多源信息水資源立體監(jiān)測(cè)分析

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【摘要】我國(guó)淡水資源非常匱乏，具有嚴(yán)格的水資源管理制度，水資源監(jiān)測(cè)屬于水資源管理的核心基礎(chǔ)。本文通過對(duì)水資源監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析，并對(duì)多源信息的水資源立體監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，希望為關(guān)注水資源立體監(jiān)測(cè)技術(shù)的人群提供幫助。

【關(guān)鍵詞】多源信息；水資源立體監(jiān)測(cè)；水資源管理

引言

我國(guó)的水資源監(jiān)測(cè)技術(shù)以地面監(jiān)測(cè)技術(shù)為主，很難完成水資源的精細(xì)化監(jiān)測(cè)。但是通過構(gòu)建地面監(jiān)測(cè)體系、衛(wèi)星遙感系統(tǒng)、陸面同化系統(tǒng)的水資源監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠大幅提升水資源監(jiān)測(cè)質(zhì)量。因此，有必要對(duì)以多源信息為核心的水資源立體監(jiān)測(cè)技術(shù)展開分析。

1水資源監(jiān)測(cè)方法

1.1地面監(jiān)測(cè)

通過地面監(jiān)測(cè)得出的水資源監(jiān)測(cè)結(jié)果可以用作遙感反演以及建模模擬結(jié)果的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，所以地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有一定準(zhǔn)確性。我國(guó)擁有完善的地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，比如國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心就能夠提供多個(gè)區(qū)域不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的氣溫、濕度等數(shù)據(jù)，而國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)則可以完成對(duì)不同城市地下水水位以及溫度等參數(shù)的采集與傳輸。但需要注意的是，我國(guó)地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的普及度雖然越來越高，但是在部分自然環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜的城市地區(qū)，地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)量密度卻略顯不足，而且得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)依然存在誤差，所以為了保證水資源監(jiān)測(cè)質(zhì)量，需要研究水資源立體監(jiān)測(cè)技術(shù)，圖1為水資源流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.2遙感監(jiān)測(cè)

在不同平臺(tái)中，遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)可以分為星載監(jiān)測(cè)、機(jī)載監(jiān)測(cè)等，在面對(duì)不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)，遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠通過多種不同的電磁波段以及傳感器來完成監(jiān)測(cè)效果，提升監(jiān)測(cè)質(zhì)量。而且遙感技術(shù)在進(jìn)行水資源監(jiān)測(cè)過程時(shí)還能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取大面積的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并找出監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的空間部分特征。除此之外，因?yàn)樾禽d遙感同時(shí)兼具了周期性與靈活性，所以在進(jìn)行水資源要素時(shí)間變化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)，相比地面監(jiān)測(cè)，遙感監(jiān)測(cè)能夠在保證監(jiān)測(cè)范圍的同時(shí)獲得更高的時(shí)空分辨率。在自然條件相對(duì)惡劣的地區(qū)很難鋪設(shè)地面監(jiān)測(cè)設(shè)施，而遙感技術(shù)則不會(huì)受到地面自然環(huán)境的限制，所以遙感技術(shù)在信息數(shù)據(jù)的獲取上具有非常大的優(yōu)勢(shì)，但需要注意的是，遙感技術(shù)測(cè)量時(shí)得出的數(shù)據(jù)精度非常依賴傳感器、反演算法等外界因素，所以遙感技術(shù)應(yīng)用是需要選用其他檢測(cè)技術(shù)來對(duì)其得出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證[1]。

2水資源立體協(xié)同監(jiān)測(cè)

