水利现代化技术及应用-“3S”技术及其在水利中的运用.ppt

水利现代化技术及应用,“3S”技术及其在水利中的运用,“3S”技术及其在水利中的运用,“3S”技术基础及其在水利信息化中的作用 “3S”技术在防洪减灾中应用 “3S”技术在水资源与生态环境管理中的应用 旱情监测 水环境监测、评价与管理 “3S”技术在水土保持中的应用 灌溉面积监测 “3S”技术在河道动态监测中的作用 遥感在水库库容和湖泊动态变化监测中的应用,武汉大学水利水电学院,2,“3S”技术基础及其在水利 信息化中的作用,“3S”技术基础 数字地球与数字水利 水利信息化,Part 1,武汉大学水利水电学院,3,数字地球与数字水利,数字地球 数字水利,数字地球,1998年1月31日,美国副总统戈尔在题为“数字地球:对21世纪人类星球的认识”的讲演中提出了“数字地球”的概念。 由政治家而不是科学家提出的这一概念，是带有整体性和导向性的国家战略目标,是为了刺激经济发展，保持美国在高新技术领域的领先地位。 它与美国以前提出的星球大战计划和信息高速公路一样，都是为美国的战略目标服务的，因此受到世界各国普遍的关注，在以美国为首的北约对南联盟狂轰滥炸之后尤为如此。,武汉大学水利水电学院,5,数字地球,数字地球是指信息化的地球，是一个完整的地球信息模型。 它把有关地球上每一个点的所有信息，按地球的地理坐标加以整理，然后构成一个全球的信息模型。 通过它可以快速地、形象地、完整地了解地球上任何一点、任何方面的信息，从而实现“信息就在指尖上”的理想。 从数字地球所包含的主要内涵来看，它是一个扩展了的、全方位的、高速的、网络化的全球综合信息系统。,武汉大学水利水电学院,6,数字地球,应用遥感、数据收集系统、全球定位系统、地理信息系统、网络和多媒体技术、现代通信等科技手段； 通过收集全方位、多分辨率、三维空间的、覆盖于地球表面的大量地理信息； 使用基于地理数学模型的高级决策系统，对这些数据进行分析、运算、筛选、重组，以达到对全球各类综合现象的模拟和仿真； 精确、定量和数字化地描述和表达人类与地球环境之间的关系；,武汉大学水利水电学院,7,数字地球，距离我们有多远,让生活更惬意 打造“高科技农民” 出行更顺利 巩固国防,武汉大学水利水电学院,8,让生活更惬意,数字地球将容纳大量行业部门、企业和私人添加的信息，进行大量数据在空间和时间分布上的研究和分析。例如国家基础设施建设的规划、全国交通运输的规划、城市发展的规划、海岸带开发以及西部开发。,武汉大学水利水电学院,9,让生活更惬意,从贴近人们的生活看，房地产公司可以将房地产信息链接到数字地球上； 旅游公司可以将酒店、旅游景点，包括它们的风景照片和录像放入这个公用的数字地球上； 世界著名的博物馆和图书馆可以将其收藏品以图像、声音、文字形式放入数字地球中； 商店也可以将货架上的商品制作成多媒体或虚拟产品放入数字地球中，让用户任意挑选。,武汉大学水利水电学院,10,让生活更惬意,基于高分辨率正射影像、城市地理信息系统、建筑CAD，建立虚拟城市和数字化城市，能够实现真三维和多时相的城市漫游、查询分析和可视化。 数字地球服务于城市规划、市政管理、城市环境、城市通讯与交通、公安消防、保险与银行、旅游与娱乐，可以为城市的可持续发展服务并且提高市民的生活质量服务。,武汉大学水利水电学院,11,打造“高科技农民”,二十一世纪农业要走节约化的道路，实现节水农业、优质高产无污染农业。这就要依托数字地球，每隔35天给农民送去他们庄稼地的高分辨率卫星影像，农民在计算机网络终端上可以从影像图中获得他的农田的长势征兆； 通过GIS作分析，制定出行动计划，然后在车载GPS和电子地图指引下，实施农田作业，及时地预防病虫害，把杀虫剂、化肥和水用到必须用的地方，而不致使化学残留物污染土地、粮食和种子，实现真正的绿色农业。,武汉大学水利水电学院,12,出行更顺利,将采集到的各种道路交通及服务信息经交通管理中心集中处理后，传输到公路运输系统的各个用户(驾驶员、居民、警察局、停车场、运输公司、医院、救护排障等部门)，出行者可实时选择交通方式和交通路线；,武汉大学水利水电学院,13,出行更顺利,交通管理部门可自动进行合理的交通疏导、控制和事故处理；运输部门可随时掌握车辆的运行情况，进行合理调度。 这样，可以使路网上的交通流运行处于最佳状态，改善交通拥挤和阻塞，最大限度地提高路网的通行能力，提高整个公路运输系统的机动性、安全性和生产效率。,武汉大学水利水电学院,14,巩固国防,数字地球是后冷战时期“星球大战”计划的继续和发展。在美国眼里，数字地球的另一种提法是星球大战,是美国全球战略的继续和发展。显然，在现代化战争和国防建设中，数字地球具有十分重大意义。建立服务于战略、战术和战役的各种军事地理信息系统，并运用虚拟现实技术建立数字化战场，这是数字地球在国防建设中的应用。,武汉大学水利水电学院,15,巩固国防,这其中包括了地形地貌侦察、军事目标跟踪监视、飞行器定位、导航、武器制导、打击效果侦察、战场仿真、作战指挥等等方面，对空间信息的采集、处理、更新提出了极高的要求。,武汉大学水利水电学院,16,巩固国防,在战争开始之前，需要建立战区及其周围地区的军事地理信息系统； 战时利用GPS、RS和GIS进行战场侦察、信息的更新、军事指挥与调度以及武器精确制导； 战时与战后需要进行军事打击效果评估。,武汉大学水利水电学院,17,数字地球的基础设施及其支撑技术,数字地球的最主要的基础设施建设是信息高速公路(即NII)和国家空间数据基础设施(NSDI)。 有专家提出：“开放的全球网络和大容量的分布式存储技术是数字地球的基础”。