遥感数据质量对水文过程的影响研究成果

1　绪　论

1．1　研究背景、选题目的与研究意义

1．1．1　研究背景

水是生命的源泉，是人类生存与社会发展均不可缺少的物质基础。水文学也因此成为国际地球科学发展里的一个重要方面［1］。水文水资源是地球科学的重要分支之一。它是一门研究水的起源、分布、循环等变化规律及其与地理环境、人类活动之间相互关系的科学［2-3］。随着社会经济发展以及城市化进程的加快，用水矛盾越来越突出，水文学研究需要解决的问题越来越复杂。遥感技术在水文学中的广泛应用，推动了水文学的研究发展，但遥感技术如何更好地推动水文学发展是亟待研究的学术问题。

2005年由“国际水文科学协会（IAHS）”主持召开了第七届国际水文科学大会［2］。从20世纪70年代到现在，国际相关组织（如IHP、WCRP、IGBP、GWSP等）实施了一系列国际水科学计划，旨在通过促进不同学科交叉发展的途径来研究全球环境变化与人类活动影响下的水资源循环与水问题［4］。环境的变化对水资源循环的影响研究成为了21世纪水科学的研究热点之一［1］。国际水文学研究的趋势是日益重视人类活动对水文情势的影响以及与环境的相互作用等领域的研究［3］。

地表覆被研究是一个跨地理学、生态学和环境学三门学科的交叉学科，其基础性很强，也是地理学研究中地形、水文、土壤和生物等要素相互作用最强烈的地球表层科学综合研究领域［5］。地表覆被变化是影响气候、生态的重要驱动力，受到国际组织及学者们的高度关注。土地利用/覆被的变化，改变地球表面物理特征，影响与气候直接有关的地表与大气之间能量、水分和动量交换过程［5，6］，从而影响地表水文过程［7］。地表覆盖变化作为全球环境变化的下垫面影响因素，成为全球环境变化的重要研究内容之一，近年来受到国内外学者们的高度关注，其研究取得了瞩目的成果［8］。地表覆盖变化是“变化环境”的主要表现之一，直接体现和反映了人类活动的影响水平［9］。研究结果表明：地表覆盖变化体现了人类活动的干扰程度，是水文变化的主要驱动要素之一［10，11］，是直接或间接影响水文过程的第二个主要边界条件［12］，最终将对流域生态、水土资源合理配置、城市防灾减灾及区域社会经济可持续发展等方面产生显著的影响作用［13］。地表覆盖变化水文响应的研究成为目前甚至未来几十年的研究热点之一［4］。如何更有效地揭示地表覆盖变化对水文过程的影响，是目前亟待解决的问题。

遥感技术在水文科学中的广泛应用，极大地拓宽了水文学研究的领域，并促进水文学更深一步的研究。但是因为遥感信息的分辨率的影响以及水文科学自身问题的复杂性［14］，遥感水文的应用产生了一些困难和问题，影响了遥感在水文研究中的应用。总而言之，遥感技术的发展为水文尺度问题的研究提供了新的技术手段，为遥感水文应用增添了新的亮点，使水文科学迈上新的台阶［15，16］。

水资源评价起始于19世纪末期，一开始称为流域水量统计工作。1977年联合国在马德普拉塔召开的世界水会议决议中，强调水资源评价是保证水资源持续开发和管理的前提。此后，20世纪90年代的“新德里宣言”、“都柏林宣言”以及“21世纪议程”等均强调水资源评价的重要性［17］。这标志着水资源评价研究成为全球关注的研究热点［17］。国际水文计划从第四个阶段开始，日益强调和重视水资源的调查和评价。“3S”技术在很多学科上的应用推动了学科发展，其应用于水资源评估是否适用，其发展给水资源评估造成的影响如何，是值得钻研的科研问题。

1．1．2　选题目的

1）选题目的

地表水文过程的模拟与水资源评估是水文学科的重要研究领域，同时也是关系民生的科学问题。传统研究方法在资料获取方面难度较大，花费高、耗时长，并且大范围的研究区域难度更大。遥感技术的应用，能快速、经济、大量地获取相关数据，为地表水文过程的模拟和水资源评估提供有力支撑。但是，基于现有的遥感影像分辨率及不同分类体系土地利用分类类别差异以及水科学的复杂性，遥感在水文方面的应用产生了困难和问题，并限制了遥感在水文学科的适用性。目前相关应用研究，一方面采取的是根据课题要求解译遥感影像获取所需数据，这样费力耗时，且常常重复性劳动；同时水文学研究者相应技能不如遥感、GIS方面的学者，并不一定能取得满意的结果。另一方面，运用其他人现有的地表覆盖遥感分类数据，往往存在适用性问题而影响模拟数据的准确性。因此，本书基于易于通过共享获取的不同分辨率与不同土地利用分类类别的地表覆盖遥感分类数据，进行地表覆盖遥感分类数据分辨率、分类类别对水文过程模拟及水资源评估的影响研究。一方面探讨可通过共享获取的不同分辨率与不同土地利用分类类别地表覆盖遥感分类数据在水文研究方面的适用性，另一方面探讨水文研究对地表覆盖遥感分类数据的分辨率与分类类别的敏感性和要求，为水文研究的地表覆盖遥感分类数据选取提供参考。同时，通过此研究反馈出水文应用对遥感数据的要求，使遥感专家们在进行相关研究时更清楚水文学应用对遥感数据的需求，可推动遥感与水文学的学科交叉发展。

