分布式水文模型構(gòu)建中遙感技術(shù)的應(yīng)用

楊 光

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

分布式水文模型構(gòu)建中遙感技術(shù)的應(yīng)用

楊 光

推廣應(yīng)用

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

遙感技術(shù)又稱RS技術(shù)，其與分布式水文模型進(jìn)行深度結(jié)合應(yīng)用，能夠在現(xiàn)代水文技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的作用。文章在對分布式水文模型與遙感技術(shù)進(jìn)行簡要闡述基礎(chǔ)上，重點提出了一種水文遙測信息的反演方法，此種方法主要是針對遙感技術(shù)在分布式水文模型應(yīng)用過程中的降雨系數(shù)及河川徑流和河水蒸發(fā)量、地面溫度及土地/植被覆蓋率、土壤水分等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算驗證。

分布式；水文模型；構(gòu)建方法；遙感技術(shù)；應(yīng)用

近年來，隨著中國水文遙測技術(shù)不斷發(fā)展，水文模型逐漸成為一種不可或缺的技術(shù)分析手段，同時其也成為當(dāng)前水文工作中研究的熱門話題。因此，文章重點從分布式水文模型以及遙感技術(shù)的基本概念出發(fā)，通過對遙感技術(shù)在水文模型構(gòu)建中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，對遼寧省水文信息監(jiān)測以及發(fā)布和利用，奠定科學(xué)的理論基礎(chǔ)。在此分析、計算過程中，主要涉及到的方法為參數(shù)反演法，由于其能夠結(jié)合遼寧省區(qū)域特點對區(qū)域降雨系數(shù)及河川徑流、河水蒸發(fā)量、地面溫度與土地/植被覆蓋率、水分等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算反演，因此其為我國廣大科研工作者今后理論研究與實踐探討，提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 分布式水文模型與遙感技術(shù)簡介

通常而言，按照水文模型在實際構(gòu)建中是否考慮水文過程的隨機(jī)性，可將其分為混合型水文模型與隨機(jī)性水文模型和確定性水文模型3種類型。而結(jié)合水文模型構(gòu)建過程中，水循環(huán)要素的描述程度不同，又可將其分為經(jīng)驗式水文模型與概念式水文模型及物理式水文模型3種；按照研究過程中，水文模型實際研究的空間范圍不同，又可將其分為分布式水文模型與集總式水文模型。由于前一個模型在構(gòu)建過程中，不需要考慮區(qū)域水文要素的實際變化過程和輸入變量及水文要素的幾何特征、水文空間的邊界條件等。因此，模型中的相關(guān)變量只需通過經(jīng)驗公式及力學(xué)公式等進(jìn)行描述分析即可。但是，這種方法相對于分布式水文模型而言，數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)主觀性較強(qiáng)?；诖?，文章主要針對分布式水文模型，結(jié)合遼寧地區(qū)水文情況進(jìn)行遙感分析。

在采用分布式水文模型進(jìn)行分析時，通常需要對水文資料的變化過程及輸入變量和線性邊界條件、空間要素幾何特征等進(jìn)行分析，以此采用微分方程構(gòu)建科學(xué)的數(shù)據(jù)模型。因此，從其實施過程而言，這一技術(shù)具有明顯的空間變異性及數(shù)據(jù)集中、分散輸入/輸出的特點。因此，基于分布式水文模型的MIKE SHE模型以及WSRFS模型和TOPMODEL模型、SWAT模型、SWM模型等，構(gòu)成了總體的分布式集成模型。

遙感技術(shù)又稱RS技術(shù)，這一技術(shù)是一種能夠從空間平臺中，利用電磁波高屋建瓴觀測地球，以此科學(xué)獲取地球表層中相關(guān)信息的方法。由于任何絕對溫度以及零攝氏溫度的物體，都能夠?qū)Σ煌ㄩL的電磁波起到良好的輻射及吸收和反射作用，因此遙感技術(shù)正是充分利用了這一原理，對區(qū)域地物信息進(jìn)行準(zhǔn)確識別，以此獲取相關(guān)的河流流域空間特征信息，最終對流域水文變異性等情況進(jìn)行科學(xué)分析[1]。

