水文與水管理中的遙感技術(shù)

第一部分 概述與基本原理 1 概論 3 1．1 引言 3 1．2 遙感的定義 3 1．3 遙感數(shù)據(jù)的本質(zhì) 4 1．4 衛(wèi)星系統(tǒng) 5 1．4．1 遙感平臺(tái) 6 1．4．2 遙感傳感器 9 1．4．3 空間分辨率 10 1．4．4 時(shí)間分辨率 11 1．5 遙感與水文學(xué) 11 1．6 本書的結(jié)構(gòu) 12 2 遙感的物理原理和技術(shù)要點(diǎn) 14 2．1 引言 14 2．2 電磁光譜和輻射率 14 2．3 大氣傳播 18 2．4 自然介質(zhì)的反射和發(fā)射特性 22 2．5 傳感器原理 26 2．6 現(xiàn)在和未來(lái)的地球觀測(cè)任務(wù)概述 31 3 遙感數(shù)據(jù)處理：硬件和軟件準(zhǔn)備 34 3．1 圖像處理系統(tǒng)的特點(diǎn) 34 3．1．1 中央處理器(CPU)：個(gè)人電腦、工作站和大型機(jī) 34 3．1．2 系統(tǒng)分析員人數(shù)及操作方式 35 3．1．3 串行與并行圖像處理、算術(shù)協(xié)處理器和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM) 37 3．1．4 操作系統(tǒng)和軟件編譯器 3了 3．1．5 大容量存儲(chǔ) 39 3．1．6 屏幕顯示分辨率 4l 3．1．7 屏幕顏色分辨率 41 3．1．8 圖像掃描(數(shù)字化)思考 42 3．2 圖像處理和GIS軟件應(yīng)用 43 3．2．1 預(yù)處理 44 3．2．2 顯示和加強(qiáng) 45 3．2．3 遙感信息提取 45 3．2．4 攝影測(cè)量的信息提取 46 3．2．5 元數(shù)據(jù)和圖像/地圖系列文檔 46 3．2．6 圖像和地圖的制圖成分 49 3．2．7 地理信息系統(tǒng)(GIS) 49 3．2．8 應(yīng)用 49 3．3 經(jīng)濟(jì)實(shí)用的數(shù)字圖像處理系統(tǒng) 50 3．4 小結(jié) 50 4 遙感信息數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)的集成 57 4．1 引言 57 4．2 一般方法 59 4．2．1 柵格和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 59 4．2．2 現(xiàn)有集成方法 6l 4．2．3 與地理數(shù)據(jù)處理過(guò)程相關(guān)的誤差 63 4．3 當(dāng)前的應(yīng)用 64 4．3．1 流域數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā) 64 4．3．2 高程數(shù)據(jù)的集成使用 64 4．3．3 土地利用／土地覆蓋類型變化監(jiān)測(cè) 65 4．3．4 流域徑流量建模 66 4．3．5 水質(zhì)監(jiān)測(cè)與建模 68 4．3．6 土壤侵蝕監(jiān)測(cè) 68 4．4 展望 69 第二部分 遙感在水文監(jiān)測(cè)和建模中的應(yīng)用 5 水文建模中的遙感 77 5．1 引言 77 5．2 實(shí)際水文模型中遙感的應(yīng)用 78 5．3 耦合水一能量平衡模型中的遙感 82 5．4 遙感方法 83 5．4．1 太陽(yáng)輻射 84 5．4．2 下降長(zhǎng)波 84 5．4．3 降水 85 5．4．4 氣溫 85 5．4．5 表面空氣濕度 86 5．5 模型實(shí)例：紅河一Arkansas流域 87 5．6 發(fā)展方向 88 6 降水 103 6．1 引言 103 6．2 一般方法 104 6．2．1 地面雷達(dá) 104 6．2．2 可見(jiàn)光和紅外線衛(wèi)星數(shù)據(jù)的使用 105 6．2．3 無(wú)源微波衛(wèi)星數(shù)據(jù)的使用 106 6．2．4 航天雷達(dá) 106 6．3 當(dāng)前技術(shù) 107 6．3．1 降雨的單偏振雷達(dá)測(cè)量 107 6．3．2 降雪和雹的測(cè)量 110 6．3．3 多參數(shù)雷達(dá) 11l 6．3．4 降雨量估計(jì)的衛(wèi)星云指數(shù)和生活史方法 112 6．3．5 雙光譜技術(shù) 114 6．3．6 空間降雨的無(wú)源微波估計(jì) 115 6．3．? 采樣誤差 116 6．4 改進(jìn)的潛力 118 6．4．1 當(dāng)前的性能標(biāo)準(zhǔn) 118 6．4．2 展望 119 7 土地利用和流域特征 125 7．1 引言 125 7．2 用遙感繪制土地覆蓋類型地圖 126 7．3 植被指數(shù) 127 7．3．1 簡(jiǎn)單植被指數(shù) 128 7．3．2 歸一化植被指數(shù)(NDV)) 129 7．3．3 精確的估計(jì) 131 7．