,武汉大学水利水电学院,18,构筑数字地球的主要支撑技术有：,计算机及网络通信技术 卫星遥感(RS)技术 全球定位系统(GPS) 地理信息系统(GIS) 虚拟现实(VR)技术 海量数据的存储处理技术 卫星图像智能处理 大型数据库,武汉大学水利水电学院,19,关键技术,全球高速网络与分布式大规模存储 只有通过高速网络才能实现全球信息共享。现在的国际广域网-Internet的带宽无法满足数字地球的需求 例如，多媒体实时图像传输、视频点播的广泛应用均要求有较高的网络带宽；美国白宫的NGI计划(Next Generation Internet Initiative)的关键目标之一就是把Internet网络的传输速率比现在提高100和1000倍，达到100 Mbps和1 Gbps。 网络宽带化、业务综合化是信息化社会通讯网络的发展方向，也是实现数字地球构想的必不可少的途径。,武汉大学水利水电学院,20,分布式大规模存储,数字地球是由分布式大型数据库构成的，存储10.15比特信息和每天新产生的大量数据，需要具有相应的高密度高速率大规模(海量)空间数据存储、压缩、处理技术，对信息提取和分析技术的智能化程度也有更高要求，这些都是对现有计算机软硬件设计、技术的有力挑战。 数据库建设是构筑数字地球的基础，数据的采集、处理、使用都要强调规范化、要有统一的数据交换标准，才能真正实现信息共享。,武汉大学水利水电学院,21,高分辨率卫星影像,数字地球的主要信息源来自对地观测，当前，全球已经具备制造和发射卫星能力的各国在高分辨率遥感卫星的研制与发射方面竞争激烈。 现在民用卫星对地观测的最高分辨率可达到1m，可以满足包括11万以上比例尺的测图、农业、资源、环境、交通等多方面的应用，是构成数字地球的最基本的空间数据。 高分辨率卫星影像还可以作为其它非空间数据的载体和框架，用于实现数字地球的空间定位。在这方面，我国目前与美国、欧洲诸国存在着较大差距。,武汉大学水利水电学院,22,虚拟现实技术,虚拟现实(Virtual Reality|VR)是近年来出现的高新技术，它综合集成了计算机图形学、人机交互技术、传感与测量技术、仿真、人工智能、微电子等科学技术。 虚拟现实技术被认为是数字地球概念提出的依据和关键技术。,武汉大学水利水电学院,23,虚拟现实技术,虚拟现实技术通过系统生成虚拟环境，用户通过计算机进入虚拟的三维环境，可以运用视觉、听觉、嗅觉、触觉感官与人体的自然技能感受逼真的虚拟环境，身临其境地与虚拟世界进行交互作用，乃至操纵虚拟环境中的对象，完成用户需要的各种虚拟过程。 虚拟现实技术主要应用于工程设计、数据可视化、飞行模拟、模拟实验、多媒体远程教育、远程医疗、旅游娱乐等方面。,武汉大学水利水电学院,24,元数据,元数据(Metadata)是“关于数据的数据”或“关于信息的信息”，被比喻为数字地球的引擎。通过元数据可以对数字地球中所关心的内容进行查询和浏览。 元数据在地理空间信息中用于描述地理数据集的内容、质量、表示方式、空间参考、管理公式以及数据集的其它特征，是实现地理空间数据共享的核心标准之一。,武汉大学水利水电学院,25,数字水利,随着“数字地球”这一概念的提出，“数字水利”也应运而生。 “数字水利”是一个以空间信息为基础，融合各种水文模型和水利业务的专业化系统平台，是对真实水文水利过程的数字化重现，它把水活动的自然演变搬进了实验室和计算机，成为真实水利的虚拟对照体。 “数字水利”是由各种信息的数据采集、传输、存储、模拟和决策等子系统构成的庞大系统。可以根据不同需要，对不同时间的数据进行检索、分析，透视水文环境要素的变化规律，实现数字仿真预演。,武汉大学水利水电学院,26,数字水利,水利政务、防汛减灾、水资源监控调度、水环境综合治理、大型工程的设计和施工、大中型灌区的综合管理等都迫切需要采用计算机技术、通讯网络技术、微电子技术、计算机辅助设计技术、3S技术等一系列高新技术进行技术改造，我们把利用以信息技术为核心的一系列高新技术对水利行业进行全面技术升级和改造这一过程形象地称为数字水利。,武汉大学水利水电学院,27,数字水利,“数字水利”的应用不仅仅局限在防洪抗旱， 它还能够为流域内水量调度、水土流失监测、水质评价等提供决策支持服务； 能够为水利工程运行、水利电子政务和水利勘测规划设计等提供信息服务； 能够为人口、资源、生态环境和社会经济的可持续发展提供决策支持； 能够为人居环境、社区规划、社会生活等方面提供全面的信息服务，提高人们的生活质量。,武汉大学水利水电学院,28,数字水利,水利行业自80年代初开始应用遥感(RS)技术，即通过对地观测获取信息。 对GIS的使用则始于80年代后期，在经历了认识了解和初步应用这两个阶段后，现已步入深入应用的阶段，且很快就与生产实际紧密地结合起来。 全球定位系统(GPS)在水利行业的应用始于90年代初，但发展非常迅速，在地面及水下地形测绘中使用已很普遍。,武汉大学水利水电学院,29,3S技术的应用,尽管作为“数字地球”技术基础的3S (RS，GIS，GPS)技术在水利行业的应用还远远没有发挥它们的潜力，但已经发挥了重大作用。利用RS和GIS技术，快速准确地为决策部门提供了有关灾害、资源、水利规划与管理方面的调查统计数据。,武汉大学水利水电学院,30,1. 灾情评估,洪涝灾害淹没耕地及居民地面积、受灾人口和受淹房屋间数;旱情;大面积水体污染和赤潮的影响范围;大面积泥石流、滑坡等山地灾害的影响范围.,武汉大学水利水电学院,31,2.水资源水环境调查,应用遥感资料进行下垫面属性分类,计算其分类面积,选取经验参数及入渗系数.根据多年平均降水量,计算出多年平均地表径流深、入渗补给量.