2）研究区选定

江苏省社会经济发展迅速，地表覆盖变化较大，河网水系密布，满足选题的研究区条件。在该区域进行相关应用性研究具有学术意义与实际应用价值，但全江苏省范围过大，于是本书选择该区域研究基础较好的三个研究区，分别属于苏北、苏中、苏南不同地区，综合反映地表覆盖遥感分类数据在江苏省的应用效果。基于研究的实用价值与研究基础，本书选取包括南水北调干线受水区区域在内的江苏省苏北片区为研究区，评价地表覆盖遥感分类数据分辨率对地表水资源评估的影响；选取城市化快速发展的太湖流域为研究区，基于河网水文模型进行地表覆盖遥感分类数据分辨率流域水文过程模拟的影响以及地表覆盖变化的区域水文效应研究；选取已有SWAT模型成功应用的秦淮河流域为研究区，采用SWAT模型分析不同土地利用分类类别对区域径流模拟的影响作用。

1．1．3　研究意义

在全球环境变化问题中，地表覆盖变化是自然与人文过程交叉最为密切的要素［18-24］。地表覆盖变化对地表水文过程的影响研究是目前的研究热点，处于研究领域前沿［25-39］。基于不同时期地表覆盖遥感分类数据探讨高速城市化区域的地表覆盖变化的水文响应，对区域水资源利用与可持续发展意义重大。地表覆盖遥感分类数据的分辨率、分类类别是水文模型模拟精度的主要影响因素之一。其研究对水文问题有重要的作用，因此具有重大的科学意义［14］。国内外到目前为止开展了很多地表覆盖变化的水文效应、环境效应方面的研究［40-47］，但往往只是证实了地表覆盖变化对水文与水环境产生影响［48-56］，而定量化地描述地表覆盖变化的影响作用的研究，特别是遥感影像的分辨率与分类类别引起的地表覆盖遥感分类数据变化对水文模拟结果的影响研究比较少见［57-59］。本书从水文学研究当前的研究热点出发，基于不同保证率水文资料和不同时期地表覆盖遥感分类数据进行了地表覆盖遥感分类数据的分辨率、分类类别对水文模拟的影响以及降雨与地表覆盖变化对流域水文过程影响的综合探讨性研究，尝试提出一些新的研究思路和方法，具有较强的学术开拓和科学创新意义。

其次，水资源评估是水资源利用的基础，是水资源可持续开发与管理的依据［17］，也是区域经济发展和人民生活的重要保障。降水是水资源量变化的主导因素之一，而人类活动影响造成的流域下垫面条件变化对水资源量的影响也相当重要。“3S”技术的发展，为获取流域下垫面变化情况提供了方便，但其准确性会影响水资源评估的精度。因此，本书基于不同分辨率的地表覆盖遥感分类数据，研究“3S”技术对水资源评估准确性的影响，为该地区水资源供需与总量控制提供基础依据，具有极强的科学意义与实际应用价值。

1．2　地表覆盖变化水文效应研究进展

1．2．1　地表覆盖变化的水文响应研究进展

1）地表覆盖变化研究进展

“3S”技术的发展，为土地利用/覆被数据的获取提供了方便，推动了土地利用/覆被的研究。土地覆被是指覆盖地面的自然物体和人工建筑物，反映的是地球表面情况［59-71］。土地利用是指人类对土地自然属性的利用方式和状况，它反映的是人类活动［59，72-76］。地表覆盖变化不仅改变地球的表面反照率和存贮碳的能力，还影响物质的循环和能量的分配［8］。地表覆盖变化与全球变暖、环境污染、生物多样性减少、水土大量流失、土地的荒漠化等环境问题息息相关，也是全球环境变化的主要体现和原因之一［8，60-63］。1995年，国际科学联合会的“国际生物圈计划”和国际社会科学联合会的“国际全球环境变化人文因素计划”两大国际计划一起拟定和发表了“LUCC科学研究计划”，并将此计划列入核心项目［8］。1996年，在荷兰举行的国际会议上提出了与地表覆盖变化研究有关的5个框架问题和3个重点研究领域［60，64］。之后，引发了地表覆盖变化研究热潮，其他国际组织和国家也启动相关研究项目，取得了一系列成果［8，77-88］。

（1）地表覆盖时空变化研究

研究者们通常采用GIS的空间叠加分析功能来评价与分析研究区地表覆盖的变化，基于土地利用类型转换矩阵的计算可以确定其相互的转换情况［8，65，66］。邵怀勇等［67］建立了转出速度、转入速度、综合动态度、状态指数等模型，应用遥感和GIS技术及数理统计学的方法，深入而全面地研究了三峡工程实施十年间开县地表覆盖变化的过程。高照良等［68］利用景观格局数量指标计算法，并运用马尔可夫链转移矩阵研究不同时段土地利用/覆被的时空变化以及变化趋势。杨桄等［69］的研究结果显示：长岭县的土地利用变化总趋势是耕地、林地和盐碱地面积不同程度的增加，草地面积的大量减少，并伴随着日益加剧的沙化和盐碱化。邹滨等［70］全面分析了通榆县22年来地表覆盖类型的时空景观变化特征。其中研究区地表覆盖在时序上也呈现出草地迅速减少、重度盐碱地大面积增加的趋势；在空间景观上呈现出耕地、草地、林地高度破碎与重度盐碱地高度集聚的特征。

（2）地表覆盖变化模拟模型研究

常用于预测地表覆盖变化的数量的相关模型主要有：随机模型、优化模型、着重于过程的模型等［82］；用于研究空间变化的模型通常是基于地表覆盖变化和驱动因子之间的经验性定量关系以及与动态模拟相结合的模型，主要有土地利用及其效应转变的模型、元胞自动机（CA）模型、土地利用及其影响模型［83］、土地利用/覆被长期变化预测模型等［84］。杨梅等［85］着重分析了土地利用与土地覆被变化的驱动力机制及其模型研究的国内外进展，并总结了各个模型的特点及其适用范围，在这里不一一具体阐述。很多学者采用模型模拟地表覆盖变化。例如，Clarke等［86］模拟了美国旧金山地区的城市发展；White等［87］运用约束性CA模型成功模拟了辛辛那提土地利用的变化；Li X等［89］进行了东莞市的城市扩张系列研究。CA-Markov模型不仅具有CA模型的模拟复杂空间变化能力还具备Markov模型的长期预测优势。因此它既提高了预测精度，还可以有效地模拟空间变化，有较强的科学性与实用性。刘淑艳等［90］利用该模型进行了黄土高原流域的土地利用未来时空变化模拟。

