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口 李纪人 潘世兵
从传统粗放型水利向现代集约型水利发展的过程中，高新技术发挥了越来越重要的作用，尤其是在防洪与减灾、水资源调度等领域，计算机网络通信技术和空间信息技术等支持下的非工程措施，得到更广泛的重视和发展。 一、遥感技术及其在水利领域应用 信息技术和传感器技术的飞速发展带来了遥感数据源的极大丰富，每天都有数量庞大的不同分辨率的遥感信息，从各种传感器上接收下来。这些高分辨率、高光谱的遥感数据为遥感定量化、动态化、网络化、实用化和产业化及利用遥感数据进行地物特征的提取，提供了基础。目前，“对地观测系统”已经列入国家中长期科学和技术发展规划战略中，提出以应用为驱动，建立空、天、地一体化，高空间、高时间和高光谱分辨率相融合，符合我国国情的对地观测大系统，作为国家地球空间信息基础设施，多维、全方位实施对地观测，系统地获取地球多圈层的信息，为全面、深入研究和了解我们赖以生存的地球、地球资源和环境及其动态规律，进而对地球过程进行预测、预报和预警提供及时、科学、客观的数据和信息，服务于国家经济社会全面、可持续发展的科学决策。 遥感技术已广泛运用于洪涝灾害和旱情监测与评估、水资源动态监测、生态环境监测、水土流失监测与评价以及水利工程建设与管理等水利业务，并取得显著的社会经济效益。 1．遥感技术在防洪抗旱领域中的应用 遥感技术在洪涝灾害中的应用比较成熟，已在世界各国得到广泛应用。但因中长期天气预报等世界尖端难题未得到解决，因此预测工作较弱。其应用主要集中在快速反应、紧急救灾和灾后重建方面。实践证明，卫星遥感在减轻洪涝灾害损失方面是可以发挥重大作用的，特别是在降水遥感监测、洪水灾情监测与评估、紧急救灾和灾后重建以及区域旱情监测与评估等方面，卫星提供的灾情信息比其他常规手段更加快速、客观和全面。 在旱灾监测评估方面，遥感监测技术得到不断发展，国外开始采用多种遥感数据源，包括NOAA\AVHRR、MODIS和雷达遥感等进行旱情的监测与预警。目前开发研制的基于卫星遥感的旱情监测模型包括植被指数模型、热惯量模型、作物缺水指数模型、植被指数与地表温度特征空间模型、微波模型、水文模型和气象模型等。 2．遥感在水资源管理调度和生态保护中的应用 区域水资源与生态环境状况调查是水资源与生态环境评价的基础工作。传统的调查手段是依靠水文站网、气象站网及生态环境监测点的数据采集进行的，这种方法往往受到站网布设格局的限制。利用遥感技术进行水资源与生态环境状况调查，可以克服传统手段高投入、长周期、低效率的缺点，快速准确地进行区域水资源与生态环境状况调查。 3．遥感在水土保持规划和治理工作中的应用 土壤侵蚀定量调查是水土保持研究的重要内容之一。在土壤侵蚀定量调查中，遥感可以发挥重要作用。遥感以其宏观、快速、动态和经济的特点，成为土壤侵蚀调查的首要信息源。到目前为止，进行了两次全国范围的遥感水土流失调查，为我国水土保持规划和治理工作奠定了基础。同时，根据不同时期或年代土壤侵蚀强度分级分析对比，评价水保工程治理效果，指导今后水土保持规划和设计工作。 4．遥感在水环境监测中的应用 遥感技术具有快速、简便、同步、客观和经济等优势，它可以有效监测表面水质参数在空间和时间上的变化。水质遥感监测近年来已成为遥感界关注的热点之一。但利用遥感手段监测水质的难度大，此项研究在国内外的进展不是很快。许多发达国家在探索，不断推动研究的进展。 5．遥感在水利工程建设与管理等其他业务方面的应用 遥感在水利工程建设与管理中的应用涉及河道动态变化的遥感监测、水利工程建设环境影响分析评价、大型水利工程安全监测等。尤其是在河道动态变化方面，遥感技术的应用更为广泛。 二、GIS技术及其在水利领域的应用 地理信息系统(GIS)是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。GIS是水利信息存储、管理和分析的强有力的工具。 1．GIS在防洪减灾中的应用 GIS技术在防洪、减灾、救灾方面的应用是最广泛的，也是最成熟的。