两者之和扣去重复计算的基流量即为多年平均水量,对国内某些流域进行估算的相对误差小于7%,尤其适用于无水文资料地区.此外,根据遥感资料提供的积雪分布(三维)、积雪量、雪面湿度,用融雪径流流域模型估算融雪水资源和流域出流过程的相对误差在10%左右.,武汉大学水利水电学院,32,3.土地资源调查,包括:监测水蚀、风蚀等多种类型的土壤侵蚀区的侵蚀面积、数量和强度发展的动态变化;盐碱地、沼泽地、风沙地、山地侵蚀地等劣质土退化地的面积调查与动态监测;土地利用现状调查、耕地面积和滩涂面积调查.,武汉大学水利水电学院,33,4.工程规划与管理,大型水库淹没区实物量估算,库区移民安置环境容量调查,灌溉区实际灌溉面积和有效灌溉面积的调查,水库淤积测量.,武汉大学水利水电学院,34,5.防洪减灾及业务运行,星载和机载侧视合成孔径雷达()实时监测特大洪水造成的灾情,将信息迅速传送到指挥决策机构; 对易发洪灾区和重点防洪地区建立防洪信息系统; 旱灾的实时监测; 在全球气候变暖、海平面上升以及地下水超采造成地面沉降等情况下,对可能造成的海水入侵的范围作出预估和进行对策研究.,武汉大学水利水电学院,35,6.水资源开发利用研究,利用遥感资料和GIS建立与大气模型耦合的大尺度水文模型,计算出在全球未来气候变化情况下区域水资源的增减; 采用细分光谱卫星资料、主动式微波传感器与地球物理、地球化学等多种信息源相结合,以信息系统为支持,分析研究地下储水结构.,武汉大学水利水电学院,36,7.大型水利水电工程及跨流域调水工程对生态环境影响的监测与综合评价,大型水利水电枢纽工程地质条件的遥感调查、技术经济评价及动态监测,流域综合规划; 灌区规划; 水库上游水土流失调查及对水库淤积的趋势预测,河口泥沙监测和综合治理; 河道演变监测; 河道、水库、湖泊等水体水质污染遥感动态监测;流域治理效益调查; 海岸带综合治理; 对施工过程中的坝址进行12000的大比例尺遥感制图,包括坝肩多光谱近景摄影,以研究坝肩裂隙和节理的分布变化情况.,武汉大学水利水电学院,37,“3S”技术在防洪减灾中的应用,武汉大学水利水电学院,38,一、防洪减灾,1991年淮河和太湖的大洪水，受灾面积246000km2，损失800亿元 1994年珠江、湘江、赣江、辽河洪水，损失1636亿元 1998年长江、松花江、嫩江洪水，损失2700亿元,39,武汉大学水利水电学院,治理的手段 疏 防 拦 排 退,40,武汉大学水利水电学院,非工程措施,建立防汛指挥系统，包括雨、水、工、灾情的采集、传输、处理和决策支持这几个子系统。 目前全国已有2 万多个水文站。在黄河的三门峡至花园口区间，长江荆江河段、淮河等20余处以及150多座水库已建了水文自动测报系统，遥测点有170多个，分别采用超短波、微波、卫星通信和计算机网络等手段传输信息。,41,武汉大学水利水电学院,可供水利部门使用的微波通信干线已达15000km，微波站有500个。 在灾情方面也充分发挥了遥感、GIS、GPS等高新技术进行监测与评估。利用洪水预报预警系统进行洪峰流量、洪峰水位、洪量、历时、洪水到达时间等洪水特征的预报。,42,武汉大学水利水电学院,在此基础上，对各种调度预案，利用基于GIS的数据库进行洪水演进和灾情评估，为决策提供依据。 在决策后又基于GIS作出抢险物资及居民避险迁安最佳输运路线的方案。 在灾情发生后，利用遥感进行动态监测、后续降雨及水情的预报、救灾物质输运路线的确定等等，也都是系统能发挥的作用。,43,武汉大学水利水电学院,二、雨情监测,常规监测 遥感监测 雷达监测 卫星监测 日本热带测雨量卫星南北纬35之间效果不错 美国日本，GPM计划（全球降雨监测）计划， 12颗卫星，每3个小时,44,武汉大学水利水电学院,三、洪涝灾害灾情监测及评估,（一）洪涝灾害灾情监测 1991年以后，许多专家认识到了图像实时传输对把损失减到最小的重要性，建议建立机载遥感监测灾害的实时传输系统。通过5年的努力，建成了这一系统并应用。 在“九五”期间，通过科技攻关，该系统传输图像的空间分辨率从6m提高到了3m并实现了图像数据和 数据的复合传输，在洪涝灾害监测中发挥了重大作用。,45,武汉大学水利水电学院,洪水的遥感监测在五级平台上进行：气象卫星、星载SAR 、机载SAR、中分辨率的MODIS卫星直升机。地面的水文、水位站的水情信息予以配合。 国家卫星气象中心负责气象卫星的宏观和动态监测，它在北京、广州和乌鲁木齐设立了三个接收站。数字图像通过通信卫星传往北京，在校正后镶嵌成覆盖全国的图像。 汛期在天气状况允许条件下每天监测一次，资料接收后2h提供水灾区域监测图和灾情粗评估报告。,46,武汉大学水利水电学院,（二）洪涝灾害灾情评估,从灾害发生时的遥感影像提取的现势水体与基础背景数据库中的本底水体叠加就可以进行洪涝灾害评估。主要内容是以县为单位的受淹面积、受淹耕地和居民地面积及其空间分布，有统计表也有专题图。工情调查则包括有水库、堤岸、闸、行洪区、桥梁、铁路、公路、港口、机场、油田等。 灾情评估主要基于以下数据源：洪水频发地区的地理信息系统；由汛前或汛后的图像得出的土地利用分类图、地形图（用于找图像几何校正所需的控制点以及提取行政境界线）和其他专题图。,47,武汉大学水利水电学院,灾前评估,根据预报的水位、流量、洪量以及调度预案，通过已有的洪水风险图或水力学、水文学模拟，确定受淹范围，再通过包括社会经济信息的基础背景数据库或洪灾风险图（带有社会经济属性的洪水风险图），对可能受灾地区耕地、房屋、人口、工农业产值、私人财产等进行快速评估，为调度方案决策提供依据。为决策提供的依据有以下几个方面。 