2）地表覆盖变化的水文响应研究进展

目前的研究结果表明，在短时间尺度上，地表覆盖变化是水文变化的主要驱动要素之一［10，91］。地表覆盖变化改变了地表植被的截留量、地表蒸发及土壤水分的入渗能力，进而对流域的水文情势、产汇流机制以及水量平衡产生影响［92-96］，进而对水文过程产生影响。王腊春等［45］、许有鹏等［95］、王艳君等［57］、刘敏等［97］等都对长江三角洲地表覆盖变化的水文响应做了一些研究。尽管研究区域和研究方法不同，但研究结论都表明地表覆盖变化是导致径流量变化的主要因素之一。近年来，地表覆盖变化的水文效应研究已成为国际水文研究的前沿和重点［96］。Bronstert等（2002）总结了影响水文过程与水文循环的土地利用变化/覆被因素，得出的结论是：在区域尺度上影响水文过程的主要因素为植被变化、河道水网的改变、农业开发活动、道路建设以及城镇化等［4，93］。本书针对各类下垫面变化的水文响应分别总结地表覆盖变化水文响应的研究进展。

（1）城镇化水文响应研究

不透水面积变化的水文响应是城镇化的水文响应的主要表现。城镇化对下垫面的影响就是不透水面积大量增加［94］。城镇化是影响水文过程最主要的地表覆盖变化表现之一［93］。伴随着城镇化进程的不断加快、经济的发展与人口的迅猛增长，城镇及其周围区域的其他土地利用类型均不同程度地转变为城镇用地，这就使得不透水面积急剧增加。这些变化均非常显著地影响雨水的截留、下渗、蒸发等水文要素以及产汇流过程［13，47，98，99］，影响流域的水资源循环过程，导致径流系数变大、洪峰流量增大、汇流时间缩短、洪水波形更尖陡、基流量减少等情况发生，加大了洪涝灾害发生的频率和强度［100-103］。20世纪60年代起，国外就开始了对城镇化水文响应的相关研究。Leopold等［104］陆续展开城镇化对洪水过程的影响研究，结果表明城镇化发展使洪峰流量达到未开发时的2～5倍，迟滞时间是开发之前的1/2～1/5，且城镇化流域洪水发生更为频繁。Hammer［105］和Hollis［106］的研究成果均表明，流域内的不透水面积比例达10%或以上时，会对流域水文过程产生重要的影响。Brun和Band［107］对城镇化导致流域径流过程变化的研究，表明当不透水面积比例超过20%，径流系数会有较大变化。Camorani等［108］通过半分布水文模型SWMM模拟了农业集水小区在近50年来城镇化过程中地表覆盖变化对洪水过程的影响，结果表明随着城镇用地的扩张、不透水面积的增加，洪水的风险性加大；同时，地表覆盖变化对洪水效应的影响随着暴雨重现期的增加而减弱。近年来，史培军等［99］、郑璟等［109］选择深圳和上海城镇化较为显著的城市作为研究区域，通过设计暴雨频率情景下的城镇化显著地区的水文效应研究，表明城镇化给流域水文过程带来的影响是洪峰流量的增大，汇流时间的变短；进一步研究降雨量越大、前期土壤越湿润，地表覆盖变化对径流影响会越小［110］。秦莉俐等［111］以浙江临安市的南苕溪以上流域为研究对象，运用L-THIA模型研究城镇化对径流的影响，结果表明给予相同降雨条件，下垫面条件的变化是导致径流量变化的主要因素，且随着城镇化的发展，径流深度和径流系数有显著增加。

综上所述，城镇化会引起流域水文过程变化是可以肯定的，但不同流域城镇化的程度不同，流域的特征和流域内城镇化发展空间的差异均会造成流域城镇化导致的水文过程变化也不尽相同。因此，选择典型区展开研究，对于推动城镇化水文响应研究具有重大意义。目前，仍需要开展大量典型区域的实例研究和不断深入总结经验与理论探索，研究城镇化对流域水文过程影响的理论体系。

（2）水面变化的水文响应研究

流域内湖泊、河流水系产生变化后，改变产汇流过程的地表覆盖要素，导致对流域水文过程的影响。目前，与地表覆盖变化和人类活动的影响研究相比，关于水面面积变化而引起的水文效应研究较少。一般高等级主干河道因疏浚作用以及不透水面积增加引起的径流流速、洪峰流量和洪水总量增加而变宽，低等级河道则因为淤积以及城市建设“与水争地”而逐渐变窄甚至消失［112］。中国学者对太湖流域的研究发现河道淤积严重，数量减少［113］，同时在地表覆盖变化的影响下，湖泊、河网水面面积大量缩减。此外，袁雯等［114］在中国东部的研究，表明河网密度、水面率、河网调蓄能力均呈下降趋势。

