甘 容 陶 洁

(1.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；2.河南省地下水污染防治与修复重点实验室，河南 郑州 450001；3.郑州市水资源与水环境重点实验室，河南 郑州 450001)

水文学是人类从利用水资源开始，在长期水事活动过程中，不断地观测、研究水文现象及其规律性而逐步形成的一门科学，是地球科学的一个分支。水文学既包含基础研究内容，如水循环转化机理及过程，也包括水文学应用服务内容[1]。由于客观世界的复杂性、广泛存在的不确定性以及人类认识上的局限性，水文学仍有许多难点问题在理论上和实际应用中未能很好解决。随着现代科学技术的发展，研究手段不断改进，水文学也在不断发展之中。

遥感技术是指不直接接触物体，主要依赖电磁波进行信息传递，从远处通过探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息，经过对信息的处理，在不与被研究对象直接接触的情况下，实现远程识别物体的技术。根据遥感平台可将遥感分为地面遥感、航空遥感、航天遥感；根据电磁波谱可分为紫外、可见光、红外、微波、多光谱遥感；根据电磁辐射能源可分为被动遥感、主动遥感；根据应用目的可分为农业遥感、林业遥感、地质遥感及环境遥感等。

遥感技术改变了传统获取信息的方式，可以同时收集多种类型的数据信息，实现数据的实时上传，工作周期短；且不受时间和地域的限制，使用范围广泛；依托于现代科技，减少了烦琐的人工劳动，降低了成本，已成为现代探测与诊断技术之一[2]。遥感技术在水文水资源方面得到了很好的应用，傅国斌等[3-4]探讨了遥感技术在水文学中的应用尺度问题及研究进展；张炜等[5]阐述了遥感技术在现代水文学中的应用。近年来，随着我国科技水平的不断提升，遥感技术得到了突飞猛进的发展，在水文学中的应用也有了长足的发展。对此，本文在广泛阅读2017—2018年相关文献的基础上，系统梳理了中国近年来遥感技术在水文学的应用研究进展。

1 遥感技术在水文学中的应用

1.1 水域及土地利用变化中的应用

1.1.1 水域面积的识别

水体的反射特征与植被、裸地等其他地物有所差异，使其在遥感影像图中容易辨识。在具体应用中主要分为3个方面：

a.基于遥感的水体信息提取，偏重于方法上的应用创新。地表水体同建筑物、山体等在光谱特征上，有一定的类似性，在用遥感影像提取时容易出现混淆，针对这个问题可以采用一种基于面向对象和人工蜂群的地表水体提取方法，利用DEM与遥感综合、简化的脉冲耦合神经网络、稀疏表达方法等方法，可以提高水体提取精度。

b.通过不同时期的遥感监测，得到不同时期的水域面积，进而探讨水域面积动态变化时空特征及影响因素。此类研究文献较多，一些学者基于遥感数据，分别开展了不同时期武汉市、云贵高原、青海湖湖泊水域面积动态变化的遥感监测与分析。

c.城市不透水面估算。主要进展为基于遥感数据，提出了采用随机森林模型与支持向量机模型对城市不透水面进行更为精确的提取和估算[6]。

1.1.2 土地利用变化

土地利用/植被覆盖是土地资源规划及管理的信息保障，是区域环境与气候研究的基础。遥感技术是提取土地利用/植被覆盖的重要手段。近年来的研究主要分为两个方面：

a.提取方法。通过对比研究，提出了采用最大似然法、时间序列HJ卫星数据与面向对象的分类方法，基于物候参数和面向对象法来提取土地利用/植被覆盖信息。

b.扩展应用。基于遥感影像数据，在获得土地利用/植被覆盖的基础上，部分学者开展了时空变化特征、喀斯特地貌景观格局、生态输水影响、生态服务价值测算、气候变化的响应、森林景观格局稳定性、城镇用地扩张、沙漠化分析研究。

