水文與水管理中的遙感技術

《水文與水管理中的遙感技術》是2006年由中國水利水電出版社出版的圖書

基本介紹

• 書名：水文與水管理中的遙感技術
• ISBN：9787508435824
• 定價：58
• 出版社：中國水利水電出版社

基本信息

書名:水文與水管理中的遙感技術

出版社:中國水利水電出版社

定價:58

條形碼:9787508435824

ISBN:ISBN 7-5084-3582-6

作者:[德]Gert A.Schultz [美]Edwin T.Engman

印刷日期:2006-4-1

出版日期:2006-4-1

精裝平裝_開本_頁數:平裝16開,456頁

中圖法:

中圖法一級分類:

中圖法二級分類:

書號:

簡介

前 言

一些諮詢工程師曾經告訴本書的作者："如果你了解遙感，你就可以在不存在數據，甚至是在不具備地面測量條件的地方獲得水文數據。因此，在開發中國家就能夠根據需要的容量設計出一個飲用水供水水庫。"另一方面，作者被告知："由於不可能通過遙感數據估計地面水資源和地表徑流，因此遙感並不是十分有用的。"本書的主要目的是給讀者提供一些關於遙感在水文和水管理領域的潛能和局限性的正確信息，來糾正這類未被證明正確性的猜想，以及言過其實的批評。

本書可以用作參考書籍或教科書，而非會議論文的匯總。本書旨在提供一些方法，幫助讀者解決在水文和水管理中遇到的問題。因此，所提出的科學問題只是遙感套用中所必需的。讀者將會在一些領域中看到(如蒸散發量、工壤含水量和水文模型等)。儘管已經可以使用一些可操作技術(如融雪徑流模型、工地利用分類、土地利用變化檢測、洪水預報與控制)，但這些科學問題仍舊處於發展階段。此外，讀者將會通過本書認識到，在許多情況下，遙感數據僅僅是其它數據的輔助信息，例如：數字地圖、數字高程模型、現代液體比重計數據等。在大多數情況下，遙感不能替代傳統數據，但是可以擴大傳統數據。

在水文和水管理中遙感的套用不僅要求大量遙感數據，而且要求存取到要求的硬體或軟體中。希望讀者意識到這樣一點，近幾年使用和操作遙感數據已經大大地簡化，並且價格低廉。前幾年需要在昂貴的專用計算機上才能夠完成的任務，現在採用台式機就可以完成，以合理的價格就可以獲得高性能的計算機系統和功能強大的軟體。我們也看到，儘管遙感數據到水文信息的轉化算法變得越來越多，越來越複雜(可以處理多個衛星的數據，或者將衛星數據與傳統數據融合)，但是它們分布在良好的用戶操作界面中，易於使用。而且，遙感數據、地面真實情況(例如來自現代液體比重測量設備的信息)和功能強大的軟體的結合占據著主導地位，例如GIS(地理信息系統)對水文學者和水管理者的研究來說是相當有用的工具，可幫助他們解決遇到的問題。

本書期望針對的讀者包括水文學者和水管理者，即土木王程師、環境工程師、地球學家和農業工程師。提供的這些信息強調了在水文監測、建模以及水資源管理決策中遙感數據可能的套用。

由於遙感數據獨有的特性，出現了許多新的技術，它們具有與傳統水文和水管理數據和模型不同的結構。而且，這些結構可以提供新穎和獨特的信息，這一般是不可能從傳統的測量方法和模型中獲得的。

此外，我們發現越來越多的大學院系(例如土木工程、農業和地球科學)開設了遙感理論和套用的課程。這本書對這些專業的學生也是有價值的，因為本書提供了遙感在水文和水資源管理中套用的最新綱要。