（3）林地变化的水文响应研究

国内外学者对于“林地是否能减少年径流量、调节枯水径流、能否削减洪峰”等水文效应问题进行了很多研究［4，115］。其中，Bosch等［25］对全球94个试验流域进行分析得出结论：林地的减少使流量增加，空旷地的造林一般会使径流总量减少［4，110，115］。Calder［116］研究结论是：与农作物和草地等相比，林地通常会减少流域的径流量，与Bosch结论一致。石培礼等［117］在对我国森林植被变化水文效应文献综合分析的基础上得出结论：不同地区森林植被变化对径流的影响幅度相差较大。部分学者认为，在枯水季节，降水减少，林地土壤含蓄的水分能增加枯水径流量［4，20，110，115］。也有人持相反的观点，认为传统耕作流域的枯季流量比有林流域的枯季流量大［4］。周晓峰等［118］在中国松花江水系的研究结果表明，森林覆盖率每增加1%，枯水期径流则减少1．5～7．5 mm。李丽娟等［98］采用特征变量时间序列法和降水-径流模型进行水文效应研究，结果表明：林地增加使流域年径流和月径流呈下降趋势。谢晓云等［119］采用SCS模型对贵州平湖流域进行不同生态恢复情景下的土地利用覆被变化的径流深水文响应进行模拟，结果表明：平湖流域林地和草地对水源涵养具有重要作用，且林地的涵养作用大于草地，而耕地的增加使径流深增大，加剧了水土流失。中野秀章［22］认为，降雨强度是主要影响因素。

综上所述，林地拦蓄洪水的作用是有条件的。其中，土壤前期含水量、降雨的强度与历时、枯枝落叶层含水量的饱和程度、土壤层的厚度、森林所处的地形地貌、流域尺度的大小等等，都不同程度地影响着森林洪水效应。林地的水文效应问题仍然很有争议，需要进一步研究。

1．2．2　RS与GIS支撑下水文研究进展

“3S”技术是遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）的总称。利用RS的大面积且快速地获取地表覆盖信息的功能，GIS的空间分析、查询以及综合处理的能力，GPS的快速定位与准确获取数据特征，使三者有机结合，形成一个体系［120-123］。在20世纪后半叶，遥感和地理信息系统作为一门新兴的科学和技术，迅速地成长起来［124］。目前，遥感和地理信息系统在多个学科领域被广泛运用，包括军事、农业、工业、环境监测、找矿、交通、作物的估产、土地利用变化等方面［120-123］。

遥感顾名思义即遥远的感知，就是利用特定装置，不直接接触，而是通过被研究对象的光谱特征收集其信息，然后通过处理与分析，提取出所需或有用的信息的一种技术。“遥感”一词最早由美国的伊夫林·L．普鲁特（海军研究所）提出。之后，在1962年美国密执安大学第一次国际环境遥感大会上通过讨论被采用［120，122，124］。最早的人造地球卫星是前苏联于1957年发射的，开创了遥感的研究先河［120］。之后，20世纪60年代美国航天局发射了气象卫星“雨云”等以及载人航天器“阿波罗”等，而且还用摄影机记录了地球卫星影像［120，122，124］。1972年7月23日，美国经过多年研究成功发射第一颗地球资源卫星（ERTS）专门服务于地球资源遥感，主要用于收集各类土地光谱、进行遥感数据的处理、分析和判读等；之后美国又发射了第二颗地球资源卫星（LANDSAT）［125，126］。此后，遥感进入快速发展时代。1999年9月24日，美国发射了对地分辨率仅为1 m的商用卫星IKNOS。其发射标志着美国遥感技术的国际领先地位［120］。目前遥感技术在美、俄、英、法、加、日、印、中等国家均已发展得较为成熟，应用也比较广泛［120］。

GIS是20世纪60年代开始发展的一门集信息科学、地球科学、空间科学于一身的综合学科［123］。R．F．Tomlison博士（加拿大测量学家）于1963年提出了将常规地图以数字的形式存进计算机的想法。两年之后他建立了世界上的第一个GIS（地理信息系统），其主要用途是进行自然资源管理与规划［126，127］。随后，美国相继成立了州信息系统全国协会（NASIS）以及城市和区域信息系统协会（URISA）［120，127，128］。1968年，国际地理联合会（IGU）设立了地理数据收集和处理委员会（CGDSP）［120，124，128］。这些组织在推动GIS技术发展中起了关键的作用［128］。20世纪70年代，越来越多的商业机构开发大量的地理信息系统软件，使得GIS得到了大大的推动和发展［123，127］。目前，计算机和全球信息网络技术飞速发展，又推动GIS技术的发展进入了一个崭新的时代［120］。

美国、日本、加拿大、印度等国家在遥感与地理信息方面都取得了长足的发展。在森林遥感应用领域，各种植被指数已普遍地用来作为特征值去定性和定量评价植被覆盖和它的生长活力［120，122-124］，目前发展了40余个植被指数［129］。Jonas Ardo（瑞典隆德大学）于1997年利用“3S”技术进行森林破坏评估研究，研究结果为该地区环境监测与保护提供了依据［122-124，130］。

我国也是开展“3S”技术较早的国家之一［120］，并成功运用于很多方面，比如“3S”集成技术应用于辅助武汉市进行城市温度场分析；洞庭湖地区的防洪监测；山东省组建用于指挥人工降雨的“3S”系统［120-124，131］。“3S”技术在我国的发展可以分为三个阶段［120-131］：①20世纪80年代初，起步阶段。如第一次用遥感卫片里获取的国土面积和耕地数量来辅助全国土地调查。②80年代末，开始为政府决策提供依据。如基于遥感的调查为黄土高原三北地区的经济发展与生态建设提供相关依据；基于遥感技术进行的西藏土地详查为该地区的开发提供了决策依据。③90年代，运用、扩散阶段。我国各地区纷纷开始基于“3S”技术来进行土地资源的调查、森林面积的测算、大范围农作物的估产等方面的应用研究。有学者基于遥感技术进行了黄淮平原的春旱监测，该监测系统能监测近40万km2范围，并且能提供每隔10～15天的灾情分布图［132，133］。随着科技的发展，“3S”技术的发展将进入一个全新的阶段［132］。

1）RS与GIS支持下SWAT模型的研究进展

SWAT模型是在20世纪90年代美国农业部开发的一个半分布式模型，其全称是土水评价工具［134-136］。SWAT模型主要用以模拟流域水文、地形、土壤、土地利用等对径流量、营养元素、泥沙流失量等的影响［137，138］以及流域农业耕种管理措施。