1.2 水循环及水文模型中的应用

1.2.1 降水

降水是流域水循环过程及水量平衡的重要环节，也是水文气象的重要因素。与气象站观测降水数据相比，遥感降水产品能够更好地反映降水的空间分布特征，且能弥补无气象站实测资料的缺憾。由于遥感降水数据存在很大的不确定性，需要通过一定的方法进行校正后才能使用，也可以与研究区的实测降水数据进行对比，评价其效果。近年来关于遥感技术在降水应用中取得的进展，主要体现在对不同数据源的遥感降水产品的精度及适用性的评价研究。另外，还体现在对遥感降水产品数据处理的方法方面，如降水数据的降尺度研究、复合校正方法、反演与验证研究。随着遥感技术的发展，可以应用多参数雷达遥感监测区域实时降雨强度，进而应用到城市内涝防治体系、城市雨洪等方面。

1.2.2 蒸散发

蒸散发是水循环过程的重要组成部分，影响着水体、土壤、植被和大气之间的水量交换。大尺度上的实际蒸散发不能被直接观测，遥感技术也不能直接得到蒸散发数据，但是可以通过对相关遥感数据的处理，借助一定的方法和模型估算反演得到区域蒸散发量。如可采用地表能量平衡原理、SEBS模型、随机森林算法等进行长时间序列的蒸散发量监测和反演。

1.2.3 冰雪水文

冰川和积雪是重要的淡水资源，其分布决定着融冰融雪径流。遥感技术在冰雪水文方面的应用主要体现在以下3个方面：

a.冰川变化的遥感监测。主要基于不同时期的遥感影像数据，采用一定的方法提取冰川信息，进而分析冰川的变化趋势特征。如一些学者分别开展了哈尔里克山脉、青藏高原东南部岗日嘎布山、唐古拉山西段、东帕米尔高原昆盖山、天山南伊等地区的冰川变化研究。

b.雪线监测及提取方法。冰川雪线高度的遥感提取对冰川物质平衡研究具有重要意义，可采用一种基于晴空环境下积雪覆盖频率的方法来提取雪线高度[7]。

c.积雪分布。主要为基于遥感积雪产品数据，开展积雪产品算法和积雪时空分布特征的研究。

1.2.4 径流及水文模型

径流量是流域水文计算和水循环的关键因素。遥感技术在径流方面的应用主要是基于遥感信息，借助水文模型来估算或模拟河川径流。如针对无资料或少资料区，提出了一种水力学与遥感相耦合的径流反演模型。

水文模型是将复杂的水文现象和过程，用模拟的方法概化后的近似的科学模型。模型包括输入和输出部分，降水数据是水文模型输入的主要参数之一，将不同的遥感降水数据引入到水文模型中已成为区域水文模拟的热点。现已评估了不同的卫星遥感降水数据在VIC模型、MIKE SHE模型、三水源新安江等模型中的应用效果，并开展了水文过程及洪水过程模拟。遥感技术在水文模型其他方面的应用也有一些进展，如构建了河流水生物理生境遥感评价模型；建立了适用于多种卫星数据且精度较高的太湖水体漫衰减系数估算模型。

1.3 水文效应及旱情监测

1.3.1 土壤水盐

土壤水分是作物旱情诊断及灌溉管理的参数，监测土壤水分可以提高水分利用效率；土壤盐渍化已是全球性的环境问题，土壤有机质是目前土壤质量评价的重要指标。近年来遥感技术对土壤水盐监测的应用进展主要体现在以下两个方面：

a.如何进行土壤水分遥感反演或提高土壤水分遥感反演的精度。不同的学者提出了不同的方法，有植被供水指数VSWI模型法、改进植被指数法，利用试验反射光谱数据等进行土壤水分的遥感反演，但缺乏对这些方法的适用条件的评价。

b.土壤盐分及有机质的遥感反演研究。将遥感数据与实测土壤盐分数据相结合，可以提高盐渍化土壤的判别精度，且光谱变换会影响黑土养分含量的高光谱遥感反演；基于遥感数据，构建包含含水量变化与有机质含量信息的多光谱指数，建立土壤有机质的遥感反演模型[8]。