這是一個自然科學和技術科學領域中的知識增長給人們留下深刻印象的時代，也是一個相關技術快速變化的時代。編輯們意識到這些信息中的絕大部分分散在以學科為導向的刊物和出版物中。基於編輯們自身的科學研究工作和長期的國際交流活動，他們意識到如果能夠將這些信息收集編輯成一本書，對水文和水管理學術團體將是十分有益的。編輯從9個不同國家的許多學術團體中精選出25人作為本書的作者。雖然本書將近500頁，但並不是全面的，因此書中給出詳盡的參考文獻，總計有700多篇，這對幫助讀者理解本書所講述的內容是十分重要的。

不僅要感謝合作了四年多的所有作者，而且感謝JoachimGeyer，他協助進行了各章的編輯工作，感謝Springer-verlag統籌了本書的製作和出版。

Gert A．Schultz

德國波鴻魯爾大學

Edwin T．Engman

美國馬里蘭格林貝爾特國家航空和

宇宙航行局(NASA)/戈達德宇宙航行中心

目錄

第一部分 概述與基本原理

1 概論 3

1．1 引言 3

1．2 遙感的定義 3

1．3 遙感數據的本質 4

1．4 衛星系統 5

1．4．1 遙感平台 6

1．4．2 遙感感測器 9

1．4．3 空間解析度 10

1．4．4 時間解析度 11

1．5 遙感與水文學 11

1．6 本書的結構 12

2 遙感的物理原理和技術要點 14

2．1 引言 14

2．2 電磁光譜和輻射率 14

2．3 大氣傳播 18

2．4 自然介質的反射和發射特性 22

2．5 感測器原理 26

2．6 現在和未來的地球觀測任務概述 31

3 遙感數據處理：硬體和軟體準備 34

3．1 圖像處理系統的特點 34

3．1．1 中央處理器(CPU)：個人電腦、工作站和大型機 34

3．1．2 系統分析員人數及操作方式 35

3．1．3 串列與並行圖像處理、算術協處理器和隨機存取存儲器(RAM) 37

3．1．4 作業系統和軟體編譯器 3了

3．1．5 大容量存儲 39

3．1．6 螢幕顯示解析度 4l

3．1．7 螢幕顏色解析度 41

3．1．8 圖像掃描(數位化)思考 42

3．2 圖像處理和GIS軟體套用 43

3．2．1 預處理 44

3．2．2 顯示和加強 45

3．2．3 遙感信息提取 45

3．2．4 攝影測量的信息提取 46

3．2．5 元數據和圖像/地圖系列文檔 46

3．2．6 圖像和地圖的製圖成分 49

3．2．7 地理信息系統(GIS) 49

3．2．8 套用 49

3．3 經濟實用的數字圖像處理系統 50

3．4 小結 50

4 遙感信息數據與地理信息系統的集成 57

4．1 引言 57

4．2 一般方法 59

4．2．1 柵格和矢量數據結構 59

4．2．2 現有集成方法 6l

4．2．3 與地理數據處理過程相關的誤差 63

4．3 當前的套用 64

4．3．1 流域資料庫的開發 64

4．3．2 高程數據的集成使用 64

4．3．3 土地利用/土地覆蓋類型變化監測 65

4．3．4 流域徑流量建模 66

4．3．5 水質監測與建模 68

4．3．6 土壤侵蝕監測 68

4．4 展望 69

第二部分 遙感在水文監測和建模中的套用

5 水文建模中的遙感 77

5．1 引言 77

5．2 實際水文模型中遙感的套用 78

5．3 耦合水一能量平衡模型中的遙感 82

5．4 遙感方法 83

5．4．1 太陽輻射 84

5．4．2 下降長波 84

5．4．3 降水 85

5．4．4 氣溫 85

5．4．5 表面空氣濕度 86

5．5 模型實例：紅河一Arkansas流域 87

5．6 發展方向 88

6 降水 103

6．1 引言 103

6．2 一般方法 104

6．2．1 地面雷達 104

6．2．2 可見光和紅外線衛星數據的使用 105

6．2．3 無源微波衛星數據的使用 106

6．2．4 航天雷達 106

6．3 當前技術 107

6．3．1 降雨的單偏振雷達測量 107

6．3．2 降雪和雹的測量 110

6．3．3 多參數雷達 11l

6．3．4 降雨量估計的衛星雲指數和生活史方法 112