从可能的经济损失这个角度为决策提供判据。 从可能的受灾人口这个涉及社会因素的角度为决策提供判据。 从迁安能力（人口数量、时间、车辆调动等）的角度为决策提供判据。 从可能受淹的重要工业基地、交通动脉、军事要地等重点保护对象的角度为决策提供判据。,48,武汉大学水利水电学院,灾中评估,在灾害发生过程中，依靠遥感实时监测图像，或根据水位、洪量等情况依据专家经验确定受淹范围。在用遥感作实时监测时，还能分出洪、涝、渍的范围。然后，通过包括社会经济信息的基础背景数据库或洪灾风险图对已受淹地区耕地、房屋、人口、工农业、产值、私人财产等进行快速评估。这一评估最好是动态的，甚至还带有预测性的。后者则需根据预测的雨情、水情和工情加以判断与估计。 灾中评估要为决策提供的依据有以下几个方面： 确定灾情规模及发展趋势。 为救灾提供依据。 为后继洪水调度提供依据。例如在运用蓄滞洪区时，可根据第一个蓄滞洪区已受灾的情况，确定继续用第一个，还是用第二个，或者同时用第一个和第二个等几种方案中最为有利的一个。 根据灾情对避险迁安的人口的安置在方式、时间长短等方面提供依据。 为灾后重建的方式、资金、物资等提前作好准备。,49,武汉大学水利水电学院,灾后评估,根据目前的运行方式，灾情都是在灾后通过各级政府的主管部门逐级上报的，这种方式由于种种原因，往往其客观性不足。但从国情出发，较长时期内还有必要考虑这种方式。 灾情评估系统的任务一是要对上报灾情作迅速的统计和分析；二是要对上报灾情的可靠性提出评价意见，为上级决策部门服务。,50,武汉大学水利水电学院,“3S”技术在水资源与生态环境管理中的应用,武汉大学水利水电学院,51,一、遥感技术在水资源与生态环境评价中的应用,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。过去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，这种办法往往受到站网布设格局的限制，站网设置多了，则需要大量的人力物理的投人；站网布设过于稀疏，又影响数据的代表性和精度；另外在一些人迹罕至或人迹难至的地方，数据的观测几乎不可能。尤其是在我国西北地区，由于受到自然环境状况的限制，传统的调查手段有相当大的难度和复杂性，必须综合采用多种技术手段,52,武汉大学水利水电学院,遥感技术的应用，可以迅速获得广大地区全面、客观、准确的第一手资料，这是以往传统手段所无法比拟的。 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人、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，提供快捷、全面、准确、宏观的生态环境本底资料，为水资源与生态环境评价提供科学的数据，对水资源可持续开发发利用具有重要意义。,53,武汉大学水利水电学院,1.土地利用状况分析,土地利用状况分析首先要对包括诸如植被类型、覆盖度及土地利用类型进行遥感调查，获取遥感影像，根据科学和标准的分类原则分别建立遥感解译标志，通过相应的遥感解译方法，获取各类遥感解译结果，这些结果包括植被类型遥感调查图及面积统计表、植被覆盖度遥感调查图及面积统计表、土地利用类型遥感调查图及面积统计表。 土地利用状况分析是进行基于遥感技术的水资源与生态环境评价的本底状况调查，也是进行评价工作的基础性成果。,54,武汉大学水利水电学院,2. 生态环境变迁分析,生态环境变迁分析是在土地利用状况分析的基础上进一步开展工作，其基础是利用土地利用状况的动态监测成果，通过GIS分析模块对各个代表性时段所得到土地利用状况遥感影像及其解译结果采用空间叠加等手段进行定性和定量的对比分析，从中寻找生态环境变迁的规律。,55,武汉大学水利水电学院,3.生态耗水（需水）分析,技术生态耗水（需水）分析也是利用遥感得到的土地利用状况成果，然后利用GIS技术进行生态分区，在空间上反映出生态耗水（需水）的分异规律，并建立生态分区与水资源分区的空间对应关系，采用叠加分析方法确定流域各级生态分区的面积，最后根据流域降水平衡和水资源平衡分析方法计算生态耗水（需水）。,56,武汉大学水利水电学院,二、GIS技术在水资源与生态环境评价中的应用,自然生态状况分析 采用GIS技术并结合遥感图像，能够比较准确地描绘区域沙漠化面积、森林砍伐面积、植被面积、水面面积、河流状况以及土地利用分类等自然生态状况。 流域水质污染状况分析与评价 根据某条河流上监测端面的监测数据，评价整条河流的水质状况以及排放到该条河流工业污染源贡献率，为决策人员及时提供信息。 社会经济状况与水资源状况的综合分析 根据区域的社会经济状况与水资源状况结合，为用户提供直观、形象的水资源区域社会经济状况分析成果。,57,武汉大学水利水电学院,基于遥感与GIS技术的生态需水计算 基于遥感和GIS技术的水资源与生态环境评价管理信息系统 区域水资源实时监控系统,58,武汉大学水利水电学院,旱情监测,武汉大学水利水电学院,59,一、基本概念,（一）一般干旱概念 干旱现象从水资源角度来看，是供水不能满足正常需水的一种不平衡的缺水情势，这种负的不平衡超过一定的界值后，对城乡生活和工农（牧）业生产产生了不利影响，这样的过程称之为干旱灾害，因此，干旱是相对于需求而言。,60,武汉大学水利水电学院,（二）影响干旱的主要因素 在水供需关系中包含了供和需两个方面： 一方面天然降水、蒸发、汇流、循环等供方因素； 另一方面是工农业生产、人民生活对水的需求，具体反映在不同的工业结构和生产水平、土地利用方式、城镇化建设进程、人口增长情况以及经济发展水平所具备对水资源的调控能力等人类社会经济活动因子。 