遥感估算河道流量研究进展_李和谋.pdf
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1、第 卷,第 期自 然 资 源 遥 感,年 月 ,:引用格式:李和谋,白娟,甘甫平,等 遥感估算河道流量研究进展 自然资源遥感,():(,():)遥感估算河道流量研究进展李和谋,白 娟,甘甫平,李贤庆,王泽坤,(中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京;中国自然资源航空物探遥感中心,北京)摘要:鉴于全球径流数据的可获得性逐年下降,替代水文站点实测河道流量的反演算法正变得越来越重要。当前卫星遥感技术不断发展,估算河道流量的方法亦逐渐丰富,为此,该文对遥感技术反演河道流量的方法进行系统总结,并归纳了与河道流量估算密切相关的水力遥感要
2、素反演方法及其进展情况。首先,梳理基于水文模型和基于经验回归方程 类算法的方法原理和应用现状;然后,总结不同方法的适用条件和存在不足;最后,展望未来通过卫星遥感技术反演世界范围内河道流量的发展趋势:积极开发先进卫星遥感数据同化技术;集成新的传感器产品;优化与创新算法。关键词:河道流量;遥感;水位;河宽;水力特征中图法分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:;修订日期:基金项目:自然资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室课题“多平台遥感数据估算河流流量方法研究”(编号)和高分专项(民用)项目“高分航空载荷自然资源调查应用示范”(编号:)共同资助。第一作者:李和谋(),男,硕士研究生,主要从事
3、水文学及水资源研究。:。通信作者:甘甫平(),男,研究员,主要从事遥感技术方法及地学应用研究。:。引言河道流量作为水文循环的重要表征指标和水量平衡的基本组成要素,是水资源管理和生态环境保护措施制定的主要依据,现有的世界径流数据库对全球流域的时空覆盖范围十分有限,因此关于如何实时、精准、高效地获取河道流量的水文学研究一直在推进。从流量数据源获取手段来讲,目前主要分为站点实测和遥感反演。传统依靠水文站点监测河道流量的方法,从测站的建设到维护运行都需要大量的人力物力,对于气候恶劣和地形复杂地区通过水文站点监测河道流量更加困难,以上情况都导致全球水文观测网难以收集储存流量数据。此外,如今地球上观测网络
4、的覆盖范围正在逐渐缩小,不同地区流量数据也存在不同步分享的限制。因此,在过去几十年遥感技术成为缺资料地区或无资料地区信息的唯一来源,河道流量遥感作为一个水文学科新兴领域得到快速发展,国内外水文学家致力利用无人机和卫星遥感数据来估算河道流量。遥感技术不仅能获取河流宽度、水面高程、水面流速和河流流速等流域水文变量,并且获得的信息具有实时性、宏观性、持续性等优点,所以遥感信息在缺资料和无资料地区的流量估算中发挥着重要作用。此外基于遥感数据应用再分析、统计插值、数据融合和数据同化等技术,构建全球范围长时间序列的高质量水文气象数据,结合水文数值模拟方法能够很大程度上解决缺资料地区的流量估算问题,进而实现
5、对流域水文循环过程时空变化规律的精准把握。目前利用遥感技术估算河道流量的方法主要分为基于水文模型和基于经验回归方程 类方法,基于水文模型方法通过建立数学模型主要用于估算整个流域长时间段的日径流量或月径流量,而基于经验回归方程方法则是建立水力特征参数与实测流量经验回归方程主要估算河道特定断面的瞬时流量。其中基于经验回归方程方法根据涉及的水力特征参数个数,可以分为单水力特征参数经验法和多水力特征参数经验法,单水力特征参数经验法包括水位 流量曲线法、河宽 流量曲线法、()信号法和多站水力几何(,)法。为了说明遥感技术对反演河道流量的重要作用,本文梳理了各种利用遥感信息估算河道流量方法的原理和研究进展
