第8章 - 武汉大学课程中心
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第8章
“3S”技术在水利现代化
中的应用
一、数字地球
1.数字地球原理
Band Composite Output =
Color Guns =
Band Combination =
Landsat TM Band
4
7
BLUE
GREEN
RED
1
2
3
NEAR IR
4
2
(LANDSAT)
SHORT
WAVE IR
MIDWAVE IR
5
7
LONGWAVE IR
6
2.数字地球的作用:
让生活更惬意
打造“高科技农业”
出行更顺利
巩固国防
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数字地球,距离我们有多远?
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(1)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
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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。
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矿石资源分布
从贴近人们的生活看,房地产公司可以将房地
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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。
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世界数字图书馆
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
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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。
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(2)打造“高科技农业”
二十一世纪农业要走节约化的道路,实现节水农业、优
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质高产无污染农业。这就要依托数字地球,每隔3~5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,农田实施作业,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。
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Satellite image and derived soils map of Motueka River
catchment, New Zealand
植物水分含量
叶绿素含量
Chlorophyll-a Concentration mgm-3
(3)出行更便利
将采集到的各种道路交通及服务信息经交通管理中
驶员、居民、警察局、停车场、运输公司、医院、
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心集中处理后,传输到公路运输系统的各个用户(驾
救护排障等部门),出行者可实时选择交通方式和交
通路线;
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汽车导航仪
交通管理部门可自动进行合理的交通疏导、控制和
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,
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事故处理;运输部门可随时掌握车辆的运行情况,
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。
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(4)巩固国防
数字地球是后冷战时期“星球大战”计划的继续和
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。
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发展。在美国眼里,数字地球的另一种提法是星球
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。
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这其中包括了地形地貌侦察、军事目标跟踪监视、
场仿真、作战指挥等等方面,对空间信息的采集、
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飞行器定位、导航、武器制导、打击效果侦察、战
处理、更新提出了极高的要求。
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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。
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3.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”。
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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
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关键技术-(1)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
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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。
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(2)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
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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。
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(3)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,
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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1∶1万以上比例尺的测图、
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。
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Spatial Resolution
空间分辨率
© Space Imaging
Landsat
30m
IKONOS
4m
DOQ
0.5m
(4)虚拟现实技术
虚拟现实(Virtual Reality|VR)是近年来出现的高
术、传感与测量技术、仿真、人工智能、微电子等
科学技术。
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新技术,它综合集成了计算机图形学、人机交互技
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。
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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。
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(5)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。
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二、数字水利
1. 数字地球的内涵
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。
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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。
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水利部在“十五”期间水利信息化建设的主要
任务中明确指出:“到2010年,全国各大流域
机构都将全面建成以‘3S’技术为基础、以大
型数据库为支撑的‘数字化流域’,进而形成
全行业的水利信息公用平台和覆盖全国的水利
信息网络,规划的9个大型应用系统全面建成
并投入运行,全行业实现水利信息化。”
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全国七大流域电子沙盘系统
基于地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、网络(IT)、数据库(DB)、虚拟现实(VR)
等现代高新技术,再现全国、七大江河流域、重点河系及重点保护区三维地形、
地貌场景,并在三维场景上展现防洪工程体系以及相关的场景属性信息。
能够将雨情、水情、工情等防洪抗旱减灾信息在三维地形地貌环境中进行逼真
展示,为我国防洪抗旱决策支持系统、防汛会商系统、洪水风险图等提供高水平
的三维空间信息平台。
数字水利
“数字水利”的应用不仅仅局限在防洪抗旱,
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。
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它还能够为流域内水量调度、水土流失监测、
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数字水利
水利行业自80年代初开始应用遥感(RS)技术,
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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。
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三、3S技术的水利应用
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
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面积泥石流、滑坡等山地灾害的影响范围.
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淮河、荆江、长江洪水预报、预警与调控系统
黄河下游防洪工程体系图
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
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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.
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3.土地资源调查
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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.
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从1989 至 1991摩洛哥莫拉森林变化情况
遥感可见光波
段反映出的植
被变化情况
4.工程规划与管理
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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.
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5.防洪减灾及业务运行
星载和机载侧视合成孔径雷达(SAR)实时监
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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.
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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
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
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水文模型,计算出在全球未来气候变化情况下区域水
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.
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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
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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1∶2000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.
