跨时空遥感应用理论及其在水利行业的应用

文|付俊娥 路京选 庞治国 王明月 曲伟

1.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心/中国水利水电科学研究院 2.山西大学

一、跨时空遥感应用理论的内涵

遥感是一门可跨越空间尺度开展分析与应用的空间科学。从小到一个像元到一个地块，从一个区域到一个流域，从一个国家到全球覆盖，所有遥感应用无一不体现出这一显著特征，使得遥感在不同空间尺度都已得到广泛应用。同时，遥感也是一门跨越时间尺度进行变化分析与应用的信息科学。从单一监测指标，如温度、降水等，到各种地物目标的动态监测与时间序列分析，大多数遥感应用也都体现出这一明显特征，时间跨度从小时到日，从月到年，最多可到 40～50 年，甚至更长，使得变化检测成为遥感应用的一个主要方向。由此可见，在遥感应用中普遍存在跨区域监测与再现时间序列变化分析这一显著特征。2015年水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心的路京选教授从遥感应用的新视野，提出了跨时空遥感(Cross Time and Space Rmote Sensing，CRS)应用理论，并认为利用跨时空特征挖掘有效信息必将成为今后遥感应用的一个重要方向[1]。

跨时空遥感应用理论是针对各种遥感应用所普遍存在的跨时空分析特征，综合利用各种遥感理论与技术，通过与GIS空间分析、时间过程模拟等技术的集成，解决跨时空遥感分析应用中多源与多时相的时空分布遥感信息的数据同化与融合等技术问题，为各种遥感应用提供具有普适性的方法论。跨时空遥感应用理论的提出，为今后的综合定量遥感应用指出了新的发展方向，研究视野将更为开阔，研究结果也将更加面向实际问题的解决。跨时空遥感应用理论的技术架构如图1所示。

图1 跨时空遥感应用理论的技术架构

二、跨时空遥感监测技术

跨时空遥感应用理论涵盖各分支遥感应用学科方向的所有服务对象，将直接面向各种应用需求，通过解决一系列的跨时空遥感监测技术，提供能满足用户需求的时空分布的监测目标识别与变化检测信息、监测参数的定量反演与时空分布分析结果、信息与知识挖掘结果、物理过程的计算机再现等。从目前的主要研究领域看，跨时空遥感监测技术应重点研究多源遥感信息同化、遥感信息时间序列分析、多时相遥感信息同化与变化检测、时空遥感信息与过程模拟模型耦合、遥感信息空间分析、遥感信息尺度效应分析与尺度转换、遥感制图与地理制图归一化等关键技术问题。其中，跨时空遥感信息的获取与处理方法是基础，多源、多尺度时空分布遥感数据的无缝化融合与同化是保障，GIS 等空间分析、时间序列分析、过程模拟、信息挖掘等支撑手段是关键，面向应用的跨时空信息综合分析与应用是目标，实现“小时-日-月-周-年”等不同时间尺度与“厘米-米-百米-千米-流域”等不同跨时空尺度的应用服务。时空遥感信息与过程模拟模型的耦合成为推动遥感跨时空定量应用的重要方向。

三、跨时空遥感应用理论在水利行业的应用

遥感技术作为一种新兴技术，其及时、客观、可追溯、不受地域限制的优势，为新时期水利信息化发展提供了新的手段[2]。我国水利遥感应用始于1980年，经过近40年的发展，已广泛应用于各项水利业务中，发挥着越来越重要的技术支撑作用。水利遥感作为遥感应用的重要领域，在跨时空遥感应用理论方法实践方面做了大量研究工作，在流域尺度遥感数据、流域信息的获取与处理等共性基础技术方面，在面向服务于水资源、水环境、水生态、河道治理、涉水灾害定量遥感专题应用，以及遥感与水文模型耦合的流域尺度降雨径流过程定量分析等方面的关键理论、技术、方法等新时代水利问题都做了深入系统的探索，提出了有效的解决方案。

1.跨时空多源多尺度定量遥感产品获取与处理

要获取时空连续的水利遥感监测产品的最大难点，就是如何将瞬时的空间分布遥感数据有效扩展到时空过程上。通过梳理当前多星种、多传感器、多分辨率共同发展的现状，综合考虑卫星轨道、传感器性能、天气条件等因素影响，有效利用多源、多尺度、多时相的遥感观测数据，研究并形成了一套跨时空多源、多尺度定量遥感产品获取与处理方法。该研究属于跨时空遥感应用理论中的遥感应用共性技术，体现了基于跨时空遥感理论的多源遥感信息同化、尺度转换等过程。具体研究内容包括：不同时空分辨率遥感数据的互补技术、地面控制点不足条件下的遥感影像几何纠正技术、面向应用的定量遥感融合与处理技术以及生产符合水利业务需求及时空精度要求的时空无缝的遥感数据产品，具备了长期、持续、及时提供水利业务信息服务的能力。

2.跨时空水资源利用遥感定量监测

水资源的监测与保护具有极其重要的战略意义。利用遥感技术进行水资源调查可以克服传统手段高投入、长周期、低效率的缺点，可快速准确地进行区域水资源状况调查，为水资源开发利用提供科学的数据。针对湖库水量随时间波动与变化趋势的研究比较缺乏的现状，基于多源、多尺度、多时相的遥感观测数据，在对湖库水域范围提取的基础上，利用湖盆DEM数据，依据多期水域面积遥感监测结果和相应时段的水面高程值，建立水域面积-高程-蓄水量变化曲线，连续获取湖泊蓄水量的年、月动态变化信息，为流域水资源评价管理提供了重要依据。该研究体现了跨时空遥感应用理论中的基于信息挖掘、遥感信息时间序列分析等过程。