区域干旱事件的发生，它的历史演变和今后的发展趋势，是自然因子和人类活动因子共同作用的结果。,61,武汉大学水利水电学院,（三）旱情和旱灾定义 旱情和旱灾是描述农业干旱及其灾害的两个基本概念。 旱情是指在作物生育期内，耕作层土壤水分得不到降水、地下水和灌溉水的适量补给，土壤供水不断消耗，农作物从土壤中吸收到的水分不能满足正常生理需要，作物受水分条件限制生长受到抑制的情势。 旱灾是指作物在生育期内由于受旱，造成较大面积减产或绝产的灾害。,62,武汉大学水利水电学院,二、常规干旱指标,（一）气象干旱指标 采用气象上的指标对生长某一阶段的降水、蒸发情况给予描述，如：降水距平、无雨日数和降水与蒸发的比值等。反映了该时段作物或植物的气象环境。 （二）水文干旱指标 采用河川径流、地下水低于一定供水值的历时和亏缺量等水文特征值给予描述。,63,武汉大学水利水电学院,（三）农业干旱指标 由于不同受旱对象在不同生长阶段的耐旱特性相差极为悬殊，仅仅描述旱情对受旱作物或植物的影响状况固然重要，但为了更好地定量予以描述，在农业上通常用墒情特征描述干旱，将当前土壤实际含水率与作物生长适宜含水率进行比较。 （四）经济干旱指标 水资源供需不平衡对人类社会经济活动产生的影响等特征指标，如：农牧业、工业减产量，缺水导致的直接或间接经济损失等。,64,武汉大学水利水电学院,三、旱情的遥感监测原理,1. 旱情的热惯量监测方法 从农业干旱的角度出发，如果能较准确地测定土壤的含水情况，就可以较好地将其与 湿润、含水量高的土壤，白天受到太阳照射后，由于其热容量大，作物的缺水状况对应升温相对较慢、温度升幅较小；晚上散热也较慢、温度降幅较小，湿润土壤的这种热特性通常被称之为热惯量大。 相对与干燥、含水量低的土壤，其昼夜温度升降幅度大，被称之为热惯量小。 利用土壤含水量不同所具有的热特性差异，人们提出了监测昼夜土壤的温差，反求土壤含水量的方法。,65,武汉大学水利水电学院,2.用遥感的假设,目前的遥感卫星具有在可见光、近红外、中红外和热红外波段对地面实施探测的能力，这些数据可以用于地表反照率和辐射温度的探测。 这样运用是基于以下几条前提假设： 土壤是裸露的或者表层植被很少 土壤质地的差异，即土壤的物质组成不同、内在和表层结构形态不同会影响到土壤的辐射发射率 温度信息，在经过大气的传输过程中明显受到大气状况的影响,66,武汉大学水利水电学院,3.旱情的微波遥感监测方法,微波具有不受季节、昼夜和日照条件的影响，穿透云雾大气的全天时、全天候物理特性。随着机载和星载微波传感器探测数据源的日益丰富，有研究人员开始尝试运用主动和被动微波遥感数据对土壤的水分条件进行监测的实验。其物理学依据是：干土和湿土由于含水量的不同，其电 导率、介电常数具有明显的差异，主动式微波遥感得到回波信号、被动式微波遥感得到的散射信号的强弱反映的是目标的后向散射系数，该系数与电导率直接关联。微波遥感据此间接推导土壤的水分状况及分析旱情。,67,武汉大学水利水电学院,68,武汉大学水利水电学院,水环境监测、评价与管理,武汉大学水利水电学院,69,一、水质指标,在最新的地表水环境质量标准中，将标准项目分为：地表水环境质量标准基本项目、集中式生活饮用水地表水源地补充项目和集中式生活饮用水地表水源地特定项目。,70,武汉大学水利水电学院,地表水环境质量标准基本项目适用于全国江河、湖泊、运河、渠道、水库等具有使用功能的地表水水域； 集中式生活饮用水地表水源地补充项目和特定项目适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区和二级保护区。 集中式生活饮用水地表水源地特定项目，由县级以上人民政府环境保护行政主管部门根据本地区地表水水质特点和环境管理的需要进行选择 集中式生活饮用水地表水源地补充项目和选择确定的特定项目，作为基本项目的补充指标。,71,武汉大学水利水电学院,根据水域的不同使用功能，水质的每项指标的标准不同。对应地表水五类水域功能，将地表水环境质量标准基本项目标准值分为五类，不同功能类别分别执行相应类别的标准值。 依据地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低依次划分为五类；,72,武汉大学水利水电学院,I类主要适用于源头水、国家自然保护区； II类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等； III类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区； IV类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区； V类主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。,73,武汉大学水利水电学院,74,武汉大学水利水电学院,75,武汉大学水利水电学院,二、水质监测,水质监测工作的内容主要包括数据采集、数据分析与传输。 水环境监测规范中的内容包括： 对水质测站的分类、测站的布设原则； 各种水体（包括地表水、地下水、大气降水）采样断面布设、采样垂线和采样点布设、采样点布设、采样原则、监测项目与分析方法、地下水监测的采样井布设； 水体沉降物的采样点布设、采样方法、样品保存与预处理、监测项目与分析方法；,76,武汉大学水利水电学院,生物监测的采样垂线（点）布设、采样频次、采样时间、样品采样与保存方法； 水污染监测与调查方面，有关入河排污口监测与调查、污染源调查、水污染事故调查、水污染动态监测任务、方式与要求； 实验室质量控制中的一般规定、实验室内质量控制基础工作、实验室内质量控制基础实验、分析质量控制方法与要求、实验室间质量控制； 数据处理、数据记录与处理与资料整、汇编。