其中，在数据与信息存储、管理和分析方面，目前大多数涉及防洪减灾和救灾的信息管理系统都是基于GIS平台建设的。GIS在灾情评估和风险分析中的主要作用是完成基础背景数据的管理，进行空间和属性数据查询、检索、统计和显示，作为洪水演进的基础平台，对灾情数据进行提取和分析以及灾情的可视化表达，同时作为提供行蓄洪区应用、抢险救灾物资储运、避险和迁安等辅助决策的工具。 2．GIS在水资源管理方面的应用 在水资源信息管理系统中，GIS发挥的作用大致有以下几个方面：历史数据管理和实时数据的动态加载，信息的空间与属性双向查询，时空统计，以多种方式直观地可视化表达各类信息的空间分布及动态变化过程，区域水资源的空间分析，区域水资源管理模式区划如地下水禁采与限采区划、水环境区划等。我国已建设了一批以GIS技术为支撑的水资源信息管理系统，有的已在此基础上向水资源管理决策支持系统迈开了新的步伐，形式上大多是空间决策支持系统(SDSS)。 3．GIS在水环境和水土保持方面的应用 GIS在水土保持中的应用是比较全面的，是全过程的应用。从土壤侵蚀发生与否的判断、侵蚀强度划分、侵蚀量的计算、泥沙输移、水保措施的效益评价，一直到土壤侵蚀过程的模拟与预测，CIS始终在技术上起着支撑作用。 4．GIS在水利水电工程建设和管理方面的应用 水利水电工程建设与管理中利用GIS功能有以下几个方面：三维可视化显示及贯穿飞行模拟，位置或路线的优化，空间信息的叠加与分析，影响区范围的确定，开挖量及剖面分析，淹没分析，交互式的工程布置方案修改，施工现场布置以及物料贮运优化管理。 三、GPS技术及其在水利领域的应用 卫星定位技术的发展，因其可提供全天候实时、高精度三维位置、速度以及精密的时间信息，20世纪90年代以来，已被广泛应用于陆地、海洋、空间和航天领域内各类军用和民用目标的定位、导航与精密测量，并初步形成一个新兴的高科技产业。GPS主要作用是数据采集，具体来说就是对关注目标的精确定位。GPS在水利方面主要应用在防汛减灾，水文自动化测报与水资源实时监控，河道整治与滩区开发，水土保持监测与治理以及水利工程建设与安全监测等几个方面。 1．防汛减灾 采用GPS定位技术，可以精确地定位险情发生的地点，在配置无线通话功能后，还可同时具备双向通话功能，实现现场和指挥中心的自由对话，方便进一步沟通以便随时做出应急反应。而集成了GPS技术和GSM无线通信技术的实时报警系统在汛期能够快速地将出险地点和险情类别发送至指挥中心监控系统，及时做出反应。 2．水资源信息实时监控 GPS在水资源实时监控系统中主要起定位和导航的作用，如各种测站、监测断面和取水口位置的测量。另外，最新采用的移动监测技术也应用GPS技术，实时确定监测点的地理坐标，并把监测信息传输到控制中心，控制中心可以确定监测点所在水系、河段及断面位置。这样不但提高了贵重监测仪器的利用效率，也提高了系统灵活反应能力。 3．河道演变和滩区开发方面的应用 河道演变和河口区的演化规律的分析研究，是流域治理规划的重要基础工作。利用传统测绘手段耗资费力。GPS技术提供了快速、高效的手段，可以取得高时效、高精度的基础数据。 4．水土保持和生态建设方面的应用 GPS在水土保持和生态建设方面的应用发展很快。全国水土保持监测方案中明确要求，在水土流失监测中，尤其是对地面监测，要充分利用GPS定位技术，实现数据的实时采集和快速分析。目前，GPS在这方面的应用主要包括：水土生态工程规划设计，水土保持工程施工放样，水保生态建设竣工验收，水土流失动态监测，地理信息系统的建设和数据库更新。 5．GPS技术在水利水电工程中的应用 GPS技术在我国水利水电工程建设中已获得了一些应用，主要有以下几个方面。水利工程地质测绘：能提供质量好、精度高的矢量数据，实现数字化地图的测候、补测、补绘和更新。还有GPS施工实时测控系统，大区域水电工程GPS监测网，GPS大坝安全监测系统，水下GPS测深等。 四、“3S”集成技术及其水利领域应用 在水利工程领域，GPS主要被用于实时、快速地提供目标的空间位置；RS用于实时或准实时提供目标及其环境的语义或语义信息，发现地球表面的各种变化；GIS则对多源时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取，形成新的集成系统的基础平台。