多源信息水資源立體監(jiān)測分析

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【摘要】我國淡水資源非常匱乏，具有嚴格的水資源管理制度，水資源監(jiān)測屬于水資源管理的核心基礎。本文通過對水資源監(jiān)測進行分析，并對多源信息的水資源立體監(jiān)測技術進行研究，希望為關注水資源立體監(jiān)測技術的人群提供幫助。

【關鍵詞】多源信息；水資源立體監(jiān)測；水資源管理

引言

我國的水資源監(jiān)測技術以地面監(jiān)測技術為主，很難完成水資源的精細化監(jiān)測。但是通過構建地面監(jiān)測體系、衛(wèi)星遙感系統(tǒng)、陸面同化系統(tǒng)的水資源監(jiān)測技術，能夠大幅提升水資源監(jiān)測質量。因此，有必要對以多源信息為核心的水資源立體監(jiān)測技術展開分析。

1水資源監(jiān)測方法

1.1地面監(jiān)測

通過地面監(jiān)測得出的水資源監(jiān)測結果可以用作遙感反演以及建模模擬結果的監(jiān)測數(shù)據，所以地面監(jiān)測數(shù)據具有一定準確性。我國擁有完善的地面監(jiān)測網絡，比如國家氣象科學數(shù)據中心就能夠提供多個區(qū)域不同時間節(jié)點的氣溫、濕度等數(shù)據，而國家地下水監(jiān)測網絡則可以完成對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，我國地面監(jiān)測網絡的普及度雖然越來越高，但是在部分自然環(huán)境相對比較復雜的城市地區(qū)，地面監(jiān)測站點的數(shù)量密度卻略顯不足，而且得到的監(jiān)測數(shù)據依然存在誤差，所以為了保證水資源監(jiān)測質量，需要研究水資源立體監(jiān)測技術，圖1為水資源流量監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2遙感監(jiān)測

在不同平臺中，遙感監(jiān)測技術可以分為星載監(jiān)測、機載監(jiān)測等，在面對不同的監(jiān)測任務時，遙感監(jiān)測技術能夠通過多種不同的電磁波段以及傳感器來完成監(jiān)測效果，提升監(jiān)測質量。而且遙感技術在進行水資源監(jiān)測過程時還能夠在短時間內獲取大面積的監(jiān)測數(shù)據，并找出監(jiān)測區(qū)域內的空間部分特征。除此之外，因為星載遙感同時兼具了周期性與靈活性，所以在進行水資源要素時間變化數(shù)據監(jiān)測時，相比地面監(jiān)測，遙感監(jiān)測能夠在保證監(jiān)測范圍的同時獲得更高的時空分辨率。在自然條件相對惡劣的地區(qū)很難鋪設地面監(jiān)測設施，而遙感技術則不會受到地面自然環(huán)境的限制，所以遙感技術在信息數(shù)據的獲取上具有非常大的優(yōu)勢，但需要注意的是，遙感技術測量時得出的數(shù)據精度非常依賴傳感器、反演算法等外界因素，所以遙感技術應用是需要選用其他檢測技術來對其得出的數(shù)據信息進行結果驗證[1]。

2水資源立體協(xié)同監(jiān)測

2.1立體協(xié)同監(jiān)測機理

我國部分地區(qū)的地形以及環(huán)境相對比較復雜，所以我國部分地區(qū)依然存在地面監(jiān)測站覆蓋范圍不足的問題，而且即使是地面監(jiān)測站相對比較密集的地區(qū)，在個別區(qū)域以及時間段依然會出現(xiàn)水資源信息監(jiān)測質量不足的問題，而結合遙感技術之后，就能緩解地面監(jiān)測技術存在的監(jiān)測范圍問題。地面監(jiān)測技術、遙感技術以及模型模擬技術的監(jiān)測機理具有非常大的差異，三種監(jiān)測技術有不同的技術優(yōu)勢與技術缺陷。在進行水資源監(jiān)測時，通過三種監(jiān)測技術的協(xié)同作業(yè)，能夠顯著提升水資源監(jiān)測質量，在開展水資源協(xié)同監(jiān)測之前，需要發(fā)揮出遙感監(jiān)測技術的潛在價值，因為遙感技術是協(xié)同監(jiān)測技術中的基礎核心。遙感技術中的數(shù)據融合技術作為協(xié)同監(jiān)測技術運行時的支撐手段，其包含了單一衛(wèi)星平臺的數(shù)據信息融合以及多個衛(wèi)星平臺的數(shù)據信息融合。協(xié)同監(jiān)測技術則包含衛(wèi)星遙感—地面監(jiān)測站協(xié)同監(jiān)測、再分析—地面監(jiān)測站協(xié)同監(jiān)測、衛(wèi)星遙感—再分析協(xié)同監(jiān)測、衛(wèi)星遙感—再分析—地面監(jiān)測站協(xié)同監(jiān)測、多元素協(xié)同監(jiān)測，五種不同的監(jiān)測手段涉及的核心算法包括降尺度、數(shù)據信息融合等。