2 分布式水文模型構(gòu)建中遙感技術(shù)的實施過程分析

從二者各自的技術(shù)優(yōu)點來看，分布式水文模型能夠結(jié)合水循環(huán)動力學(xué)機(jī)制，科學(xué)對水文現(xiàn)象進(jìn)行合理描述和模擬，以此為分布式水文模型科學(xué)構(gòu)建，提供精確的信息數(shù)據(jù)。所以，這一技術(shù)克服了傳統(tǒng)水文技術(shù)在地面反觀中，觀測站點密度不夠等弊端。而遙感技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，不但能夠為數(shù)據(jù)遙測、感知提供水體特征參數(shù)及土地覆蓋參數(shù)、地形特征參數(shù)等，而且還可對流域內(nèi)的降雨量及河流徑流、蒸發(fā)量、土壤含水率等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計算。因此，其為分布式水文模型科學(xué)構(gòu)建提供了先決條件。遙感技術(shù)正是憑借其精準(zhǔn)以及高速和及時、穩(wěn)定、連續(xù)、可重復(fù)等優(yōu)點，在分布式水文模型中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在水文模型構(gòu)建中，遙感技術(shù)的實施應(yīng)用主要分為2種：①直接估算和測定如研究區(qū)降雨量與實際面積等水文變量與水文參數(shù)；2利用反演機(jī)制，通過遙感技術(shù)實時獲取地表波譜特征，從而對當(dāng)?shù)仃懨鏈囟燃罢羯l(fā)、土壤水分和河川徑流、葉面積指數(shù)、土地實際覆蓋面積等相關(guān)水文參數(shù)進(jìn)行推求[2]。但是，在實際應(yīng)用實施過程中，需要結(jié)合遙感影像技術(shù)，按照以下3個不同步驟對水文參數(shù)進(jìn)行提?。?/p>

1)基于遙感技術(shù)軟件，對區(qū)域內(nèi)原始遙感數(shù)字影像等進(jìn)行稽核校正和解釋等預(yù)處理。

2)對當(dāng)?shù)貐^(qū)域土地地形實際特征及地形原始特征、土壤水體等相關(guān)地物特征參數(shù)進(jìn)行遙感，以此獲取相關(guān)遙測數(shù)據(jù)，科學(xué)制作專題圖。

3)通過對上述各種參數(shù)進(jìn)行科學(xué)反演，以此實現(xiàn)DN值與遙感影像圖之間的科學(xué)轉(zhuǎn)化，從而獲取相應(yīng)的水文參數(shù)值。在此過程中，水文參數(shù)可通過自動方式進(jìn)行提取，最多可得到36000個相關(guān)樣本數(shù)據(jù)。

基于遙感技術(shù)的分布式水文模型構(gòu)建過程中，采用遙感數(shù)字影像獲取水文參數(shù)的技術(shù)流程圖見圖1所示。

具體而言，需要按照如下程序進(jìn)行科學(xué)實施：

2.1 遙感技術(shù)在降水反演中的應(yīng)用

遙感技術(shù)在水文模型構(gòu)建中，首先能夠結(jié)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)及雷達(dá)技術(shù)，通過大氣中的降水粒子，對電磁波進(jìn)行散射與吸收，然后對收集得到的電磁波信息進(jìn)行分析處理，以此科學(xué)確定空間采樣體積中降水、粒子的后向散射能量等。在此基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)技術(shù)，對該區(qū)實際降雨量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算[3]。

隨著我國衛(wèi)星技術(shù)不斷發(fā)展，在水文模型構(gòu)建中，也經(jīng)常利用衛(wèi)星云圖進(jìn)行信息分析，以此確定降雨量。但是，在特殊情況下，衛(wèi)星云圖容易受到云層遮擋。因此，當(dāng)?shù)亟涤炅繜o法通過熱紅外傳感器及近紅外、可見光等進(jìn)行測量。所以基于遙感技術(shù)，在分布式水文模型構(gòu)建的相關(guān)降水反演分析過程中，需要結(jié)合現(xiàn)代衛(wèi)星遙感技術(shù)與傳統(tǒng)地面人工技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量與降水反演。