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四、应用实例分析:
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实例一、防洪减灾
1. 洪灾损失
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
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2.治理的手段
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工程措施主要有:
疏
防
拦
排
退
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非工程措施主要有:
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。
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3. 应用情况
(1)实时监控
可供水利部门使用的微波通信干线已达15000km,
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
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微波站有500个。
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。
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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。
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
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在决策后又基于GIS作出抢险物资及居民避险迁安
都是系统能发挥的作用。
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(2)雨情监测:
常规监测
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
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遥感监测
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(3)洪涝灾害灾情监测及评估
1) 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。
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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。
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2)洪涝灾害灾情评估方法和手段
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。
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a.灾前评估方法
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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。
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b.灾中评估方法
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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。
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c.灾后评估方法
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。
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实例二
“3S”技术在水资源与
生态环境管理中的应用
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
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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,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
源可持续开发利用具有重要意义。
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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。
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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
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
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进一步开展工作,其基础是利用土地利用状况的动
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。
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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
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
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地利用状况成果,然后利用GIS技术进行生态分区,
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)。
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4. 根据遥感资料推求作物需水量
遥感辐射
地表物
理特征
• 反射率
•地表温度
•植被指数
•叶面积指数
腾发量
遥感模型
腾发速率
作物需水量
Evapotranspiration using SEBAL algorithm: August
1999
Overlaid on AVHRR image at 1.1 km resolution
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
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。
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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。
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。
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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
区域水资源实时监控系统
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信息系统
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实例三、旱情监测
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。
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(二)影响干旱的主要因素
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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。
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(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。
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二、常规干旱指标
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(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。
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(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。
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三、旱情的遥感监测原理
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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。
73
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
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3.旱情的微波遥感监测方法
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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。
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水环境监测、评价
与管理
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实例四
一、水质指标
在最新的《地表水环境质量标准》中,将标准项目
饮用水地表水源地补充项目和集中式生活饮用水地
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分为:地表水环境质量标准基本项目、集中式生活
表水源地特定项目。
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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
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;
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别执行相应类别的标准值。
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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
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
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稚幼鱼的索饵场等;
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;
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V类:主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。
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二、水质监测
水质监测工作的内容主要包括数据采集、数
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据分析与传输。
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;
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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
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
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查、污染源调查、水污染事故调查、水污染动态监
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。
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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
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
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集瞬时样品(或累积样品)后,将样品送往
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。
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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
间隔,自动完成从样品采集、整理分析、数
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测站可在无人值班的情况下,按规定的时间
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。
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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
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
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藻类类型及其生长密度,掌握水体富营养化程度;
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。
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实例五
“3S”技术在水土保持
中的应用
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。
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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,
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)。
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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,
侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和工程侵蚀等6种一级类
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将全国侵蚀类型分为水蚀、风蚀、水力、风力复合
型。
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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,分为戈壁沙漠及风沙地区、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。
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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。
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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。
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3.土壤侵蚀量估算
Arc/Info系统的地图代数功能,将各
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根据各因子影响度的分析,利用
因子图进行叠加分析,得到综合因子得
分图。
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实例六
灌溉面积监测与规划
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
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久失修老化、功能衰退与丧失的问题。
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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。
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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
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
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高分辨率数据,由于有效灌溉面积是一个时段里具备一
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。
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根据目前能够方便得到的遥感数据条件,
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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
102
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…
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103
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。
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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;
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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。
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(二)跟踪监测概化方法
虽然有卫星天天过境多次,但由于地球表面多数时
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
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候有云覆盖,要想得到同一区域连续的晴空遥感图
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。
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实例七
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“3S”技术在河道动
态监测中的作用
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。
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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。
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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
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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。
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河道中阻水建筑物的动态监测
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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。
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实例八、遥感在水库库
容和湖泊动态变化监测
中的应用
一、水库库容动态变化监测方法
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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
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应用卫星遥感技术复测水库库容曲线,关键
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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。
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。
114
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
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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。
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洞庭湖面积和容积变化表
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本章总结:
“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
“3S”技术在旱情监测中的应用
“3S”技术在水环境监测、评价与管理
“3S”技术在水土保持中的应用
“3S”技术在灌溉面积监测中的应用
“3S”技术在河道动态监测中的作用
“3S”技术在水库库容和湖泊动态变化监测中的应用
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117
本课程主要参考文献:
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[1] Jos G. Timmerman and Sindre Langas, Environmental Information in
European Trans-boundary Water Management, IWA Publishing,
Alliance, House, 2004 (图书馆工学分馆外文阅览室)
[2] Glaus Btenner, Stuttgart, 47th Photogrammetic Week, Interactive
modeling tools for 3D building reconstruction,1999(图书馆工学分馆
外文阅览室);
[3]常庆瑞等,遥感技术导论,科学出版社,2004年(图书馆工学分馆中
文阅览室);
[4]郭生练主编,水问题研究与进展,湖北科学技术出版社,2003年(图
书馆工学分馆中文阅览室);
[5]李树脂等,高效三维遥感集成技术系统,科学出版社,2000(图书馆
工学分馆中文阅览室);
[6]李德仁等,空间信息系统集成,武汉测绘科技大学出版社,2000(图
书馆工学分馆中文阅览室);
[7] 中国水利现代化研究 顾浩 中国水利水电出版社 2004年12月 (图书馆
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工学分馆中文阅览室) ;
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网络资源:
武汉大学图书馆-中国知网-高级检索-水
利现代化+进展(关键词);
[9] 武汉大学教务部-武汉大学课程中心-通识
选修课-数学与自然科学类-水利工程现代化
技术(P5)
http://kczx.whu.edu.cn/Able.Acc2.Web/Te
mplate/View.aspx?action=view&courseTyp
e=0&courseId=26376;
[10]课程邮箱:[email protected]。
[8]
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武汉大学水利水电学院
119
119
119
思考题(只作为弥补缺勤):
价方法和评价指标体系;
(2)简述国内外水利现代化建设动
态及趋势;
(3)结合实际对我国水利现代化建
设进行展望.
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(1)简述中国水利现代化内涵、评
120
120
考核方式
● ●考勤10%+课堂作业
20%+开卷考试70%。
● ●第12周4发试卷和课堂作
业;
● ●第13周4收试卷与课堂作
业!
121
课堂作业
题目:谈谈你选修《水利现代化》的
理由以及你对这门课的期望
要求:
(1)真实
必须切合实际,敢于说真话。
(2)格式
1)手写,字数不限;
2)必须有标题和个人信息,即:学号、姓名、
院系。
(3)提交方式:
第1周-12周4交到课堂。
122