2.2水資源立體協(xié)同監(jiān)測

2.2.1不同監(jiān)測方式的協(xié)同監(jiān)測衛(wèi)星遙感—再分析協(xié)同監(jiān)測在實踐過程中會通過多時相重建來對監(jiān)測區(qū)域內云覆蓋量不超過15%的MODIS地表溫度數(shù)據進行恢復處理，并將重建后的溫度數(shù)據與再分析地表溫度進行結合分析，以此保證數(shù)據信息的準確性以及獲取空間完整。通過將得到的數(shù)據作為關鍵變量運用在每天空間完整的1km分辨率的土壤水分計算中，就可以實現(xiàn)對應的協(xié)同監(jiān)測。衛(wèi)星遙感—地面監(jiān)測站協(xié)同監(jiān)測能夠提升監(jiān)測時的數(shù)據精確度與監(jiān)測范圍。通過這種監(jiān)測方式能夠完成對植被指數(shù)、反照率以及其他數(shù)據參數(shù)的采集，還可以通過機器學習模型來完成對大面積土壤中水分含量的動態(tài)監(jiān)測[2]。通過再分析—地面監(jiān)測站協(xié)同監(jiān)測能夠協(xié)同較低空間分辨率對土壤水分產品進行再分析，通過協(xié)同檢測能夠獲取每天連續(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)測而言，這種監(jiān)測方式測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)測站協(xié)同監(jiān)測具有非常強的監(jiān)測能力，因為這種協(xié)同監(jiān)測能夠在監(jiān)測過程中結合不同監(jiān)測方式各自的優(yōu)勢，相比其他監(jiān)測方式，這種協(xié)同監(jiān)測的方式能夠進一步提高土壤水分的監(jiān)測質量。

2.2.2多要素協(xié)同監(jiān)測目前我國大部分地區(qū)的水循環(huán)、水資源要素監(jiān)測都圍繞著降水、土壤水分等單要素進行監(jiān)測，所以反演、監(jiān)測得到的數(shù)據在精確度、連續(xù)性、監(jiān)測成本等方面很難達到最佳，因此非常有必要進行多要素協(xié)同監(jiān)測。土壤水分—蒸散協(xié)同監(jiān)測，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較大，不同氣候條件下的土壤水分與能量對于蒸散的影響各不相同。比如在半濕潤、半干旱以及干旱區(qū)，地面蒸散就會受到土壤水分含量的限制，所以在制定估算模型時必須充分考慮到土壤水分給蒸散帶來的影響，據研究表明，通過土壤水分數(shù)據可以提升陰天條件下蒸散模擬的數(shù)據精確度。除此之外，通過土壤濕度指數(shù)等數(shù)據，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，通過水量平衡方程構建出的降水模型可以利用對土壤水分以及蒸散估算來完成對降水數(shù)據的反推，而且這種反推估算方式具有相對較高的數(shù)據精確度。除此之外，通過SM2RAIN模型，協(xié)同遙感技術、蒸散產品、土壤水分等數(shù)據通過能夠完成對降水的模擬，并得到較為準確的降水信息。土壤水分—蒸散—地下水協(xié)同監(jiān)測，采用遙感技術能夠豐富水資源的監(jiān)測信息，為各個區(qū)域提供長期、穩(wěn)定的水資源監(jiān)測數(shù)據。遙感技術中的數(shù)據同化也能夠作為多要素協(xié)同監(jiān)測技術，將監(jiān)測到的徑流量等數(shù)據同化到相應的模擬模型中，大幅提升水資源監(jiān)測數(shù)據的精確度[3]。水資源立體監(jiān)測能夠作用于水量、水質等多方面水資源的數(shù)據監(jiān)測，比如在農業(yè)用水效率監(jiān)測中，傳統(tǒng)的灌溉用水效率可以通過農作物根系層中的灌溉水量與飲水量的比值來得出，但是農作物根系層中的灌溉水量通常很難監(jiān)測出來，所以傳統(tǒng)水資源監(jiān)測方式在某些特定條件下其監(jiān)測質量并不高。然而通過水資源立體協(xié)同監(jiān)測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業(yè)用水效率具有更高的精確度。通過遙感監(jiān)測能夠完成對小時降水量以及累計降水量的同時監(jiān)測，當降水達到一定程度之后便會形成徑流，此時同時地面協(xié)同監(jiān)測能夠了解到徑流匯集狀況，水面蒸發(fā)時，則可以通過對土壤含水量進行監(jiān)測來了解水文數(shù)據。降水、徑流、蒸發(fā)三者之間的平衡關系能夠直接從水文監(jiān)測數(shù)據中反映出來。

3案例分析

采用水資源立體監(jiān)測能夠有效提升監(jiān)測質量，例如，GRACE衛(wèi)星發(fā)射之后使人們能夠正式進行陸地水儲量TWS變化空間探測。通過從GRACE衛(wèi)星中提取監(jiān)測區(qū)域的降水、徑流、蒸發(fā)數(shù)據時，能夠了解到監(jiān)測區(qū)域的水資源變化趨勢。Rodell等人通過GRACE衛(wèi)星監(jiān)測了水儲量變化又通過GLDAS模擬了土壤中的水分情況，通過兩者結合對印度西北部平原地區(qū)的地下水虧損情況進行了量化。而Ran等人則在2016年結合了GLDAS以及GRACE衛(wèi)星專門反向推演了由2004—2009年之間長達72個月的海河流域地下水變化。雖然GRACE衛(wèi)星觀測時的數(shù)據分辨率偏低，但是在水資源監(jiān)測中依然能夠發(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)星的水資源儲量反演中，使地下水儲量變化的空間分辨率得到大幅提高。

4結論

總而言之，基于多源信息的水資源立體監(jiān)測系統(tǒng)的研究非常重要，能夠在保證水資源監(jiān)測質量的同時擴大監(jiān)測范圍，為我國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)測的重要性，我國的水資源監(jiān)測體系一定會變得更加完善。

參考文獻

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

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

[3]田質勝，趙芳，唐克銀.水資源監(jiān)測信息化與數(shù)字經濟發(fā)展[J].信息技術與信息化，2018（12）：142-145.

作者：張勇 單位：湖北省黃石市水文水資源勘測局