2.2 遙感技術(shù)在陸面蒸散發(fā)反演中的應(yīng)用

基于遙感技術(shù)對路面蒸發(fā)反演數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取時，通常需要利用間接的下墊面參數(shù)因子，然后借助物理數(shù)學(xué)模型及經(jīng)驗方程式，對路面蒸散發(fā)量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算、分析[4]。在此過程中，如果遙感時相的相關(guān)參數(shù)不同，則按照數(shù)據(jù)分析結(jié)果可得到不同氣候條件下的土壤蒸散發(fā)圖及土壤蒸散發(fā)的年內(nèi)分配圖。但是，在此分析過程中，因區(qū)域內(nèi)氣候及土壤和植被等相關(guān)數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確收集。因此，在構(gòu)建分布式水文模型時，應(yīng)該適當(dāng)對相關(guān)條件及參數(shù)變量等進(jìn)行優(yōu)化，然后在此基礎(chǔ)上，基于遙感技術(shù)，對區(qū)域內(nèi)陸面蒸散發(fā)反演，以此科學(xué)建立能量平衡方程式，具體如下：

Rn+G+H+LE=0

(1)

式中：Rn為在上述平衡公式中凈輻射；G為區(qū)域土壤熱通量；H為區(qū)域土壤顯熱通量；LE為區(qū)域土壤潛熱通量。

在此過程中，微波遙感技術(shù)資料及熱紅外遙感技術(shù)資料，是陸面蒸散發(fā)反演中重要的遙感信息數(shù)據(jù)。

圖1 采用遙感數(shù)字影像獲取水文參數(shù)的技術(shù)流程圖

2.3 遙感技術(shù)在河川徑流反演中的應(yīng)用

在實際數(shù)據(jù)測量分析過程中，由于區(qū)域河川徑流數(shù)據(jù)等不能直接通過任何一種遙感技術(shù)手段來獲取。因此，其只能通過遙感相關(guān)技術(shù)資料，對河川徑流量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行間接估算、分析。故遙感技術(shù)在河川徑流反演計算中的應(yīng)用主要分為2部分：

1)在下墊面技術(shù)資料分析基礎(chǔ)上，采用遙感技術(shù)手段，分別對區(qū)域內(nèi)的地形坡度及蒸散發(fā)量和區(qū)域土壤含水量、地形坡度等相關(guān)水文循環(huán)項等進(jìn)行計算、分析，然后基于能量平衡方程式 “Rn+G+H+LE=0”，對地表河川徑流量等進(jìn)行計算。

2)通過與不同的水文模型進(jìn)行緊密結(jié)合及松散結(jié)合，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)作為分布式水文模型參數(shù)估計及模型構(gòu)建的輸入值[5]。同時，也可在此基礎(chǔ)上構(gòu)建新的水文模型，然后將研究區(qū)內(nèi)不同的干子流域劃為各個水文響應(yīng)單元。在此過程中，各水文響應(yīng)單元的實際水文特征等，需要通過模型進(jìn)行模擬，然后實現(xiàn)分布式水文模型與水文參數(shù)的耦合。

2.4 遙感技術(shù)在陸面溫度反演中的應(yīng)用

由于路面溫度LST會對區(qū)域海陸循環(huán)過程中的能量交換產(chǎn)生重要影響。因此，基于遙感技術(shù)在陸面溫度反演中，主要利用航片及衛(wèi)片資料和布點觀測方式，結(jié)合城市及鄉(xiāng)村中的歷史氣候資料數(shù)據(jù)等，獲取區(qū)域內(nèi)路面實際溫度值。

由于我國遼寧省地區(qū)陸地類型差異很大，因此溫度變化情況非常明顯，采用遙感技術(shù)對該地區(qū)陸面實際溫度值進(jìn)行反演，能夠結(jié)合遙感技術(shù)NOAA/AVHRR的第4、5通道，采用劈窗算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計算，然后獲取如下溫度曲線頁面，以此為分布式水文模型構(gòu)建提供溫度數(shù)據(jù)，見圖2所示。