,77,武汉大学水利水电学院,传统的水质监测工作是从河流、湖泊、水库等水体的一定断面或垂线上，定点、定期采集瞬时样品（或累积样品）后，将样品送往水质分析实验室进行分析测定。由于水体的污染状况受到污染源、气象、季节、水文条件等影响，上述的水质监测方法，既不能反映水体水质连续变化状况，也不能及时发现因偶然事故而引起的水质急剧变化，带有很大程度的随机性和偶然性。,78,武汉大学水利水电学院,逐步发展了水质自动监测装置，并在实践中建立了相应的水质自动监测站。水质自动监测站可在无人值班的情况下，按规定的时间间隔，自动完成从样品采集、整理分析、数据处理、结果打印等一系列过程，大大提高了水质监测工作的科学化和现代化。,79,武汉大学水利水电学院,遥感技术已广泛应用于各类水体污染监测。 用激光荧光雷达监测水体中叶绿素，可用来确定水中藻类类型及其生长密度，掌握水体富营养化程度； 利用红外遥感可测量水体表面水温，可用于绘制大面积水体等温线； 从红外扫描图像，还可确定进入水体的污水扩散特征及扩散范围；紫外摄影，可用于地表水体油污染的监测； 由于水体中悬浮物对紫外光的特征吸收，还可用于测量水体中泥沙的含量。,80,武汉大学水利水电学院,81,武汉大学水利水电学院,82,武汉大学水利水电学院,83,武汉大学水利水电学院,84,武汉大学水利水电学院,85,武汉大学水利水电学院,86,武汉大学水利水电学院,“3S”技术在水土保持中的应用,武汉大学水利水电学院,87,一、概述,水土流失一般是指在水力、重力、风力等外营力作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失，包括土地表层侵蚀及水的损失，亦称水土损失。土地表层侵蚀指在水力、风力、冻融、重力以及其他外营力作用下，土壤、土壤母质及岩屑、松软岩层被破坏、剥蚀、转运和沉积的全部过程。 在国外水土流失更多的被称为土壤侵蚀。,88,武汉大学水利水电学院,水土流失的危害,耕地减少，土地退化 水土流失导致的直接影响就是耕地的土地肥力及可耕性的降低、耕地面积减少，草地的退化、沙化、盐碱化等。 泥沙淤积，加剧洪涝灾害 由于水土流失产生大量泥沙，淤积在江河、湖、库，降低了水利设施调蓄功能和天然河道泄洪能力，加剧了下游的洪涝灾害。,89,武汉大学水利水电学院,影响水资源的综合开发和有效利用，加剧干旱的发展 在水土流失地区，为了减轻由于水土流失引起的泥沙淤积可能造成的库容损失，水库调度不得不采用蓄清排浑的运行方式，从而导致大量宝贵水资源白白流失，水资源得不到合理有效地利用，也加剧干旱的发展。 生态环境恶化，加剧贫困 水土流失常常导致生态环境恶化，而生态环境恶化又加剧当地的贫困。在这些地区，水土流失治理是改善居民生活水平的重要措施。,90,武汉大学水利水电学院,二、GIS支持下的土壤侵蚀的遥感调查方法,随着现代遥感技术的发展及其在水土保持领域的应用，定量或定性与定量结合的侵蚀评价在区域监测中得以实现，而地理信息系统技术又为较大范围的空间分析提供了快速、准确的技术手段，使得人们可以利用矢量和栅格两种类型的空间数据分析侵蚀因子的属性、数量值及其空间分布，进而评价侵蚀的类型、程度以及不同类型、不同程度侵蚀的分布规律。这就在技术、方法乃至理论上发展了区域土壤侵蚀监测的研究。 对于土壤侵蚀遥感调查来说，主要涉及三个方面的问题：土壤侵蚀的分类分级、土壤侵蚀主要影响因子的提取、土壤侵蚀量估算模型（或侵蚀强度判别模型）。,91,武汉大学水利水电学院,1. 土壤侵蚀遥感监测分类分级系统,首先，按照起主导作用的侵蚀外营力类型和性质，将全国侵蚀类型分为水蚀、风蚀、水力、风力复合侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和工程侵蚀等6种一级类型。,92,武汉大学水利水电学院,其次，根据侵蚀形态原则，以地质、地貌、主要地面组成物质和水热条件的组合大致相似为依据，在侵蚀成因类型基础上进行二级类型分区。 将全国水蚀区，分为西北黄土高原区、东北黑土区、北方土石山区、南方红壤丘陵区和西南土石山区等5个不同的侵蚀形态区； 将风蚀区，分为戈壁沙漠及沙地区、沿河环湖滨海平原风沙区等2个不同的形态区； 将水力、风力复合侵蚀区，分为北方沙漠周边区、中部河道沿岸区和南方滨海滨湖区等3 个不同的形态区（其中，在北方沙漠周边区，又可以细分为东部平原区、中部黄土高原区、西部山前洪积扇区）； 将冻融侵蚀区，分为北方冻融侵蚀区和青藏高原冰川区等2个不同的侵蚀形态区。,93,武汉大学水利水电学院,再次，在土壤侵蚀成因与形态分类的基础上，进行土壤侵蚀强度的划分。,94,武汉大学水利水电学院,2.土壤侵蚀影响因子指标体系,土壤侵蚀过程极其复杂，受多种自然和人为因素的综合影响。自然因子包括气候、植被（土地覆盖）、地形、地质、土壤等，人为因素包括土地利用（如耕地、放牧等）、开矿、修路等。在目前土壤侵蚀机理研究尚不够全面、深入的情况下，不可能建立一个完整的土壤侵蚀影响因子指标体系。不同的土壤侵蚀类型影响因子也不同，对于水蚀来说，参考通用土壤侵蚀方程各因子指标，并考虑RS技术与常规方法相结合方法能否获取以及是否方便在GIS中存取、表达和计算，一般选择了降水、地形（坡度）、沟谷密度、植被覆盖度、成土母质及侵蚀防治措施6 个因子作为土壤侵蚀量估算的因子指标。