6、,特别是过去 中开展的工第 期李和谋,等:遥感估算河道流量研究进展作,还详细讨论了不同方法的应用挑战。在此基础上介绍了与河道流量估算密切相关的水力遥感要素反演进展,最后展望了基于遥感信息反演河道流量的未来发展趋势。基于水文模型估算流量水文模型是用于预测水文要素和理解水文过程的数值模型,在大陆尺度到全球尺度应用的水文模型主要分为地表模型(,)和水量平衡模型(,)。通常基于热量和质量平衡方程来定量模拟地表与大气界面间的水和能量通量交换;主要基于水量平衡方程从流域整体估算长期河道流量。遥感技术对水文模型的推动作用主要表现在 个方面:一是使用遥感获取的信息作为水文模型的驱动数据;二是使用遥感观测的地表
7、空间信息和河流水力信息校准水文模型参数。水量平衡方程公式为:,()式中:为流域出口流量;为降水量;为蒸散发量;为流域总储水变化。遥感技术能够提供与水文要素密切相关的观测数据,帮助水文模型估算水量收支以反演河道流量。等结合 总水储量变化、降水和 蒸散发遥感产品,利用水文模型成功反演出黄河流域河道流量;等比较了 种卫星蒸散发产品的精度并对其进行融合,结合 卫星降水产品成功评估了红河流域水储量变化和多年流量,研究表明通过对不同卫星遥感产品数据进行同化处理,有助于提高 反演精度,并验证了利用全球卫星数据产品和分布式 估算流量在缺资料地区的适用性;等研究同化不同遥感土壤水分数据对水文模型河道流量模拟的影
8、响,结果表明即使采用简单的同化技术,对于所有土壤水分数据,模型流量估算精度也有普遍改进;等使用 种常用的卫星降水产品作为水文模型的驱动数据,用于估算中国湿润地区赣江流域河道径流,得出结论水文模型的选择比卫星降水产品的选择更重要,因为水文模型能够通过参数校准抵消不同降水输入对径流模拟的影响。水文模型通常需要参数校准才能正常使用,在缺资料地区遥感数据被视为校准水文参数、验证水文模型的重要来源。等采用了一种基于水文特征相似性和有观测数据流域与无资料流域的空间邻近性相结合的校准策略,即使用有流量观测数据的流域模型参数率定结果推算无资料流域的模型参数,并在非洲 个流域内成功应用,此方法有效提高了水文模型
9、在无资料地区应用的可靠性和覆盖范围;等将 星载雷达测高数据用于南美洲亚马孙河的水文模型参数率定,结果表明在水文模型参数率定时采用雷达测高数据能得到模型合理参数;等使用河流水位和河流宽度对美国北部红河进行水文模型参数率定,分析表明采用此方法能够估算大型无资料地区河流的流量;等探讨了青藏高原雅砻江上游流域采用遥感河流宽度校准水文模型的可靠性,得出结论对于中型无资料地区,仅基于高精度遥感河宽数据校准的水文模型能够估算河道流量;等通过数据同化研究了()卫星校准水文模型的潜力,结果表明 数据可以改善水文模型的径流模拟;等使用类 数据校准水文模型,估算了雅鲁藏布江和拉萨河的流量,纳什效率系数(,)分别达到
10、 和 。水文模型对于大尺度流域估算长时间序列的河道流量具有较好适用性,并且能够解析流域范围内的水文循环过程。总体上采用水文模型进行河道流量反演的不足体现在 个方面,即输入不确定性、模型不确定性和参数不确定性。尽管目前卫星遥感技术能够提供高时间分辨率的水文模型驱动数据,但空间分辨率往往较低,且不同卫星数据产品精度、分辨率存在差异,导致该方法反演结果的误差是各驱动数据源的累积,在量化每个卫星遥感产品的误差方面都存在挑战;其次,因为各模型结构、流域形态的刻画、水文过程描述和物理基础概念的不同,导致各模型最终模拟结果存在很大差异,在如今各卫星遥感数据精度和分辨率不断提高的背景下,模型本身对反演精度的影
11、响越来越明显,定量分析各模型适用区域范围存在难度;最后,参数校准要求很高,高度依赖地面观测数据进行参数率定,并且良好的校准参数可移植性低,不能保证在邻近地理区域以及气候或下垫面发生显著变化时流量的演算精度。基于经验回归方程估算流量在单站水力几何(,)中,存在宽度和流量、深度和流量、流速和流量 种经验关系,基于经验回归方程估算流量本质即根据可获取得的遥感观测数据估算上述 个自 然 资 源 遥 感 年要素,利用估算的要素推算流量。河流宽度、深度和流速与流量的经验公式分别为:,(),(),()式中:为河流宽度;为河流深度;为河流流速,为河流流量;,和 为经验参数。水位 流量经验曲线法传统水文站监测河
