跨時空遙感應用理論及其在水利行業的應用

文|付俊娥 路京選 龐治國 王明月 曲偉

1.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心/中國水利水電科學研究院 2.山西大學

一、跨時空遙感應用理論的內涵

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

跨時空遙感應用理論是針對各種遙感應用所普遍存在的跨時空分析特征，綜合利用各種遙感理論與技術，通過與GIS空間分析、時間過程模擬等技術的集成，解決跨時空遙感分析應用中多源與多時相的時空分布遙感信息的數據同化與融合等技術問題，為各種遙感應用提供具有普適性的方法論。跨時空遙感應用理論的提出，為今后的綜合定量遙感應用指出了新的發展方向，研究視野將更為開闊，研究結果也將更加面向實際問題的解決。跨時空遙感應用理論的技術架構如圖1所示。

圖1 跨時空遙感應用理論的技術架構

二、跨時空遙感監測技術

跨時空遙感應用理論涵蓋各分支遙感應用學科方向的所有服務對象，將直接面向各種應用需求，通過解決一系列的跨時空遙感監測技術，提供能滿足用戶需求的時空分布的監測目標識別與變化檢測信息、監測參數的定量反演與時空分布分析結果、信息與知識挖掘結果、物理過程的計算機再現等。從目前的主要研究領域看，跨時空遙感監測技術應重點研究多源遙感信息同化、遙感信息時間序列分析、多時相遙感信息同化與變化檢測、時空遙感信息與過程模擬模型耦合、遙感信息空間分析、遙感信息尺度效應分析與尺度轉換、遙感制圖與地理制圖歸一化等關鍵技術問題。其中，跨時空遙感信息的獲取與處理方法是基礎，多源、多尺度時空分布遙感數據的無縫化融合與同化是保障，GIS 等空間分析、時間序列分析、過程模擬、信息挖掘等支撐手段是關鍵，面向應用的跨時空信息綜合分析與應用是目標，實現“小時-日-月-周-年”等不同時間尺度與“厘米-米-百米-千米-流域”等不同跨時空尺度的應用服務。時空遙感信息與過程模擬模型的耦合成為推動遙感跨時空定量應用的重要方向。

三、跨時空遙感應用理論在水利行業的應用

遙感技術作為一種新興技術，其及時、客觀、可追溯、不受地域限制的優勢，為新時期水利信息化發展提供了新的手段[2]。我國水利遙感應用始于1980年，經過近40年的發展，已廣泛應用于各項水利業務中，發揮著越來越重要的技術支撐作用。水利遙感作為遙感應用的重要領域，在跨時空遙感應用理論方法實踐方面做了大量研究工作，在流域尺度遙感數據、流域信息的獲取與處理等共性基礎技術方面，在面向服務于水資源、水環境、水生態、河道治理、涉水災害定量遙感專題應用，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鍵理論、技術、方法等新時代水利問題都做了深入系統的探索，提出了有效的解決方案。

1.跨時空多源多尺度定量遙感產品獲取與處理

要獲取時空連續的水利遙感監測產品的最大難點，就是如何將瞬時的空間分布遙感數據有效擴展到時空過程上。通過梳理當前多星種、多傳感器、多分辨率共同發展的現狀，綜合考慮衛星軌道、傳感器性能、天氣條件等因素影響，有效利用多源、多尺度、多時相的遙感觀測數據，研究并形成了一套跨時空多源、多尺度定量遙感產品獲取與處理方法。該研究屬于跨時空遙感應用理論中的遙感應用共性技術，體現了基于跨時空遙感理論的多源遙感信息同化、尺度轉換等過程。具體研究內容包括：不同時空分辨率遙感數據的互補技術、地面控制點不足條件下的遙感影像幾何糾正技術、面向應用的定量遙感融合與處理技術以及生產符合水利業務需求及時空精度要求的時空無縫的遙感數據產品，具備了長期、持續、及時提供水利業務信息服務的能力。

2.跨時空水資源利用遙感定量監測

水資源的監測與保護具有極其重要的戰略意義。利用遙感技術進行水資源調查可以克服傳統手段高投入、長周期、低效率的缺點，可快速準確地進行區域水資源狀況調查，為水資源開發利用提供科學的數據。針對湖庫水量隨時間波動與變化趨勢的研究比較缺乏的現狀，基于多源、多尺度、多時相的遙感觀測數據，在對湖庫水域范圍提取的基礎上，利用湖盆DEM數據，依據多期水域面積遙感監測結果和相應時段的水面高程值，建立水域面積-高程-蓄水量變化曲線，連續獲取湖泊蓄水量的年、月動態變化信息，為流域水資源評價管理提供了重要依據。該研究體現了跨時空遙感應用理論中的基于信息挖掘、遙感信息時間序列分析等過程。