但是，随着“3S”技术研究和应用的不断深入，大家都认识到单独运用其中的某一种技术，往往不能满足综合性工程的需要，不能提供所需的对地观测、存储管理、信息处理、分析模拟的综合能力，这就导致了“3S"技术的研究和应用向集成化方向发展。“3S”不是GPS、GIS、RS的简单组合，而是将其通过数据接口严格地、紧密地、系统地集合起来，使其成为一个更具有应用价值的大系统。“3S"集成技术在水利行业中有着广阔的应用前景。下面讨论地理信息系统建模技术、GIS支持下的遥感数据融合技术，以及数字流域技术等的应用。 1．地理信息建模系统(GIMS) GIS成功应用于专门领域的关键，在于支持建立该领域特有的空间分析模型。GIS应当支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式的基于GIS的分析、建模和决策，这种GIS系统又称为地理信息建模系统(GIMS)。GIMS是目前GIS研究的热点问题之一。基于RS和GIS的分布式流域水文模型成为当前研究的前沿，“3S”技术支持下的分布式或半分布式水文预报模型在中小流域尺度进行了试验性的应用研究，取得了一些成果。 2．GIS支持下的多源数据的融合技术 由于卫星数据种类越来越多，而应用者希望在有限的投资内获得不同卫星遥感数据源的信息优势，以增强对目标物的检测与识别能力，提高卫星遥感应用的精度和效率。因此，多卫星数据融合技术及其融合产品也就有了广阔的应用领域。不同于一般的图像复合，实现信息优化是数据融合的主要目标。而信息优化是有选择的，针对不同卫星数据源、不同地物特征和应用目的采用不同的融合方法。多源数据的融合需要GIS系统的支持，尤其是在涉及遥感和非遥感数据的融合处理的情况下。 3．数字流域技术 “数字流域”是“数字地球”概念在水利行业的延伸。广义地说，数字流域就是综合运用遥感、地理信息系统、全球定位系统、虚拟显示技术和超媒体等现代新技术，对全流域的地理环境、基础设施、自然资源、人文景观、生态环境、人口分布、社会和经济状态等各种信息进行数字化，建立适合于全流域各不同职能部门的专业应用模型库和规则库及其相应的应用系统，为各级政府管理部门对全流域的综合规划、设计、建设、管理和服务等提供辅助决策依据和手段，为社会公众提供关于流域信息服务的大型系统工程。在我国，已经启动建设以数据采集为基础、信息资源共享为导向、决策分析模拟为核心、统筹规划的“数字黄河”工程。 五、建议 (1)遥感技术向定量化、动态化、网络化、实用化和产业化方向发展，不同空间分辨率和高光谱等多源遥感信息的综合应用是今后研究的重点。尤其是基于遥感信息的水资源-环境-灾害预测预报模型等方面的研究应进一步加强，例如，基于遥感的水体自动识别和快速提取技术、水质遥感监测模型和生态环境遥感评估模型等。同时，进一步建立和完善水利领域遥感地物波谱库及高光谱自动识别系统。 (2)地理信息系统(GIS)是水利信息存储、管理和分析的强有力的工具。水利信息化建设中所涉及的数据量是非常巨大的。建议进一步研究面向网络海量空间信息的大型GIS等关键技术，解决基于宽带互联网络的海量空间信息分布式存储、管理、分发与共享等关键技术问题，结合跨行业部门的应用需求，促进我国水利空间信息数据库的产业化发展。 (3)为了加快水利信息化建设步伐，一个核心的问题是在网络化条件下解决资源的共建共享，包括硬件设施和信息资源。建议在部门或跨部门信息共享机制和信息共享框架和数据标准化制定和完善等方面进一步开展工作，为水利信息化和水科学研究提供基础条件。 (4)建议开发研制基于网络的国家级或流域级遥感监测系统，建立以“水”为主导因子的基本生态环境进行快速、准确、连续、动态监测和提供信息服务的业务运行系统，为中央和有关地方政府提供更全面的流域各种信息服务。该网络与部门或流域机构网联网，并通过部门或流域机构网向国内外发布监测评估信息。 ■ (作者单位：中国水利水电科学研究院遥感中心) |