Transcript 第8章 - 武汉大学课程中心

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？
3
（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。
6
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。
8
（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。
15

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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
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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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
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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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
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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.
33
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.
42
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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
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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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51
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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
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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
66
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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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
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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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70
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。
71
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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。
72
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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74
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。
75
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76
水环境监测、评价
与管理
77
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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。
78

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。
79

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；
80

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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81
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82
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；
83

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。
84
 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。
85
 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。
86
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。
87
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88
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89
90
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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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91
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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92
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。
93
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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94

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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95
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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96
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。
97
98
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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。
99
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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
100
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。
101
 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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
104

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。
105
（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。
106
实例七
107
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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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108
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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
109
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。
110
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。
111
112
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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
113
 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。
115
洞庭湖面积和容积变化表
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116
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：
武汉大学水利水电学院
武汉大学水利水电学院
[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
118
118
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]
武汉大学水利水电学院
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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