3.跨時空水生態環境遙感定量監測

常規的水質監測方法盡管可以精確地測定出某一位置水質的各項參數，但成本高、耗時長、同步性差?；诙嘣?、多尺度、多時相的遙感觀測數據，在水環境遙感特征參數光譜測定的基礎上，構建懸浮物濃度、總氮/總磷濃度、葉綠素a濃度、含鹽量等水環境參數的遙感反演模型，實現了對非洲維多利亞湖、坦噶尼喀湖、柬埔寨洞里薩湖和福建的山美水庫等水環境參數時空分布產品的反演，為流域的水環境評價提供技術支撐（見圖2、圖3）。該研究體現了跨時空遙感應用理論中的基于信息挖掘、遙感信息時間序列分析等過程。

圖2 洞里薩湖水域范圍月際變化

圖3 山美水庫葉綠素濃度空間分布

4.跨時空河道治理遙感定量監測

河道與河口變化的監測也是遙感技術在水利中應用較多的一個領域。河道水沙變化引起河道沖淤變化，河道挖沙引起河勢變化。尤其在跨境河流上，部分河道變化導致的中泓線的變化還會引起國土面積的變化。通過現場高光譜波譜測定與多源衛星多光譜特征分析，建立河道水深反演模型，可獲取多年的河道深泓線的時空動態變化，對于界河河勢監測及相關管理工作具有重要價值。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測體現了跨時空遙感應用理論中的遙感信息空間分析、時間序列分析等過程。水利部多年來對黃河三角洲、珠江口、黑龍江等的河道和河口的動態變化進行持續監測，對相關河口治理、資源環境保護與發展發揮了作用。

5.跨時空涉水災害定量監測與影響評估

我國水旱災害頻繁，地方層層上報的受災面積經常偏大，有時因多次重復計算總和甚至超過其國土面積，而利用遙感技術可以得到最為客觀的受災范圍，得到水利主管部門的認可[2]。水旱災害監測是遙感水利應用開展最早的領域之一，20世紀80 年代研發的洪災遙感監測技術就已進入實用階段。涉水災害遙感監測主要包括災前預測、災中監測、緊急救災和災后重建四類應用，它體現了基于跨時空遙感理論的多時相遙感信息同化與變化檢測、時間序列分析等過程。研究成果主要包括：①洪澇災害遙感定量監測與影響評估技術。耦合多源遙感監測數據和分布式流域洪水模擬模型，實現流域徑流的動態模擬，通過歷史典型洪災期徑流的重現和對流域徑流的動態模擬，實現流域洪澇災害的動態和流域全覆蓋監測，為流域防災減災提供遙感監測產品與災情信息服務。②干旱災害遙感定量監測與影響評估技術。采用野外實地調查和長時間系列遙感監測相結合的方法，利用多種表征植被動態變化指標（歸一化植被指數NDVI、凈初級生產力NPP）、多尺度標準化降水指數SPI和耦合遙感資料的生態過程模型，量化了植被對不同尺度干旱災害的響應，形成了干旱災害遙感監測評估的技術流程。研究成果為開展大范圍干旱時空動態及植被影響評價提供了一個良好的科學技術途徑。③冰湖、堰塞湖災害遙感定量監測與影響評估技術。采用數理統計與人工解譯相結合的方法，開發了冰湖、堰塞湖專題信息自動提取算法，實現了災情信息的快速提取，結合監測區本底水體范圍獲取了冰湖、堰塞湖的淹沒范圍，估算冰湖、堰塞湖的風險等級。這些成果在歷次重特大水旱災害監測中發揮了重要作用。

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

跨區域流域水資源是我國重要的戰略儲備資源，對于我國及周邊國家的經濟社會可持續發展至關重要。這些地區大多地處邊遠，基礎資料缺乏且獲取困難，常規地面觀測手段往往難以奏效，衛星遙感技術自然就成為獲取這些流域基礎資料的必然選擇。針對我國跨區域河流自然環境復雜、背景資料奇缺、科學研究薄弱、遙感應用空白的實際情況，基于多源衛星遙感數據以及遙感反演的水循環參數、下墊面信息、基礎地理要素與共享衛星遙感信息產品，在流域尺度開展了遙感數據與水文模型的耦合研究，建立了多個全遙感信息驅動的跨區域流域分布式水文模型，實現了對流域水資源總量及各水量平衡要素的估算與定量分析，遙感數據支撐程度和模型模擬結果均達到國際同類研究的領先水平。該研究體現出基于跨時空遙感應用理論的多源遙感信息同化、時空遙感信息與過程模擬模型的耦合等過程，為跨時空遙感定量應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域流域得到了實際應用（見圖4、圖5）。

圖4 伊洛瓦底江界河河道變遷分析

四、結論

目前的遙感應用范圍已逐步從區域尺度發展到全球尺度，應用頻次也逐漸由年尺度向月、旬、日、小時等更精細尺度轉變，跨越空間和時間尺度應用的特性日益明顯。未來遙感的發展將從跨時空遙感應用理論這一新視野出發，通過跨越時空遙感信息的綜合利用，達到更好認識地球及其時空變化規律的目的。跨時空遙感應用理論的建立順應遙感學科發展的需要，遙感應用時空觀的提出對今后遙感應用具有參考價值。

圖5 湄公河流域降雨徑流過程