SWAT模型通过研究者们多年的研究改进，随着RS、GIS与计算机技术的快速发展，该模型迅速发展，不仅得到了广泛的应用还在运用中得到了优化［139，140］。SWAT模型自90年代初正式问世以来，在不断地改进和升级，先后出现多个版本：SWAT　94．2、SWAT　96．2、SWAT　98．1、SWAT　99．2、SWAT　2000。这些版本都增加了新的模块，如划分水文响应单元，以提高产出预测的精度；修改了营养成分、湿地模块；改进了高程处理过程等等。AVSWAT　2000将SWAT模型推入了一个新的高峰，将SWAT　2000作为Arc View的一个扩展模块在GIS软件中使用，使SWAT具备了更强的空间数据处理和分析的能力。随后又出现了具有敏感性分析和自动校准等功能的AVSWAT　2005和AVSWAT　2009。ArcSWAT系列的产生，又将SWAT作为扩展模块添加进了空间分析功能更加强大的ArcGIS软件中［137］。至今，SWAT模型发展比较成熟，广泛用于不同区域不同尺度的非点源污染负荷方面的研究中，已经成为水资源保护管理规划中不可或缺的工具，在美洲、欧洲、亚洲等许多国家和地区得到了普遍的应用与验证［137-141］。

SWAT模型研发过程中，水文模拟是该模型的主要研究方向之一［141-151］。Arnold等［140］基于SWAT模型在地表覆盖变化条件下进行了研究区地表径流与地下径流的模拟，并与实测数据对比，结果显示模型模拟的结果与实测值的相关系数达0．79～0．94，表明SWAT模型能较好的进行流域水文过程模拟。Amatya等［142］采用SWAT模型进行Chapel Branch流域（位于南加利福尼亚州）模拟，证实SWAT模型在喀斯特地貌地区也适用。J．Cho等［143］将Modflow模型与SWAT模型相结合，进行地表和地下径流模拟，此举改善了SWAT模型地下径流模拟较弱的缺点。Larose等［144］基于SWAT模型进行了水土保持缓冲带和绿地对水环境的影响模拟。Lee等［145］在高分辨率的遥感图像基础上，进行SWAT模型中的BMPs模块对面源污染的模拟。Nie W．等［146］基于SWAT模型在San Pedro流域的上游进行土地利用类型对水文产生的影响作用研究，结果显示城市化使得区域径流量增加。

SWAT模型的输入参数研究表明，模型的各类输入数据对模拟结果有不同程度的影响作用。Lenhart等［147］进行了SWAT模型参数敏感性的分析，结果表明SWAT模型敏感性较高的参数主要是土壤容重、坡度坡长和叶面积指数等。Chaubey等［148］进行了不同分辨率DEM数据与不同精度土壤数据对模型模拟精度影响研究，结果表明DEM的栅格大小一般情况下对研究区径流的模拟结果影响不大，但如果DEM栅格大小大于50m，模型模拟的氮、磷等营养元素以及泥沙量等的模拟结果的偏差较大，同时土壤数据精度也会给模型模拟结果造成较大的影响。Jham等［149］进行的研究表明子流域数目的多少对径流模拟影响不明显，但对含沙量和无机磷模拟产生较大的影响。

20世纪90年代，我国开始SWAT模型应用方面的研究。在借鉴国外研究经验的基础上，近几年我国SWAT模型的研究与应用得到迅猛的发展。目前，我国基于SWAT模型进行的研究主要有非点源污染模拟研究、径流模拟以及一些模型输入参数的相关研究等。由于我国基本情况与美国不同，输入参数如土壤数据、水文数据等均存在着差异，造成不同程度的研究障碍。例如，我国现有的土壤粒径标准主要分苏联制与国际制两种，但SWAT模型采用的是美国制分类标准。这些起关键作用的数据的准确性会制约SWAT模型的适用性，并影响模拟精度。针对这些问题，国内许多学者开展了众多相关研究。关作正等［150］在运用SWAT模型时根据插值法进行了土壤数据库插值计算，还采用SPAW来计算相关水文数据，为构建模型数据库提供较为科学的方法。

近几年，我国各地开展了更多的SWAT模型应用性研究。目前，我国在SWAT模型方面的研究主要包括水文模拟和非点源污染两方面。陈小凤［152］进行SWAT模型在湖北省的白莲河流域的模拟研究，得出的结论是SWAT模型能较好地反映该研究区日径流水文过程。冯夏清等［153］以乌裕尔河为研究对象，基于SWAT模型进行的模拟结果显示，模拟精度在产流量较大的站点较高，其次气候变化对径流产生的影响显著。王艳君等［154］基于不同子流域数目的划分与不同分辨率DEM基础上，进行了研究区径流的模拟。罗巧等［155］以湘江流域为研究区，基于SWAT模型对该研究区地表覆盖变化下的产流进行模拟，结果显示林地与草地的增加使径流减少；而耕地与建设用地增加会导致径流增加［156］。研究区域上，我国SWAT模型的相关研究主要集中在我国北部的干旱区域，那些研究区域的土壤耕作模式比较单一。以秦淮河为例的中国南部湿润地区，耕作方式以水稻田为主且耕作方式较复杂，解决SWAT模型在水稻田为主的区域的模拟应用具有实用价值。

2）RS与GIS的发展对水文研究影响进展

遥感和地理信息系统在水文学中的广泛应用，为水资源循环研究及其开发利用与保护等研究提供新的技术手段［157］。20世纪60年代，人们开始将遥感技术应用于水资源研究中。遥感技术因其经济、快速与大信息量等优势被广泛应用于水资源研究中［158］。空间技术、RS、GIS等技术飞速发展，推动我国水文水资源科学事业的发展，提高水文模拟预报精度［159］。GIS与RS可以快速及时地给水资源开发利用与管理提供大量信息，使区域水资源的管理与决策日趋正规化、现代化和科学化；同时为区域水资源合理开发利用与管理提供一个有力的新的技术手段［160］。