,95,武汉大学水利水电学院,3.土壤侵蚀量估算,根据各因子影响度的分析，利用Arc/Info系统的地图代数功能，将各因子图进行叠加分析，得到综合因子得分图。,96,武汉大学水利水电学院,灌溉面积监测与规划,武汉大学水利水电学院,97,一、灌溉面积的统计学意义,近年来从国家全局或一个地区看， 一方面不断有大量新建工程投入使用并发挥作用 另一方面随着农牧业生产经营模式、供水目标和设施配套条件的变化，原有工程中较普遍地存在着工程年久失修老化、功能衰退与丧失的问题。,98,武汉大学水利水电学院,由于投资主体的错位，骨干工程与田间工程不配套，使工程总体效益无法有效发挥； 管理体制长期没有理顺，尤其是在农牧业生产以家庭为基本经营单元的情况下，如何保证水利设施有效发挥作用的机制没有有效地建立。 大多数地方水资源费收缴困难，水管机构不能维持简单再生产，水利设施使用、征管、维护的良性循环始终建立不起来，水利设施“重建轻管”的必然结果就是水利设施的效率逐年下降，运用状况不仅达不到设计要求，甚至达不到历史最好水平；,99,武汉大学水利水电学院,一方面每年都有一些新增的灌溉保障能力，另一方面又有不少的原有能力在不断地丧失。因此全国的灌溉面积在时空上有增有减，变动极为复杂。如何及时有效地掌握全国灌溉发展变化状况，是准确地掌握农牧业基本生产能力的关键问题之一。,100,武汉大学水利水电学院,受客观技术手段的限制，长期以来我国一直沿用灌溉面积人工统计的方法掌握全国的灌溉面积变化情况。由于多方面人为因素的影响，统计方法得到的全国耕地灌溉面积一直不十分确切。 尽管国家始终将农业发展放在优先发展的位置，并将水利摆在了基础产业的首位，为保证粮食安全必须搞清现有灌溉面积底数。 因此需要寻找一种独立于传统的统计渠道，探索综合运用遥感和地理信息系统技术调查并核实灌溉面积的方法，建立一套客观、快速、准确、便捷、低成本的灌溉面积调查、监测和管理体系，为农田水利宏观管理决策提供科学依据。,101,武汉大学水利水电学院,（一）有效灌溉面积 土地基本平整，有配套的灌溉设施，在正常的年份能得到有效灌溉的面积。这里的“正常年份”隐含了供水保障率的概念它反映的是短系列多年平均的概念。 （二）实际灌溉面积 一个完整的农牧业生长周期-农业年内（通常是上一年的月至本年的月），多次灌溉发生面积的逻辑和。,102,武汉大学水利水电学院,二、有效灌溉面积遥感监测方法,有效灌溉面积调查需要能通过遥感方法得到多个时相的高分辨率数据，由于有效灌溉面积是一个时段里具备一定灌溉能力耕地的概念，因此理想的遥感观测从时间上应该是多时相的，尤其希望图像能反映是灌溉高峰时段的灌溉状况；为了准确识别灌溉设施，如引蓄水工程、灌溉渠系、机井井房等，需要比较高的空间分辨率。,103,武汉大学水利水电学院,根据目前能够方便得到的遥感数据条件，中小比例尺调查作业，如一个省、一个地区成图比例尺在1/10 万至1/5万的调查影像上可以看到灌溉设施中的斗渠，该精度要求的调查可供选用的遥感数据源： 中国资源卫星CBERS 美国陆地卫星LANDSAT 法国SPOT卫星 美国IKONOS卫星,104,武汉大学水利水电学院,有效灌溉面积主要参数的确定,由于各地地理位置、地形、降水、种植结构、耕作习惯等方面的不同，构成了灌溉类型在空间上分布的差异，如渠灌、井灌、提灌、喷灌、滴灌和微灌等多种形式。但无论面对多么复杂的调查对象，要保证有效灌溉面积遥感调查结果的合理性、真实性和可信性，只要紧紧围绕其基本的三要素：土地平整、灌溉设施完备和有一定水源保障条件展开信息提取和相关分析，具体采用的是要以遥感信息为主要依据，其他相关信息为辅助支撑，以技术进行复合分析的方法。,105,武汉大学水利水电学院,三、实时灌溉面积遥感监测,实际灌溉面积遥感调查，需要对实际灌溉过程进行完整的动态跟踪监测，对资料源时间分辨率的要求很高，根据我国目前能够方便获取遥感数据情况，只能满足中小比例尺如1/50万-1/25万成图比例尺的调查。这类影像上只能看到比较大的水库、湖泊水体和大范围的作物长势等，满足高时间分辨率精度要求的遥感调查数据源： 风云极轨气象卫星,106,武汉大学水利水电学院,实际灌溉特征的遥感认定方法,（一）连续监测原则 实际灌溉面积通常是指在一个完整灌溉周期内，如一年得到灌溉至少一次以上耕地的累积范围。一般实际灌溉面积应该是当年有效灌溉面积中，那些需要灌溉并且具备实际灌溉条件的部分，是整个有效灌溉面积的一个子集。,107,武汉大学水利水电学院,自然降水因素 如在作物的各个生长阶段，天然降水与作物需水配合较好，这种情况就不需要灌溉，否则就需要实施补充灌溉；水源条件因素，如水源有限即便灌溉设施配套也无水可浇； 设施因素 有水源条件但无灌溉设施，有水但到不了需灌地块； 人为因素 如组织抗旱时除了使有灌溉设施的地方尽量浇上水以外，还要增加临时抗旱措施，使平时没有灌溉条件的地方也能浇上水； 经济因素 在某些情况下水源和设施条件均具备，作物也确实需要灌溉，但由于经济上农户难以承受，所以只好放弃灌溉，从而使应该灌溉到的地方未能得到正常的灌溉。,108,武汉大学水利水电学院,虽然有卫星天天过境多次，但由于地球表面多数时候有云覆盖，要想得到同一区域连续的晴空遥感图像几乎是不可能，如果能用旬监测结果作为基本的遥感动态跟踪监测单元，既降低了遥感数据因云覆盖条件造成的数据收集困难，同时也简化了数据处理过程。便于与地面观测资料进行匹配分析，符合农业上通常的灌溉观测习惯。实践证明，这种适当的概化方法能满足整个灌溉周期内，对实际灌溉范围变化情况实施动态跟踪的要求。