2.1立體協(xié)同監(jiān)測(cè)機(jī)理

我國(guó)部分地區(qū)的地形以及環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，所以我國(guó)部分地區(qū)依然存在地面監(jiān)測(cè)站覆蓋范圍不足的問題，而且即使是地面監(jiān)測(cè)站相對(duì)比較密集的地區(qū)，在個(gè)別區(qū)域以及時(shí)間段依然會(huì)出現(xiàn)水資源信息監(jiān)測(cè)質(zhì)量不足的問題，而結(jié)合遙感技術(shù)之后，就能緩解地面監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的監(jiān)測(cè)范圍問題。地面監(jiān)測(cè)技術(shù)、遙感技術(shù)以及模型模擬技術(shù)的監(jiān)測(cè)機(jī)理具有非常大的差異，三種監(jiān)測(cè)技術(shù)有不同的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與技術(shù)缺陷。在進(jìn)行水資源監(jiān)測(cè)時(shí)，通過三種監(jiān)測(cè)技術(shù)的協(xié)同作業(yè)，能夠顯著提升水資源監(jiān)測(cè)質(zhì)量，在開展水資源協(xié)同監(jiān)測(cè)之前，需要發(fā)揮出遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的潛在價(jià)值，因?yàn)檫b感技術(shù)是協(xié)同監(jiān)測(cè)技術(shù)中的基礎(chǔ)核心。遙感技術(shù)中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)作為協(xié)同監(jiān)測(cè)技術(shù)運(yùn)行時(shí)的支撐手段，其包含了單一衛(wèi)星平臺(tái)的數(shù)據(jù)信息融合以及多個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)的數(shù)據(jù)信息融合。協(xié)同監(jiān)測(cè)技術(shù)則包含衛(wèi)星遙感—地面監(jiān)測(cè)站協(xié)同監(jiān)測(cè)、再分析—地面監(jiān)測(cè)站協(xié)同監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感—再分析協(xié)同監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感—再分析—地面監(jiān)測(cè)站協(xié)同監(jiān)測(cè)、多元素協(xié)同監(jiān)測(cè)，五種不同的監(jiān)測(cè)手段涉及的核心算法包括降尺度、數(shù)據(jù)信息融合等。

2.2水資源立體協(xié)同監(jiān)測(cè)

2.2.1不同監(jiān)測(cè)方式的協(xié)同監(jiān)測(cè)衛(wèi)星遙感—再分析協(xié)同監(jiān)測(cè)在實(shí)踐過程中會(huì)通過多時(shí)相重建來對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)云覆蓋量不超過15%的MODIS地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)處理，并將重建后的溫度數(shù)據(jù)與再分析地表溫度進(jìn)行結(jié)合分析，以此保證數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性以及獲取空間完整。通過將得到的數(shù)據(jù)作為關(guān)鍵變量運(yùn)用在每天空間完整的1km分辨率的土壤水分計(jì)算中，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的協(xié)同監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星遙感—地面監(jiān)測(cè)站協(xié)同監(jiān)測(cè)能夠提升監(jiān)測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)精確度與監(jiān)測(cè)范圍。通過這種監(jiān)測(cè)方式能夠完成對(duì)植被指數(shù)、反照率以及其他數(shù)據(jù)參數(shù)的采集，還可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型來完成對(duì)大面積土壤中水分含量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[2]。通過再分析—地面監(jiān)測(cè)站協(xié)同監(jiān)測(cè)能夠協(xié)同較低空間分辨率對(duì)土壤水分產(chǎn)品進(jìn)行再分析，通過協(xié)同檢測(cè)能夠獲取每天連續(xù)不斷且空間完整的1km分辨率的土壤水分含量，相較于衛(wèi)星遙感—地面協(xié)同監(jiān)測(cè)而言，這種監(jiān)測(cè)方式測(cè)得的土壤水分其具有更高的精確度。衛(wèi)星遙感—再分析—地面監(jiān)測(cè)站協(xié)同監(jiān)測(cè)具有非常強(qiáng)的監(jiān)測(cè)能力，因?yàn)檫@種協(xié)同監(jiān)測(cè)能夠在監(jiān)測(cè)過程中結(jié)合不同監(jiān)測(cè)方式各自的優(yōu)勢(shì)，相比其他監(jiān)測(cè)方式，這種協(xié)同監(jiān)測(cè)的方式能夠進(jìn)一步提高土壤水分的監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