遥感相当于重要信息的数据源，GIS则相当于一个数据库。GIS具有的综合分析与管理、进行运算与显示等功能，使得遥感影像的解译效率与精度大大提高，这些增强了遥感技术应用与水资源研究方面的相关功能［158，161］。水文水资源遥感研究目前主要集中在水循环和能量循环中相关的不同水文变量和过程的测定以及水文模型研究方面［157］。遥感技术已在水文模型、积雪水文、降雨及蒸散发估计、土壤水分估计、洪水监测和洪泛区制图、水资源调查、旱情与墒情的监测管理和预警、沙漠化的动态监测以及治沙止漠效益评价、生态的动态监测和生态需水量估算、退耕还林还草的调查、灌溉面积调查、土地盐渍化监测、水环境监测、水利工程的规划、建设与管理以及水资源实时监测管理系统［158，162-164］等方面获得成功。与遥感信息兼容的水文模型和土壤水分分析模型的建立，地理信息系统的引入，以及遥感技术在城市水文学和累积影响估计中的应用，研究方法和应用开发不断改进和提高将加强水文水资源研究的深度和广度［158］。

（1）遥感技术在水文模型研究方面的影响

遥感技术有利于模型输入信息的获得、参数的识别以及结构的改进［158，161］。通过遥感技术能更方便地获取信息，例如水文参数、流域特征值等［165］。相比较而言，遥感信息更适用于分布式水文模型。遥感技术使水文模型能更及时且大范围获得所需水文相关要素信息。栅格式遥感数据和分布式水文模型数据格式相同，因此栅格数据使用起来较为方便。基于遥感技术获得的相关降雨蒸发等水文要素信息为模型参数的获取提供了较大的帮助［164，166-169］。因为水文与遥感的学科差异，遥感在水文方面的应用亦受到了一些影响。如何使遥感数据更有效地应用到水文模型中，一方面遥感技术进一步发展，另一方面通过研究探索水文学对遥感数据的要求，从而推动彼此发展［158，163］。

（2）遥感技术在积雪研究中的应用(www.xing528.com)

遥感技术在积雪研究中的应用主要是雪水当量与雪盖范围研究。微波能穿透积雪，其反射率与雪水当量和雪中自由水有关，因此通过遥感技术可以测得积雪雪水当量［158，170］。遥感技术还可以测量其他积雪特征参数。美国加州的水资源局通过三年的研究，在展开的雪盖卫星调查研究计划中，预报误差从15%下降到10%，并且短期预报（5天）的误差可降至9．6%［158，171］。我国兰州的冰川冻土研究所对祁连山地区的积雪进行径流预报与卫星监测，春季融雪的径流预报能达80%以上精度［158］。

（3）遥感技术在降雨与蒸发估计方面的应用

学者们将卫星遥感等应用于降雨监测，其中云盖指数法与气候学分析演变技术等均有较好的应用效果［165，172，173］，解决了用常规方法无法大范围测定或无测量地区等资料问题。研究发现，将卫星技术与传统的地面测量方法有机结合来测定降雨非常有效［157，174］。目前，应用遥感技术来估测降雨量的主要方法有云层指数法、阈值法、形状分类法、微波辐射法等等［157］。

蒸散发量的影响因素除气象因子外，还有植被、区域水面面积、土壤水量与类型等。由于蒸散发是时空分布极不均匀的水文变量，因此常规方法往往测得的是水面蒸发的点蒸发数据。但通过遥感技术能较方便地测得研究区各下垫面的蒸散发量，且还能观测到蒸散发的季节变化与时间分布特征［157，158］。采用遥感技术估测蒸散发量，是通过获取的太阳辐射、反射率、植被、地表湿度与温度等数据后间接计算而得到的［157，158］。

（4）遥感技术在土壤水分方面的应用

土壤水分信息不仅对水文水资源管理和农业很重要，而且对水文过程的研究也很重要［158，174-177］。现代遥感技术可以测定土壤水分。利用遥感技术监测土壤水分的方法可分为两类：一类是利用微波遥感直接测量地表土壤湿度；另一类是利用可见光红外波段，在获得地表能量与作物生长情况等信息的基础上，建立其与土壤水分相关函数或者是经验公式，然后进行计算而得土壤水分［157，164］。近些年开发的SAR系统极大地推动了遥感技术在土壤水分测定方面的运用。例如欧洲遥感（ERS-1）C波段、加拿大的RADASAT（C波段）、日本地球资源卫星（JERS．1）L波段SARS等。卫星系统的L波段能较好地反映土壤水分，ERS-1也被证实能应用于监测土壤水分［16，164，178，179］。我国也开展了大量的基于遥感技术进行的土壤水分监测研究。研究者们将遥感技术与气象学相结合，开发了大面积、连续时段的厚层土体的土壤水分监测估算方法，并利用该方法进行了1982年到1998年黄河全流域1 m内土体的各层土壤水分计算，以及17年以来的土壤水分情况与水循环特征分析，为清楚地认识该区域全流域长时段的土壤水分状况与变化规律提供了新的研究方法，也促进了该水资源匮乏地区的水循环机制研究［175，180-182］。

（5）遥感技术在旱情分析中的应用

干旱一直是我国农业发展最主要的制约因素之一，也是造成我国经济损失最大的自然灾害之一［183］。遥感技术的飞速发展为旱情监测开辟了一条新途径。随着遥感技术和手段的发展，直接或间接用于反映干旱情况的物理指标的方法已经形成了很多种［160］。在旱灾监测评估方面，国外开始采用多种遥感数据源进行旱情的监测与预警。目前开发研制的基于卫星遥感的旱情监测模型包括植被指数模型、热惯量模型、作物缺水指数模型、植被指数与地表温度特征空间模型、微波模型、水文模型和气象模型等［163］。遥感在旱情预测预警以及抗旱决策方面的应用具有巨大的社会经济效益［183］，如图1-1所示为2010年3月上旬云南部分地区旱情等级分布图，为政府决策部门全面了解旱情、快速提出应对措施提供了依据。