,109,武汉大学水利水电学院,Vegetation,Strong absorption of PAR（Photosynthetically Active Radiation光合有效辐射0.4-0.7） (mostly blue and red),Energy-Matter Interactions,Vegetation,Slight reflectance peak in green, corresponds with solar maximum,Energy-Matter Interactions,“3S”技术在河道动态监测中的作用,武汉大学水利水电学院,112,一、河道动态变化监测,河道的动态变化研究是河床演变学的组成部分。研究在水流作用下河床的形态及其变化的科学叫做“河床演变学”。水流与河床构成一个矛盾的统一体，水流作用于河床，使河床发生变化，河床的变化又影响水流的结构，它们相互依存，相互影响，相互制约，永远处于变化和发展的过程中。 河道动态变化实质上是反映了在水流作用下组成边界物质的冲刷、搬运和沉积的过程。,113,武汉大学水利水电学院,解放后，在我国大江大河上，修建了大量的水利工程，在一定的程度上，破坏了河流的相对平衡，引起了河流的再造床过程。例如，修建水库以后，由于水库的壅水作用，改变了河流的边界条件，从而引起泥沙在库区的落淤和回水的上延。在中、下游河道，一些地方对两岸滩地实施围垦造地，束窄河身，与河争地，不给水留出路，从而加重防洪压力，甚至造成洪涝灾害。 一些地方未经规划论证，无序地在河道取砂，使河床失去平衡，造成局部河床严重下切，给排洪、排涝及灌溉带来严重的威胁。,114,武汉大学水利水电学院,河道动态变化的遥感监测,河道动态变化监测的常规方法 开展河道变化分析最基础的工作是获取不同时期有关河道的基本资料，包括河道的河床地形、河道边界形态和河段水文泥沙特征以及河道周边流域的地质、地貌、植被等资料。其分析方法是根据上述资料进行河道纵剖面和横剖面的二维平面变化分析和水动力变化过程的计算并建立水沙运动模型等。,115,武汉大学水利水电学院,遥感监测的方法与内容 遥感技术是指在高空和外层空间的各种平台上，运用各种传感器（如摄影仪、扫描仪和雷达等）获取地表的信息，通过数据的传输和处理，从而实现研究地面物体形状、大小、位置、性质及其环境的相互关系的一门现代化应用技术科学。 自20世纪70年代后，世界许多国家运用遥感技术研究河流特性，利用卫星遥感信息 监测河道变化、预测河道发展趋势；并应用到水利规划、航道开发以及防灾减灾等方面。,116,武汉大学水利水电学院,河道中阻水建筑物的动态监测,河道中的阻水建筑物主要有桥梁，靠岸的丁坝、顺坝、港口码头等。这些阻水建筑物对河道水流流态及河床的冲淤均产生影响。 桥梁的影响主要是水作用。由于桥墩对水流的束窄作用，使水流流态发生变化，引起相应的河床的调整，表现在桥墩上游，因桥墩引堤壅水，流速减小，发生淤积；在桥渡区，单宽流量增加，流速加大，造成冲刷；而在桥渡的下游，则因水流扩散流速减少，再一次引起河道的淤积。 在我国一些经济发达地区，如珠江三角洲河网区，为了满足交通的需要，纷纷在河道建桥，使河道的桥梁密度快速增大，一些河段由于桥梁过密，已给洪水宣泄带来不利的影响。 河道中的丁坝、顺坝是河道整治及航道开发的工程措施之一，它的作用也是改变河道水流流态、调整河床地形，促使河道水流集中，加大航道水深。但如果丁坝及顺坝的平面布置不当，也会给河床堤岸的稳定带来不良的影响。,117,武汉大学水利水电学院,遥感在水库库容和湖泊动态变化监测中的应用,武汉大学水利水电学院,118,一、水库库容动态变化监测方法,修建水库能调节天然径流以满足防洪、水力发电、灌溉用水、水产养殖等综合利用的需求。而水库的调节性能又与水库的面积和容积有着直接关系，因此，水库的面积曲线和容积曲线是水库的两项重要特性资料。 水库的面积曲线和库容曲线在水库规划、设计时就已作出。但水库建成蓄水后，由于冲淤库区会发生明显的地形变化，这将影响到入库流量的推求、水库的调节计算和优化调度。因此，在运行一定时间后，必须重新复核水库的面积曲线和库容曲线。以往常规做法都是由人工进行实地重新测定，这种方法费时长、耗资多、野外工作量大，而且最终都是采用求积仪办法来求取水库水面面积，不可避免地会产生一些人为误差。 1991年在浙江省百丈水库库容复核中，首次采用了全新的卫星遥感技术，并经过两年多的新老库容曲线同步运行验证，获得成功。现在已先后推广到富春江、新安江、乌溪江和古田溪等水库,119,武汉大学水利水电学院,应用卫星遥感技术复测水库库容曲线，关键在于水位与水面面积关系的推求。由于水体在近红外波段上是充分吸收，图像上反应为黑色，而陆地、植被等地物是强漫射反射物体，都程度不同地反射近红外波段，足以形成与黑色水面的强烈反差。这就为识别水体面积提供了极其有利的条件。因此，只要收集到不同水位条件下的卫星资料及同步的实测库水位资料，用计算机分别求出各水位时的水面实际面积，根据这些对应关系，即可绘出水位-面积曲线，从而准确推算水位-库容曲线。,120,武汉大学水利水电学院,121,武汉大学水利水电学院,二、湖泊面积与蓄水量动态监测,由于滥砍乱伐，加剧了土壤侵蚀，湖泊的泥沙淤积日益严重，更由于围湖造田等人类活动的影响，我国许多湖泊都在迅速萎缩，面积减小，湖底淤高，蓄水量大大减少，以至于在汛期洪水位不断抬高，洪涝灾害不断加剧，这不但给湖区人民的生命财产和社会经济发展带来影响，也因湖泊失去或减小了吞吐调蓄的能力，对入湖河流及出湖河流也造成了威胁，洪涝灾害发生更加频繁。,122,武汉大学水利水电学院,123,武汉大学水利水电学院,124,武汉大学水利水电学院,