2.2.2多要素協(xié)同監(jiān)測(cè)目前我國(guó)大部分地區(qū)的水循環(huán)、水資源要素監(jiān)測(cè)都圍繞著降水、土壤水分等單要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以反演、監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)在精確度、連續(xù)性、監(jiān)測(cè)成本等方面很難達(dá)到最佳，因此非常有必要進(jìn)行多要素協(xié)同監(jiān)測(cè)。土壤水分—蒸散協(xié)同監(jiān)測(cè)，不同地區(qū)的氣候條件具有非常大的差異，蒸散受到能量、土壤水分的影響相對(duì)較大，不同氣候條件下的土壤水分與能量對(duì)于蒸散的影響各不相同。比如在半濕潤(rùn)、半干旱以及干旱區(qū)，地面蒸散就會(huì)受到土壤水分含量的限制，所以在制定估算模型時(shí)必須充分考慮到土壤水分給蒸散帶來的影響，據(jù)研究表明，通過土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)可以提升陰天條件下蒸散模擬的數(shù)據(jù)精確度。除此之外，通過土壤濕度指數(shù)等數(shù)據(jù)，同樣可以提升蒸散的模擬精確度。土壤水分—降水—蒸散協(xié)同監(jiān)測(cè)，通過水量平衡方程構(gòu)建出的降水模型可以利用對(duì)土壤水分以及蒸散估算來完成對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)的反推，而且這種反推估算方式具有相對(duì)較高的數(shù)據(jù)精確度。除此之外，通過SM2RAIN模型，協(xié)同遙感技術(shù)、蒸散產(chǎn)品、土壤水分等數(shù)據(jù)通過能夠完成對(duì)降水的模擬，并得到較為準(zhǔn)確的降水信息。土壤水分—蒸散—地下水協(xié)同監(jiān)測(cè)，采用遙感技術(shù)能夠豐富水資源的監(jiān)測(cè)信息，為各個(gè)區(qū)域提供長(zhǎng)期、穩(wěn)定的水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。遙感技術(shù)中的數(shù)據(jù)同化也能夠作為多要素協(xié)同監(jiān)測(cè)技術(shù)，將監(jiān)測(cè)到的徑流量等數(shù)據(jù)同化到相應(yīng)的模擬模型中，大幅提升水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確度[3]。水資源立體監(jiān)測(cè)能夠作用于水量、水質(zhì)等多方面水資源的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，比如在農(nóng)業(yè)用水效率監(jiān)測(cè)中，傳統(tǒng)的灌溉用水效率可以通過農(nóng)作物根系層中的灌溉水量與飲水量的比值來得出，但是農(nóng)作物根系層中的灌溉水量通常很難監(jiān)測(cè)出來，所以傳統(tǒng)水資源監(jiān)測(cè)方式在某些特定條件下其監(jiān)測(cè)質(zhì)量并不高。然而通過水資源立體協(xié)同監(jiān)測(cè)則可以采用遙感蒸散發(fā)模型來完成灌溉渠的蒸散發(fā)估算，并在蒸散發(fā)量中去掉有效降水量來得出水資源的消耗量，通過這種方式得出的農(nóng)業(yè)用水效率具有更高的精確度。通過遙感監(jiān)測(cè)能夠完成對(duì)小時(shí)降水量以及累計(jì)降水量的同時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)降水達(dá)到一定程度之后便會(huì)形成徑流，此時(shí)同時(shí)地面協(xié)同監(jiān)測(cè)能夠了解到徑流匯集狀況，水面蒸發(fā)時(shí)，則可以通過對(duì)土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)來了解水文數(shù)據(jù)。降水、徑流、蒸發(fā)三者之間的平衡關(guān)系能夠直接從水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中反映出來。

3案例分析

采用水資源立體監(jiān)測(cè)能夠有效提升監(jiān)測(cè)質(zhì)量，例如，GRACE衛(wèi)星發(fā)射之后使人們能夠正式進(jìn)行陸地水儲(chǔ)量TWS變化空間探測(cè)。通過從GRACE衛(wèi)星中提取監(jiān)測(cè)區(qū)域的降水、徑流、蒸發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，能夠了解到監(jiān)測(cè)區(qū)域的水資源變化趨勢(shì)。Rodell等人通過GRACE衛(wèi)星監(jiān)測(cè)了水儲(chǔ)量變化又通過GLDAS模擬了土壤中的水分情況，通過兩者結(jié)合對(duì)印度西北部平原地區(qū)的地下水虧損情況進(jìn)行了量化。而Ran等人則在2016年結(jié)合了GLDAS以及GRACE衛(wèi)星專門反向推演了由2004—2009年之間長(zhǎng)達(dá)72個(gè)月的海河流域地下水變化。雖然GRACE衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)分辨率偏低，但是在水資源監(jiān)測(cè)中依然能夠發(fā)揮出非常好的作用。Long等人將用水空間分析信息加入GRACE衛(wèi)星的水資源儲(chǔ)量反演中，使地下水儲(chǔ)量變化的空間分辨率得到大幅提高。

4結(jié)論

總而言之，基于多源信息的水資源立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究非常重要，能夠在保證水資源監(jiān)測(cè)質(zhì)量的同時(shí)擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，為我國(guó)水資源管理提供巨大的幫助。相信隨著越來越多人注意到基于多源信息的水資源立體監(jiān)測(cè)的重要性，我國(guó)的水資源監(jiān)測(cè)體系一定會(huì)變得更加完善。

參考文獻(xiàn)

[1]白亮亮，張才金，韓忠穎.基于多源信息的水資源立體監(jiān)測(cè)研究綜述[J].遙感學(xué)報(bào)，2020，24（7）：787-803.

[2]水資源立體協(xié)同監(jiān)測(cè)[J].遙感學(xué)報(bào)，2020，24（7）：933.

[3]田質(zhì)勝，趙芳，唐克銀.水資源監(jiān)測(cè)信息化與數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展[J].信息技術(shù)與信息化，2018（12）：142-145.

作者：張勇 單位：湖北省黃石市水文水資源勘測(cè)局