3.跨时空水生态环境遥感定量监测

常规的水质监测方法尽管可以精确地测定出某一位置水质的各项参数，但成本高、耗时长、同步性差。基于多源、多尺度、多时相的遥感观测数据，在水环境遥感特征参数光谱测定的基础上，构建悬浮物浓度、总氮/总磷浓度、叶绿素a浓度、含盐量等水环境参数的遥感反演模型，实现了对非洲维多利亚湖、坦噶尼喀湖、柬埔寨洞里萨湖和福建的山美水库等水环境参数时空分布产品的反演，为流域的水环境评价提供技术支撑（见图2、图3）。该研究体现了跨时空遥感应用理论中的基于信息挖掘、遥感信息时间序列分析等过程。

图2 洞里萨湖水域范围月际变化

图3 山美水库叶绿素浓度空间分布

4.跨时空河道治理遥感定量监测

河道与河口变化的监测也是遥感技术在水利中应用较多的一个领域。河道水沙变化引起河道冲淤变化，河道挖沙引起河势变化。尤其在跨境河流上，部分河道变化导致的中泓线的变化还会引起国土面积的变化。通过现场高光谱波谱测定与多源卫星多光谱特征分析，建立河道水深反演模型，可获取多年的河道深泓线的时空动态变化，对于界河河势监测及相关管理工作具有重要价值。河口是陆地和海洋的交汇处，河流径流与海流共同作用造成河口泥沙淤积延伸或侵蚀后退。河道治理遥感定量监测体现了跨时空遥感应用理论中的遥感信息空间分析、时间序列分析等过程。水利部多年来对黄河三角洲、珠江口、黑龙江等的河道和河口的动态变化进行持续监测，对相关河口治理、资源环境保护与发展发挥了作用。

5.跨时空涉水灾害定量监测与影响评估

我国水旱灾害频繁，地方层层上报的受灾面积经常偏大，有时因多次重复计算总和甚至超过其国土面积，而利用遥感技术可以得到最为客观的受灾范围，得到水利主管部门的认可[2]。水旱灾害监测是遥感水利应用开展最早的领域之一，20世纪80 年代研发的洪灾遥感监测技术就已进入实用阶段。涉水灾害遥感监测主要包括灾前预测、灾中监测、紧急救灾和灾后重建四类应用，它体现了基于跨时空遥感理论的多时相遥感信息同化与变化检测、时间序列分析等过程。研究成果主要包括：①洪涝灾害遥感定量监测与影响评估技术。耦合多源遥感监测数据和分布式流域洪水模拟模型，实现流域径流的动态模拟，通过历史典型洪灾期径流的重现和对流域径流的动态模拟，实现流域洪涝灾害的动态和流域全覆盖监测，为流域防灾减灾提供遥感监测产品与灾情信息服务。②干旱灾害遥感定量监测与影响评估技术。采用野外实地调查和长时间系列遥感监测相结合的方法，利用多种表征植被动态变化指标（归一化植被指数NDVI、净初级生产力NPP）、多尺度标准化降水指数SPI和耦合遥感资料的生态过程模型，量化了植被对不同尺度干旱灾害的响应，形成了干旱灾害遥感监测评估的技术流程。研究成果为开展大范围干旱时空动态及植被影响评价提供了一个良好的科学技术途径。③冰湖、堰塞湖灾害遥感定量监测与影响评估技术。采用数理统计与人工解译相结合的方法，开发了冰湖、堰塞湖专题信息自动提取算法，实现了灾情信息的快速提取，结合监测区本底水体范围获取了冰湖、堰塞湖的淹没范围，估算冰湖、堰塞湖的风险等级。这些成果在历次重特大水旱灾害监测中发挥了重要作用。

6.遥感与水文模型耦合的流域尺度降水径流过程定量分析技术

跨区域流域水资源是我国重要的战略储备资源，对于我国及周边国家的经济社会可持续发展至关重要。这些地区大多地处边远，基础资料缺乏且获取困难，常规地面观测手段往往难以奏效，卫星遥感技术自然就成为获取这些流域基础资料的必然选择。针对我国跨区域河流自然环境复杂、背景资料奇缺、科学研究薄弱、遥感应用空白的实际情况，基于多源卫星遥感数据以及遥感反演的水循环参数、下垫面信息、基础地理要素与共享卫星遥感信息产品，在流域尺度开展了遥感数据与水文模型的耦合研究，建立了多个全遥感信息驱动的跨区域流域分布式水文模型，实现了对流域水资源总量及各水量平衡要素的估算与定量分析，遥感数据支撑程度和模型模拟结果均达到国际同类研究的领先水平。该研究体现出基于跨时空遥感应用理论的多源遥感信息同化、时空遥感信息与过程模拟模型的耦合等过程，为跨时空遥感定量应用探索出一条有效途径。研究成果在伊犁河、澜沧江-湄公河、雅鲁藏布江、伊洛瓦底江和鸭绿江等跨区域流域得到了实际应用（见图4、图5）。

图4 伊洛瓦底江界河河道变迁分析

四、结论

目前的遥感应用范围已逐步从区域尺度发展到全球尺度，应用频次也逐渐由年尺度向月、旬、日、小时等更精细尺度转变，跨越空间和时间尺度应用的特性日益明显。未来遥感的发展将从跨时空遥感应用理论这一新视野出发，通过跨越时空遥感信息的综合利用，达到更好认识地球及其时空变化规律的目的。跨时空遥感应用理论的建立顺应遥感学科发展的需要，遥感应用时空观的提出对今后遥感应用具有参考价值。

图5 湄公河流域降雨径流过程