6．3．5 雙光譜技術 114

6．3．6 空間降雨的無源微波估計 115

6．3．? 採樣誤差 116

6．4 改進的潛力 118

6．4．1 當前的性能標準 118

6．4．2 展望 119

7 土地利用和流域特徵 125

7．1 引言 125

7．2 用遙感繪製土地覆蓋類型地圖 126

7．3 植被指數 127

7．3．1 簡單植被指數 128

7．3．2 歸一化植被指數(NDV)) 129

7．3．3 精確的估計 131

7．3．4 多時相植被指數 131

7．4 專題分類 132

7．4．1 圖像分類方法 133

7．4．2 最大似然分類 136

7．4．3 討論 137

7．4．4 機率估計的精確化 138

7．4．5 分割 140

7．4．6 巴西Pantanal地區的範例研究 140

7．5 雷達 142

8 蒸發 148

8．1 引言 148

8．1．1 概述 148

8．1．2 地面蒸發的遙感測量 149

8．2 蒸發和輻射測量的變數 150

8．2．1 潛在蒸發 150

8．2．2 實際蒸發 152

8．3 土地蒸發的遙感測量：套用和模擬方法 154

8．3．1 概論 154

8．3．2 蒸發和地表溫度的線性關係[1] 156

8．3．3 改進的線性關係[2] 157

8．3．4 蒸發、地表溫度和光譜指數的關係[3] 157

8．3．5 土壤-植被-大氣輸送(SVAT)模型[4] 158

8．3．6 集成SVAT和行星邊界層(PBL)模型[5] 159

8．4 當前趨勢：改進的觀測和參數化方法 160

8．4．1 局部最大蒸發量和地表溫度[6] 160

8．4．2 改進的地表變數觀測[7] 163

8．5 空間可變性 165

8．6 精度 166

8．7 套用 167

8．8 目前及未來的觀測 168

8．9 概要和總結 169

9 土壤含水量 187

9．1 引言 187

9．2 一般方法 188

9．3 感測器-目標相互作用 19l

9．4 水文實例 197

9．5 未來微波遙感在土壤含水量測量中的套用 200

10 地表水的遙感分析 206

10．1 引言 206

10．2 地表水采測 207

10．3 湖泊和水庫面積的估測 209

10．4 濕地 211

10．5 湖泊水位 213

10．6 河流水位和流量 216

10．7 洪水範圍 218

10．8 結論 222

1l 積雪和冰 228

11．1 積雪和凍的作用 228

11．2 一般方法 229

11．2．1 Gamma射線 229

11．2．2 可見光圖像 231

11．2．3 熱紅外 232

11．2．4 有源和無源微波 233

11．2．5 相關套用 236

11．3 當前的套用 237

11．3．1 NOHRSC(美國國家套用水文遙感中心)積雪覆蓋和雪水當量

的測量 237

11．3．2 加拿大草原雪水當量製圖 238

11．3．3 融雪徑流的預報計算 240

11．4 未來的方向 243

11．4．1 提高無源微波的解析度 243

11．4．2 改進的無源微波算法 243

11．4．3 雷達套用的前景 243

11．4．4 各種數據類型的綜合 244

12 土壤侵蝕 261

12．1 引言 261

12．2 遙感使用基礎 263

12．3 套用 264

12．4 實例研究 266

12．4．1 圖像解譯/攝影測量 266

12．4．2 模型/GIS輸入 268

12．4．3 光譜特性 269

12．4．4 地形測量 27l

12．5 未來發展趨勢 272

13 水質 278

13．1 引言 278

13．2 遙感的套用基礎 279

13．3 套用 280

13．4 實例研究 281

13．4．1 懸浮泥沙 28l

13．4．2 葉綠素 284

13．4．3 溫度 286

13．4．4 油 288

13．5 未來的發展趨勢 289

14 地下水 295

14．1 引言 295

14．2 水文地質的概念化 296

14．2．1 三維水文狀況 296

14．2．2 地下水水面 298

