫星GRACE卫星是美国国家航空航天局(NASA)跟德国航空中心的合作项目，是观测地球重力场变化的卫星。通过重力场的变化，科学家能推测出地下水的变化。过GRACE精确的测量，人们将能够得知地下水层的深度，并且实际看到海平面的变化。GRACE卫星能看到冰川、雪地、水库、地表水、土壤水和地下水的所有变化。它开创了高精度全球重力场观测与气候变化试验的新纪元，也是监测全球环境变化(陆地冰川消融、海平面与环流变化、陆地水量变化、强地震)的有力手段如今在世界上的干旱地区，一些相邻国家共享地下水时并不友好，在很多敏感地带，如印度和巴基斯坦，突尼斯和利比亚或以色列、约旦、黎巴嫩，叙利亚和巴勒斯坦，他们往往猜疑对方过度使用了这些共有资源。2024/5/7 周二47应用例子奇葩的GRACE卫星2024/5/7 周二48应用例子基于雷达的临近预报技术相对于降水测量，用雷达资料进行临近降水预报的水平提高得较慢。目前，临近预报技术主要包括雷暴识别追踪和外推预报技术、分析观测资料为主的概念模型预报技术以及数值预报技术等。2024/5/7 周二494 Evaluations-2/7:compare to MODIS-based flood monitoringlCase:Lake Victoria Basin,Nzoia stationl30 arc seconds+dailylForcing from TRMMV6lGlobal monthly mean PETlPoster H21F 0905lTitle:Satellite-based flood monitoring in un-gauged basin:Africa case studylBy S.Khan;Y.Hong;J.Wang;et.al.lResult:model can give a reasonable estimate of inundated area应用举例：无资料地区2024/5/7 周二50应用例子基于雷达的临近预报技术雷达、邻近暴雨预测、产汇流与溃坝联动2024/5/7 周二51应用例子基于雷达的临近预报与城市洪水雷达、邻近暴雨预测、产汇流与溃坝联动2024/5/7 周二52遥感水文应用例子：建筑物与洪水保险2024/5/7 周二53遥感水文应用例子：商务策略2024/5/7 周二54遥感水文应用例子：国家安全2024/5/7 周二55遥感水文应用例子：地区影响力的渗透2024/5/7 周二56遥感离我们并不遥远被动式体温计测手机辐射思考题：你从事的工作中，遥感技术有帮助？2024/5/7 周二57可向各位免费提供的资源DEM，1km1/4度，与DEM配套的数字水系及相应流域特征水面信息（已有GLWD水面信息，其为遥感影像提取所得，还需要实际的水面信息进行校正）土壤类型（1978年和1998年，1:1,000,000，需更新），含配套的土壤参数植被类型（已有DCW的地表覆被信息，分四大类，其分辨率为1:1,000,000，看需要确定是否更新）卫星降雨产品的在线获取与解译2024/5/7 周二58谢谢！2024/5/7 周二59