图1-1　2010年3月上旬云南部分地区旱情等级分布图［183］（彩图见书末）
图片来源：引自参考文献［183］

（6）遥感技术在洪涝灾害防治中的应用

通过将遥感技术与网络技术等与气象学、地理学、水文学等基础学科结合起来，实现对洪涝灾害信息的快速、实时、连续的动态监测，利用相关数据库对洪涝灾害进行定位、定性、定量的分析与评估，为预防洪涝灾害及其治理途径提供决策依据［180，181］。我国从1983年开始将遥感技术广泛应用于洪涝灾害监测［183］。我国已经建立了相关系统，用于七大流域中下游的洪涝灾害监测评估［180-183］。在我国1998年和2003年等洪涝大灾之年，遥感技术在洪灾监测中发挥了重大作用［180，183］。监测范围也从雨洪灾害拓展到堰塞湖、冰坝、融雪等引起的洪涝灾害。在汶川地震后，机载、星载、无人机载的微波、可见光、红外遥感器都投入了应用，缩短反应时间，在抗灾救援方面发挥了十分重要的作用［180，183］。GIS主要应用于建立防洪区域社会经济数据库、动态采集、洪水演进分析等方面［160，184，185］。GIS已广泛应用于洪灾防治中，如图1-2所示是2004年西藏扎达县帕里河上游拉巴河山堰塞湖动态监测图。GIS强大的数据管理、空间数据的采集、存储与使用等功能，有利于快速、准确地综合分析研究区社会经济的重要程度，进而为泄洪方案提供依据［160，184，185］。此外，将该系统与GPS、RS相结合，还可以动态地获取洪水演进数据，并能分析出洪水动态情势，利于快速给出泄洪决策［160，184，185］。与图像处理、遥感等技术结合，可运用于洪灾损失和灾后重建计划评估；也可利用GIS结合水文模型进行洪水淹没范围预测［160，184，185］。

图1-2　2004年西藏扎达县帕里河上游拉巴河山堰塞湖动态监测［183］（彩图见书末）图片来源：引自参考文献［183］

（7）遥感技术在水资源调查、评价与规划管理方面的应用

利用遥感技术、计算机技术、图像处理技术和地理信息系统等综合的高新技术能够快速完成水资源调查评价，可节省大量时间、人力、物力，具有传统方法不可替代的优越性［186］。通过遥感技术和手段，可以获取流域范围、面积、河长、河网密度等，可以判读各类地表水的分布，还可以进行饱和土壤面积、含水层分布分析以及地下水储量估算［160，187］。近年来学者们基于RS与GIS开展了水资源管理研究［160，187-189］。例如，国内研究者采用1986年到1998年多时相TM卫星数据，进行了太湖流域的典型中小湖泊群水资源利用方式与类型以及空间分布等状况的解译分析，并结合GIS技术进行了各类型的面积和网围养殖密度测算，结果显示研究区域的网围养殖面积占总湖水面积75%以上［188］。

基于遥感技术能生成研究区域的自然地理与社会要素的底图，以及流域相关的水资源供需图、洪水影响图、灌溉规划图、水污染分布图等，再通过GIS的空间数据库等分析为水资源综合规划提供依据［160，184，185］。不仅可以提高效率、节约资金，还增强综合分析能力，并且能生成数字高程模型（DEM）、水利工程位置图、行政区划图、土地利用图等等，并能计算面积、容积、淹没损失等。调水工程的规划可以在遥感获得的信息数字平台上，充分利用GIS的空间分析作用，给决策者提供科学可靠的依据。遥感技术和GIS在我国的南水北调东、中线工程等的规划设计中均充分发挥重要作用［160，184，187，190-192］。

（8）遥感技术在径流模拟与城市水文学中的应用

遥感技术主要通过帮助获取土地利用数据、流域几何特征、水文网系统等协助径流计算［157，164］。通过遥感手段能够为水文模型提供具有一定精度的数量化输入信息。运用到径流方面的主要是TM数据和SPOT数据，比如用立体SPOT影像可以得到一定精度的数字高程模型，用INOKOS卫星图像可以得到精度为1 m的数字高程模型［157，164］。

城市化导致研究区域的自然特征与径流随之变化。城市地区的不透水面积比较大，汇水区的不透水面积对城市水文影响较大。而遥感技术的应用能迅速地获取相关信息，为城市水文动态研究提供信息基础。从遥感信息中提取的城市地理特征数据输入到水文模型中，计算城市雨洪关系，揭示土地利用与城市径流的相互关系，为城市防洪提供依据［158］。

（9）遥感技术在水质分析与水环境监测中的应用

常规的水质监测方法尽管可以精确地测定某一位置水质，但其成本高、耗时长、同步性差。水质自动监测站能快速地完成水质监测工作，但其很难监测水质的空间分布状况。遥感具有快速、同步等优势，可以监测水质参数时空变化状况［160，183，184，189］。GIS与水质模拟相结合，可模拟突发性的水污染事故污染情况，可以快速确定受污染影响的范围，进而提出相应的控制措施。目前，遥感技术已普遍用于湖泊的蓝藻、绿藻以及沿海地区赤潮等富营养化水环境现象的监测［160，183，184，189］。世界各国目前均在研究利用高光谱来定量水体中的各化学成分，是该研究领域的前沿课题［160，184］。目前，通过遥感技术能较好地进行实际监测的水质参数主要有叶绿素a、悬移质泥沙含量、透明度、浑浊度、水体热污染，对湖库水华暴发、海洋赤潮和污染的动态监测均非常有效［184］。