14．2．3 水流系統 300

14．3 水量平衡 30l

14．3．1 地下水灌溉方案 302

14．3．2 補給 303

14．4 堅硬岩石地形和線性構造 308

14．5 地下水管理與結論 310

14．6 總結與展望 310

第三部分 遙感數據輔助下的水管理

15 遙感在水管理中的套用 319

15．1 引言 319

15．2 水管理中遙感套用潛力 319

15．2．1 觀測和製圖 319

15．2．2 空間分析和分區 32l

15．2．3 監測與預報 322

15．3 遙感支持下的流域規劃 323

15．3．1 引言 323

15．3．2 水文監測和預測 323

15．3．3 流域中的上下游關係 324

15．4 遙感輔助下的流域管理 325

15．4．1 引言 325

15．4．2 水文圖像解譯在流域管理中的套用 327

15．5 小範圍水資源開發和遙感 328

15．5．1 引言 328

15．5．2 在遙感技術輔助下的徑流收集研究 328

15．5．3 洪水的延伸和地下水的補給 329

15．6 灌溉水管理和遙感 329

15．7 水管理的決策支持系統 330

15．7．1 引言 330

15．7．2 專家系統和決策支持系統 33l

16 洪水預報和控制 345

16．1 引言 345

16．2 一般方法 346

16．2．1 模型方法 346

16．2．2 遙感數據的種類和要求 346

16．2．3 從遙感數據中得到水文氣象信息 348

16．2．4 地區降雨到徑流水點陣圖實時預報的轉換 349

16．3 基於遙感數據的洪水預報輔助下的實時洪水控制範例 35l

16．3．1 基本原理 351

16．3．2 雷達降雨量測量套用於Gunz河流域 352

16．3．3 定量的降雨量預報 352

16．3．4 降雨-徑流模型在洪水預報中的套用 354

16．3．5 基於洪水水文預報圖的水庫最優操作 355

16．4 城市環境下的洪水預報和控制 356

16．5 展望 359

17 灌溉和排水 362

17．1 引言 362

17．1．1 現有的非遙感方法及其局限性 363

17．1．2 遙感在灌溉和排水中的套用回顧 364

17．2 一般方法 365

17．2．1 套用與可觀測性對比及算法 365

17．2．2 理論和概念性的方法 365

17．2．3 套用舉例 369

17．3 當前的套用 371

17．3．1 一般套用 371

17．3．2 高解析度的灌溉土地製圖 371

17．3．3 農作物需水量--可見光和近紅外線 373

17．3．4 農作物缺水--紅外線 373

17．3．5 流域水文 374

17．3．6 鹽鹼地的發現 375

17．3．7 灌溉管理 375

17．4 目前和未來的觀測 376

17．5 未來方向和潛力 377

18 無計量河流流域水利工程設計的水文數據計算 385

18．1 引言 385

18．2 一般方法 386

18．2．1 模組1：衛星系統，數據處理 387

18．2．2 模組2：以多時相衛星圖像為基礎估計每月地區降水 389

18．2．3 模組3：徑流量的估汁 391

18．3 套用 392

18．3．1 研究區域和所用數據 392

18．3．2 多時相B2-Meteosat衛星圖像輔助下地區月降水量估計 392

18．3．3 降雨-徑流模型 394

18．4 進一步套用 395

18．5 總結與討論 396

19 土地覆蓋變化趨勢檢測及對水管理的影響 400

19．1 引言 400

19．2 水文模型和土地覆蓋變化 402

19．3 研究實例：西歐Sauer河流域土地利用變化的遙感檢測 404

19．4 總結 412

第四部分 展 望

20 展望 425

20．1 引言 425

20．2 水文研究與建模現狀 426

20．3 水管理 428

20．4 水文學和水資源管理中的數據問題 429

20．5 攻堅計畫 430

20．6 已有的感測器和平台 432

20．7 計畫中和已提出的感測器和平台 433

20．8 遙感和水文學的未來需要 434

縮略語表 449