圖2 遙感技術(shù)在陸面溫度反演中形成的溫度曲線

2.5 遙感技術(shù)在土壤水分反演中的應(yīng)用

相對于上述相關(guān)模型變量而言，分布式水文模型的另外一大關(guān)鍵參數(shù)變量就是區(qū)域土壤水文變量[6]。在傳統(tǒng)水文信息測量過程中，一般基于點位觀測技術(shù)對土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行收集。因此，觀測點分布較少，而且耗費了大量的人力、物力和財力，且成效不高，無法基于區(qū)域內(nèi)的土壤水分進(jìn)行實時、動態(tài)觀測。但采用遙感技術(shù)體系中的微波遙感手段和熱紅外等技術(shù)手段進(jìn)行土壤信息觀測，能夠結(jié)合熱通量方程，對地表土壤及植物熱通量、缺水程度、蒸散程度等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.6 基于遙感技術(shù)能夠科學(xué)提取區(qū)域土地利用/覆蓋信息

遼寧省礦業(yè)較為發(fā)達(dá)，因此在近年來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，人們大量開采及生產(chǎn)，導(dǎo)致區(qū)域土地植被覆蓋率降低[7]。在一定程度上而言，土地覆蓋率與地面下滲以及產(chǎn)匯流、截流及地面蒸散發(fā)和填挖等相關(guān)情況存在密切關(guān)聯(lián)性。因此，在分布式水文構(gòu)建中，通過對上述相關(guān)水文信息進(jìn)行收集，可以構(gòu)建一級以及二級兩個不同的指標(biāo)分類評估體系[8]。因此，在對區(qū)域內(nèi)的水文情況進(jìn)行模型模擬時，就可結(jié)合上述數(shù)據(jù)指標(biāo)屬性及參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)度，設(shè)置相應(yīng)的分布式水文模型參數(shù)，從而合理模擬當(dāng)?shù)厮难h(huán)過程。基于遙感技術(shù)提取的遼寧省某區(qū)域土地利用/覆蓋信息圖見圖3。

圖3 遼寧省某區(qū)域土地利用/覆蓋信息圖

3 結(jié) 語

綜上所述，水文模型是一種水文信息分析的有效手段，其最早可追溯到上世紀(jì)中期，而逐漸到了70—80年代，這一技術(shù)才不斷得到快速發(fā)展與應(yīng)用。在此過程中，同時出現(xiàn)的還有新安江模型、Standford模型及SHE模型和TANK模型等。在此演變發(fā)展過程中，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，遙感技術(shù)及地理信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等多種新型技術(shù)方式逐漸廣泛得到應(yīng)用。文章結(jié)合分布式水文模型及遙感技術(shù)本身的功能特性，對遼寧省區(qū)域降雨系數(shù)及河川徑流、河水蒸發(fā)量、地面溫度與土地/植被覆蓋率、水分等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了反演分析，以此為今后進(jìn)一步研究與拓展深化，奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)。

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Application of Remote Sensing Technology in Construction of Distributed Hydrological Model

YANG Guang

(Jinzhou Hydrology Bureau Liaoning Province, Jinzhou 121000,China)

Remote sensing technology, also known as RS technology, its application in combination with the distributed hydrological model plays a vital role in the field of modern hydrology and technology. This paper briefly expounds the basis of distributed hydrological model and the remote sensing technology,puts forward an inversion method of the hydrology telemetry information, this method is mainly based on RST in distributed hydrological model application in the process of rainfall and runoff coefficient and water evaporation amount, and the land surface temperature vegetation coverage, soil moisture other related parameters are calculated to verify.

distributed; hydrological model; construction method; remote sensing technology; application

1007-7596(2016)11-0094-04

2016-10-26

楊光(1983-)，男，遼寧錦州人，工程師，研究方向為水文水資源勘測、整編、管理工作。

TP79

B