1.3.2 地表温度

地表温度是驱动土壤热状态的主要因子，是一些地表过程模型的输入参数之一。和降水数据一样，传统方法获取的地表温度数据一般来自气象站点，范围小且不连续。遥感反演地表温度是估算地表辐射和能量收支平衡的重要手段。在近期研究中，主要为如何提高遥感反演地表温度的精度及稳定性。冬季由于对云与雪的混淆，可能导致大量MOD11A1地表温度产品的数据缺失，影响其在东北冻土区的使用，可以利用劈窗算法反演少云或无云的MODIS1B卫星影像，估算地表温度[9]。进一步扩展应用方面，基于TM影像数据，利用单窗算法反演可得到主城区地表温度，并基于SPOT影像数据，提取城市绿地斑块，分析绿地对城市热岛地温格局的影响[10]；基于卫星遥感数据，采用逐日百分位数法，确定极端高温事件，用来探讨城市集群化发展对极端高温事件的影响[11]。

1.3.3 旱情监测

干旱的频繁发生和长期持续，不仅会造成经济损失，还会带来荒漠化加剧、水资源短缺等一系列环境问题。区域旱情的监测主要取决于土壤水分的监测。遥感技术在旱情监测方面的应用进展主要体现在以下两个方面：

a.利用不同的遥感数据源，求得温度植被干旱指数(TVDI)，进而监测区域旱情。

b.卫星遥感降水数据在干旱监测中的应用。降水是众多干旱指标计算所需的直接或间接参数，基于卫星遥感反演的降水数据产品，具有较高的时空分辨率和较广的覆盖范围，弥补了地面站点在空间分布上的不足，为干旱指标的计算提供了新的数据源。需要比较分析基于站点实测数据和卫星降水产品数据计算的各干旱指数，综合评估卫星降水产品在研究区的干旱监测与评估效用[12]。

1.3.4 地下水位

地下水是水资源的重要组成部分，尤其在内陆干旱区，由于降水稀少，地下水是绿洲生存的主要水源，地下水位动态变化与生态环境问题有着密切的联系。传统的地下水位获取主要是通过单点打井观测地下水位，该方法成本高，耗时费力，且代表性差，无法实现大面积的地下水位的监测和评价，通过遥感技术监测地下水位可以弥补此方法的不足。基于Landsat遥感数据和气象数据，反演得到地下水位。而且利用MODIS卫星遥感数据，建立植被覆盖时空数据集，可分析植被覆盖变化对地下水位埋深的响应[13]。

1.3.5 水库-库容曲线

水库-库容曲线是水库调度及运行管理的重要依据。传统库容曲线校核费时费力且成本高。利用基于遥感技术的水体信息提取方法，提取得到库区内的水体面积，结合影像成像时间对应的实测水库水位值，根据统计原理拟合得到水库的水位-面积曲线，从而推算出其水位-库容曲线；也可基于ETM+遥感影像及实测水位数据，推导出研究区的水位-水面面积函数关系，运用积分方法得到库容曲线[14]。

1.4 水生态环境中的应用

1.4.1 湖泊水化学

遥感技术在湖泊水化学方面的研究，主要体现在建立遥感参数与湖泊水化学特征参数之间的反演模型。湖泊透明度是湖泊水体性质的重要参数之一，是有机和无机颗粒进入湖泊的溶解程度及湖泊浮游生物的综合反映。遥感影像是获取时间长、面积广的湖泊透明度的重要手段，基于MODIS遥感影像数据及湖泊实测透明度值，建立了湖泊水体透明度MODIS遥感反演模型[15]。湖泊水体中的有色可溶性有机物(CDOM)是湖泊生态系统中氮、磷等有机营养物质的重要来源，利用卫星遥感数据可反演水体中CDOM浓度。磷是生物体组成的元素，也是引发湖泊水体富营养化的关键因子，为了改进传统总磷采样的缺点，进行实时监测，可利用卫星遥感数据，采用最小二乘支持向量机遥感反演总磷质量浓度的监测方法[16]。

1.4.2 湿地

湿地是一种介于陆地和水域之间的过渡生态系统，有其独特的生态功能和价值。湿地水文特征参数在水资源合理配置规划及灾害预警中具有重要的地位，可依据多源多时相遥感数据，反演得到湿地水文特征参数，构建湿地水文特征参数综合反演技术框架体系[17]。遥感技术在湿地方面的应用，主要体现在基于不同时期的遥感影像数据，采用一定的算法解译得到湿地资源、湿地景观、湿地植被覆盖度、湿地面积等，并分析其时空变化特征。然而由于外部环境的影响同一类地物可能表现出强烈的光谱差异，而不同的地物类型，由于自然植被没有明显的边界，可能表现出很强的同质性，从而影响湿地遥感分类的精度，针对该问题，提出采用卷积神经网络方法，进行高分辨率湿地遥感影像的分类研究。