3．4 多時(shí)相植被指數(shù) 131 7．4 專題分類 132 7．4．1 圖像分類方法 133 7．4．2 最大似然分類 136 7．4．3 討論 137 7．4．4 概率估計(jì)的精確化 138 7．4．5 分割 140 7．4．6 巴西Pantanal地區(qū)的范例研究 140 7．5 雷達(dá) 142 8 蒸發(fā) 148 8．1 引言 148 8．1．1 概述 148 8．1．2 地面蒸發(fā)的遙感測(cè)量 149 8．2 蒸發(fā)和輻射測(cè)量的變量 150 8．2．1 潛在蒸發(fā) 150 8．2．2 實(shí)際蒸發(fā) 152 8．3 土地蒸發(fā)的遙感測(cè)量：應(yīng)用和模擬方法 154 8．3．1 概論 154 8．3．2 蒸發(fā)和地表溫度的線性關(guān)系[1] 156 8．3．3 改進(jìn)的線性關(guān)系[2] 157 8．3．4 蒸發(fā)、地表溫度和光譜指數(shù)的關(guān)系[3] 157 8．3．5 土壤-植被-大氣輸送(SVAT)模型[4] 158 8．3．6 集成SVAT和行星邊界層(PBL)模型[5] 159 8．4 當(dāng)前趨勢(shì)：改進(jìn)的觀測(cè)和參數(shù)化方法 160 8．4．1 局部最大蒸發(fā)量和地表溫度[6] 160 8．4．2 改進(jìn)的地表變量觀測(cè)[7] 163 8．5 空間可變性 165 8．6 精度 166 8．7 應(yīng)用 167 8．8 目前及未來(lái)的觀測(cè) 168 8．9 概要和總結(jié) 169 9 土壤含水量 187 9．1 引言 187 9．2 一般方法 188 9．3 傳感器-目標(biāo)相互作用 19l 9．4 水文實(shí)例 197 9．5 未來(lái)微波遙感在土壤含水量測(cè)量中的應(yīng)用 200 10 地表水的遙感分析 206 10．1 引言 206 10．2 地表水采測(cè) 207 10．3 湖泊和水庫(kù)面積的估測(cè) 209 10．4 濕地 211 10．5 湖泊水位 213 10．6 河流水位和流量 216 10．7 洪水范圍 218 10．8 結(jié)論 222 1l 積雪和冰 228 11．1 積雪和冰的作用 228 11．2 一般方法 229 11．2．1 Gamma射線 229 11．2．2 可見(jiàn)光圖像 231 11．2．3 熱紅外 232 11．2．4 有源和無(wú)源微波 233 11．2．5 相關(guān)應(yīng)用 236 11．3 當(dāng)前的應(yīng)用 237 11．3．1 NOHRSC(美國(guó)國(guó)家應(yīng)用水文遙感中心)積雪覆蓋和雪水當(dāng)量 的測(cè)量 237 11．3．2 加拿大草原雪水當(dāng)量制圖 238 11．3．3 融雪徑流的預(yù)報(bào)計(jì)算 240 11．4 未來(lái)的方向 243 11．4．1 提高無(wú)源微波的分辨率 243 11．4．2 改進(jìn)的無(wú)源微波算法 243 11．4．3 雷達(dá)應(yīng)用的前景 243 11．4．4 各種數(shù)據(jù)類型的綜合 244 12 土壤侵蝕 261 12．1 引言 261 12．2 遙感使用基礎(chǔ) 263 12．3 應(yīng)用 264 12．4 實(shí)例研究 266 12．4．1 圖像解譯／攝影測(cè)量 266 12．4．2 模型／GIS輸入 268 12．4．3 光譜特性 269 12．4．4 地形測(cè)量 27l 12．5 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 272 13 水質(zhì) 278 13．1 引言 278 13．2 遙感的應(yīng)用基礎(chǔ) 279 13．3 應(yīng)用 280 13．4 實(shí)例研究 281 13．4．1 懸浮泥沙 28l 13．4．2 葉綠素 284 13．4．3 溫度 286 13．4．4 油 288 13．5 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 289 14 地下水 295 14．1 引言 295 14．2 水文地質(zhì)的概念化 296 14．2．1 三維水文狀況 296 14．2．2 地下水水面 298 14．2．3 水流系統(tǒng) 300 14．3 水量平衡 30l 14．3．1 地下水灌溉方案 302 14．3．2 補(bǔ)給 303 14．4 堅(jiān)硬巖石地形和線性構(gòu)造 308 14．5 地下水管理與結(jié)論 310 14．6 總結(jié)與展望 310 第三部分 遙感數(shù)據(jù)輔助下的水管理 15 遙感在水管理中的應(yīng)用 319 15．1 引言 319 15．2 水管理中遙感應(yīng)用潛力 319 15．2．1 觀測(cè)和制圖 319 15．2．2 空間分析和分區(qū) 32l 15．2．