12、流流量,通常是在不同时期多次测量过水断面面积和断面平均流速进而得到实测流量,随后建立观测水位与观测流量之间的经验关系曲线,这样在以后工作中,只需要观测河流水位,就可以通过水位 流量关系曲线估算河道流量。当前可以通过遥感技术观测水面高程,与附近地面实测流量数据结合反演河道流量。和 等 先后选取了鄂毕河与 亚 马 孙 河 的 个 水 文 站 点,建 立 了 ()卫星高程测量数据导出的水位与水文站实测流量的经验关系式,结果表明 卫星测高数据可以成功应用于大型流域的部分河道流量演算;等还在勒拿河的研究中,利用河道支流的观测数据和中游的 卫星测高数据相结合,建立了 个虚拟测站水位 流量曲线,估算了流域下
13、游的月流量和年流量,提高了演算空间覆盖范围度;等利用 和 测高卫星数据,结合地面实测河道断面估算了湄公河流量,并明确指出卫星测高数据对河道流量 估 算 和 提 高 估 算 精 度 有 巨 大 潜 力;等 结合了 ,和 卫星测高数据导出的河流高度,以及水文站实测日径流量,得出了 年恒河雅鲁藏布江的月平均流量数据集,在此基础上使用 测高数据将该数据集拓展到 年;等利用常规水文站水位和 测高数据导出的水位,结合 卫星数据,开发了一种基于水位反演流量的半自动方法,与常规方法相比反演精度更高并能监测地表水域变化。基于河流断面水位遥感估算河道流量的不足主要为适用范围局限、精度不高和时间分辨率低。首先水位
14、流量关系曲线依赖于现场水文资料观测,如前所述全球水文测站的减少与数据共享的限制,此方法演算的流量数据往往是作为有水文资料区域的补充;另一个限制是由于目前卫星高度计的空间分辨率,该方法仍然局限于上千米宽的河流估算。其次,影响水位 流量经验关系的因素较多,如泥沙沉淀改变河床形态或人类活动修建水库等,都会导致演算精度的降低,可能需要经常重新测量水深和流量校准经验公式。另外,反演河流水位的测高卫星重返周期较长,如 和 重返周期为 以及 和 重返周期为,无法估算更精细的时间尺度流量。河宽 流量经验曲线法相比于河流水位,河流宽度更容易从多源遥感数据中获得,如合成孔径雷达(,)和光学卫星等。利用遥感测量得到
15、的河流宽度或平均河流宽度,结合地面测站数据,可以得到河宽与流量之间的经验关系,进而估算河道流量。等 基于 影像和 影像提取的河流宽度建立宽度 流量关系曲线反演出 条北半球高纬度地区辫状河流量,发现采用此方法可以有效预测偏远地区大型河流的流量,并且同一段河流的上下游水面宽度变化有较强的相关性,在河流长度足够长时,可以将建立的河宽 流量关系曲线延用到河流其他位置;等针对 不能频繁采样和光学传感器易受云层影响的问题,提出了一种从空间不连续图像提取河流宽度估算流量,在美国塔纳诺河应用的相对误差仅;等提出基于分位数函数的河流流量遥感估算方法,通过实测流量和计算河宽的分位数函数来构建河宽 流量曲线,这种方
16、法不需要流量数据与卫星图像同步观测,在非洲尼日尔河的验证结果估算均方根误差为。该算法不足在于依然需要地面实测径流数据,并且对于平坦地形上的河流和中小河流,河流宽度随流量变化幅度微小时也无法采用此算法。对于算法需要的 和光学卫星影像都有自身的局限性,影像会受到植被散射影响,光学影像会受到云层和植被的限制。信号法在一些河流中水面宽度随流量的变化很小,需要足够高空间分辨率的卫星传感器反复观测,这一点通常难以达到。然而河道水面面积和河道水面宽度为正相关关系,所以河段地表水区域的成像能替代河流水面宽度作为流量反演的近似指标。等基于 的微波扫描辐射计()波段,根据不受河流影响的陆地像元(像元)与位于河道的
17、水体像元(像元)二者的亮温比值,提出估算河道流量的 信号法。要求选取的 像元位于河流附近始终不被水体淹没的陆地上,像元部分或完全覆盖河道,其亮温随水第 期李和谋,等:遥感估算河道流量研究进展体变化影响较大。据此得到 比,结合地面实测径流建立线性回归方程反演河道流量。方法简单、具有鲁棒性,已应用于“全球洪水探测系统”。等将 时间序列法在全球多个流域进行应用,采用 被动微波辐射数据在美国 条实测径流数据充足的河流可以实现日尺度径流模拟,在实测数据有限的欧洲、亚洲和非洲也能进行月尺度流量模拟;等采用空间分辨率更高的 光学图像提取每个水文站周围的 比估算了意大利北部波河流量,结果优于采用 数据的 信号
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