1.4.3 沙尘

风将大量沙尘卷入大气中，导致大气水平能见度小于1km的灾害性天气现象，称为沙尘天气。卫星遥感技术可以对沙尘过程进行实时动态监测, 悬浮的沙尘粒子与大气中其他物质对不同通道的散射和吸收存在差异，利用差异特征，可从遥感影像上判别沙尘暴的位置和移动轨迹。基于Himawari 8静止卫星数据，实现了对华北地区沙尘污染的起源、行进轨迹和形成过程的24小时的三维动态观测[18]；通过MODIS真彩色合成影像和热红外波段亮度温度差识别、提取沙尘信息，可以实时、快捷地获取沙尘来源、沙尘天气影响过程和范围[19]。

1.4.4 水土流失监测

为了掌握区域水土流失变化规律与发展趋势，需要开展水土流失动态监测。植被覆盖度是水土流失的主要影响因子，利用高分辨率遥感影像，可以获取研究区土地利用和植被覆盖因子，评价水土流失状况、水土保持措施等。在近期进展中，主要为如何准确、快速有效地使用遥感影像数据，获取植被覆盖度信息，进行水土流失监测。基于水利部颁布的土壤侵蚀分类分级标准，构建了一种水土流失遥感监测土地利用现状分类体系[20]。

1.4.5 生态系统评价

生态系统健康是保证生态系统服务功能的前提，遥感技术的广泛应用，为生态系统健康的监测和评价提供了更有效的手段。进行生态系统健康评价，关键是要建立评价指标体系，针对海岸带陆域生态系统健康评价，可从资源环境、人类活动、景观生态3个方面，按活力、恢复力和组织力3个子系统选取代表性指标，构建遥感技术支持下的评价指标体系[21]。利用遥感和GIS空间分析相结合的方法，将研究区划分为不同的单元，考虑不同类型区域的生态评价的适用性问题，进行不同尺度上的生态健康评价。为进一步解决评估生态系统时尺度转换及系统性评估弱的问题，构建了小尺度潮间带生态系统遥感综合评估方法[22]。

1.5 其他方面的应用

此外，遥感技术还有在其他方面的应用研究。借助GRACE重力卫星可反演得到研究区的水储量，进而分析水储量的时空动态变化及其影响因素；基于卫星遥感技术，可开展河流河势演变分析；评价高分遥感立体影像提取黄土丘陵区切沟参数的精度；基于高分辨率遥感影像，进行远程崩滑灾害的判识与评估，研究城市“源”“汇”景观格局与大气霾污染的相关关系等。

2 结 论

a.遥感技术可提供面源而非点源信息, 且不受地域和时间的限制，可获得常规手段无法测量到的水文参数和变量, 从而提供动态的、连续的和长期的大范围数据资料，在水文学方面得到了广泛的应用。

b.遥感技术在水文学中的应用进展主要体现在两个方面：ⓐ方法上的创新，研究如何提高基于遥感数据的提取精度，如何提高水文变量的反演模型等，从而获得准确的水文参数数据信息；ⓑ应用领域的拓展，基于遥感技术得到水文参数或变量，进而分析不同的水文现象和变化规律，可为水文预测、防洪抗旱、灾情预警、水环境保护等提供有力的支持。

c.由于遥感技术获取的数据信息量大，也会出现一定的局限性，目前遥感在水文学中的应用还受到传感器、分辨率以及解译精度等的影响。在进行相关应用研究时，需要进行规范的、有目的的筛选整理，应充分利用但不能盲目依赖遥感技术，可采用遥感技术与传统监测相结合的方式，取长补短，更好地为水文学的研究提供准确的数据保障。

d.随着科技的发展，可针对水文学中的具体问题，发射遥感卫星，进行更为专业化、精细化的模拟研究。各种遥感技术获取的遥感数据集具有典型的大数据特征，随着大数据的兴起，运用大数据思维与手段，可从多种来源、多种分辨率、多种频段、多种介质的海量遥感数据中获取更多有价值的水文信息，遥感大数据在水文学中的应用将有很好的发展前景。