3 監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào) 322 15．3 遙感支持下的流域規(guī)劃 323 15．3．1 引言 323 15．3．2 水文監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè) 323 15．3．3 流域中的上下游關(guān)系 324 15．4 遙感輔助下的流域管理 325 15．4．1 引言 325 15．4．2 水文圖像解譯在流域管理中的應(yīng)用 327 15．5 小范圍水資源開(kāi)發(fā)和遙感 328 15．5．1 引言 328 15．5．2 在遙感技術(shù)輔助下的徑流收集研究 328 15．5．3 洪水的延伸和地下水的補(bǔ)給 329 15．6 灌溉水管理和遙感 329 15．7 水管理的決策支持系統(tǒng) 330 15．7．1 引言 330 15．7．2 專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng) 33l 16 洪水預(yù)報(bào)和控制 345 16．1 引言 345 16．2 一般方法 346 16．2．1 模型方法 346 16．2．2 遙感數(shù)據(jù)的種類和要求 346 16．2．3 從遙感數(shù)據(jù)中得到水文氣象信息 348 16．2．4 地區(qū)降雨到徑流水位圖實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的轉(zhuǎn)換 349 16．3 基于遙感數(shù)據(jù)的洪水預(yù)報(bào)輔助下的實(shí)時(shí)洪水控制范例 35l 16．3．1 基本原理 351 16．3．2 雷達(dá)降雨量測(cè)量應(yīng)用于Gunz河流域 352 16．3．3 定量的降雨量預(yù)報(bào) 352 16．3．4 降雨-徑流模型在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用 354 16．3．5 基于洪水水文預(yù)報(bào)圖的水庫(kù)最優(yōu)操作 355 16．4 城市環(huán)境下的洪水預(yù)報(bào)和控制 356 16．5 展望 359 17 灌溉和排水 362 17．1 引言 362 17．1．1 現(xiàn)有的非遙感方法及其局限性 363 17．1．2 遙感在灌溉和排水中的應(yīng)用回顧 364 17．2 一般方法 365 17．2．1 應(yīng)用與可觀測(cè)性對(duì)比及算法 365 17．2．2 理論和概念性的方法 365 17．2．3 應(yīng)用舉例 369 17．3 當(dāng)前的應(yīng)用 371 17．3．1 一般應(yīng)用 371 17．3．2 高分辨率的灌溉土地制圖 371 17．3．3 農(nóng)作物需水量--可見(jiàn)光和近紅外線 373 17．3．4 農(nóng)作物缺水--紅外線 373 17．3．5 流域水文 374 17．3．6 鹽堿地的發(fā)現(xiàn) 375 17．3．7 灌溉管理 375 17．4 目前和未來(lái)的觀測(cè) 376 17．5 未來(lái)方向和潛力 377 18 無(wú)計(jì)量河流流域水利工程設(shè)計(jì)的水文數(shù)據(jù)計(jì)算 385 18．1 引言 385 18．2 一般方法 386 18．2．1 模塊1：衛(wèi)星系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理 387 18．2．2 模塊2：以多時(shí)相衛(wèi)星圖像為基礎(chǔ)估計(jì)每月地區(qū)降水 389 18．2．3 模塊3：徑流量的估汁 391 18．3 應(yīng)用 392 18．3．1 研究區(qū)域和所用數(shù)據(jù) 392 18．3．2 多時(shí)相B2-Meteosat衛(wèi)星圖像輔助下地區(qū)月降水量估計(jì) 392 18．3．3 降雨-徑流模型 394 18．4 進(jìn)一步應(yīng)用 395 18．5 總結(jié)與討論 396 19 土地覆蓋變化趨勢(shì)檢測(cè)及對(duì)水管理的影響 400 19．1 引言 400 19．2 水文模型和土地覆蓋變化 402 19．3 研究實(shí)例：西歐Sauer河流域土地利用變化的遙感檢測(cè) 404 19．4 總結(jié) 412 第四部分 展 望 20 展望 425 20．1 引言 425 20．2 水文研究與建?，F(xiàn)狀 426 20．3 水管理 428 20．4 水文學(xué)和水資源管理中的數(shù)據(jù)問(wèn)題 429 20．5 攻堅(jiān)計(jì)劃 430 20．6 已有的傳感器和平臺(tái) 432 20．7 計(jì)劃中和已提出的傳感器和平臺(tái) 433 20．8 遙感和水文學(xué)的未來(lái)需要 434 縮略語(yǔ)表 449