（10）遥感技术在水土保持中的应用

土壤侵蚀是我国主要的环境问题之一，也是面污染的来源之一。基于GIS可以建立地质条件、地貌类型等影响水土流失因素的数据库。其建立的方法是将各类主题图数字化后输入，接着从遥感影像获取地表覆盖信息，再从DEM中计算坡度、坡长，利用数学模型计算流失量，最后输出表格式或图形化成果，为水土保持规划提供依据。从1989年第一次应用遥感进行普查以来，遥感技术越来越被深入运用到土壤侵蚀调查中，为水土保持生态建设、国土整治、西部大开发、江河治理、环境保护、水利和农林建设等提供翔实的资料，为国家和地方政府的宏观决策提供科学依据［160，183，184，190-192］。

1．2．3　地表覆盖数据分辨率与分类体系水文响应研究进展

地表覆盖是与地理学各要素相互作用较为活跃的地球表层的综合交叉要素，它与水文、地形、土壤和生物等均有密切联系［5］。地表覆盖变化通过改变地球表面特征影响地球表面与大气间水分、能量等的交换过程，进而影响水文过程［7］。地表覆盖遥感监测技术已得到长足的发展，很大程度上推动了水文学的研究。未来水文科学的发展在很大程度上取决于水文数据的获取和精度［193］。目前，已有的研究主要是关于地表覆盖变化对水循环的影响，针对地表覆盖数据的来源——遥感影像不同分辨率、不同分类体系下获取的地表覆盖数据对水文模拟结果的影响研究较为缺乏。地表覆盖数据的分辨率和分类体系严重影响数据使用的有效性，引起了广大学者们的关注，也是将来的研究重点。

1）分辨率

彭定志等［194］指出MODIS具有免费、较高时间分辨率（0．5d）、空间分辨率（250m）等优势与特点，能够提供流域水文信息、土壤含水量等水文要素的空间分布信息，并且能较好地识别与校核分布式水文模型的参数，推动了分布式水文模型的研究与应用。MODIS数据在水文水资源研究中受到广泛应用。李常斌等［195］进行了分布式水文模拟研究中的时空分辨率匹配问题的讨论，结果显示低分辨率的高程数据在水文要素空间离散过程中，会产生边界错位、坡度变缓、高程趋于集中、河网稀疏失真等问题。因此，水文模拟研究应选择适宜的空间分辨率数据进行模型平台构建。其中，在进行次、日模型构建时，比较适合选择30 m×30 m分辨率的DEM数据用于模型平台的构建；采用100 m×100 m分辨率的DEM数据进行研究区月、年尺度的水文过程模拟也能适用。叶许春等［196］基于SWAT模型以鄱阳湖的信江流域为例，对土壤数据的空间分辨率对蒸发、径流与土壤含水量等模拟的影响进行了相关研究。结果显示基于不同分辨率的土壤数据进行的水文响应单元划分结果有显著差异，但径流模拟结果与蒸发计算结果没有显著差异。遥感影像的空间分辨率逐步从几百米提高到零点几米。在实际应用中，根据不同应用领域与层次在可选择的空间分辨率里选取一个最佳分辨率的数据，使其应用于研究中不仅能清晰地反映土地、地貌类别，还能滤除噪声［197-204］。

2）分类体系与分类类别

我国从20世纪80年代开始国土资源利用分类体系的研究。土地利用分类体系是地表覆盖制图单元的基础和依据。土地利用分类是科学认识与研究土地资源的基础。其分类体系直接影响对土地资源利用状况的判断和认识。因此研究者们非常重视土地利用分类以及分类体系的研究［205-217］。土地利用分类体系因应用目的、分类理念、分类区域对象、自然与社会经济状况等的不同而不同［218］。目前大多数研究主要是从国土资源管理的角度出发探讨土地利用分类及其分类体系的实用性与适用性［219-223］。有研究者提出应逐步建立与其他行业的现有分类体系能兼容的地表覆盖分类体系［219］。不同的分类体系在水文学上的适用性如何，进行水文研究时选择何种分类体系更适用，是将遥感技术更好地应用于水文学研究中时遇到的学科交叉问题。目前相关的研究比较少见，但其研究具有较强的学术意义。

1．2．4　问题与展望

1）地表覆盖变化水文响应研究展望

地表覆盖变化对水文过程的影响已成为国际的前沿领域问题，其研究已取得较大进展。地表覆盖变化水文效应具有明显的区域特点。因研究尺度、气象条件、区域位置以及研究对象等的差异性，会使地表覆盖变化的水文效应研究得到的结论不同。因此选择典型区域开展地表覆盖变化水文效应研究，丰富和发展地表覆盖变化水文效应研究方面的理论和方法很有必要。

2）基于RS和GIS的水文响应研究展望

地表覆盖遥感监测技术已得到长足的发展，很大程度上推动了水文学的研究。但基于几方面的原因，目前地表覆盖数据的水文学研究应用方面适用性较差。与GIS、RS等技术相结合的分布式水文模型的研究与应用，是将来基于地表覆盖遥感分类数据水文水资源研究的重要方向。地表覆盖遥感分类数据的分辨率、分类体系分类类别直接影响水文研究结果，其分辨率、分类类别等对水文研究影响作用以及实际水文研究中较适宜的分辨率、分类类别等均有待进一步的研究。

1．3　研究内容和技术路线

1．3．1　研究内容

（1）在其他输入相同的情况下，评估不同分辨率的地表覆盖遥感分类数据对水资源评估的影响作用。基于不同分辨率的地表覆盖遥感分类数据，以江苏省苏北片区为典型研究区域，估算江苏省苏北片区的地表水资源量，评估不同分辨率的地表覆盖遥感分类数据对水资源估算的影响，以及水资源评估对遥感影像的要求。

（2）基于不同土地利用分类类别的地表覆盖遥感分类数据，进行地表径流模拟，评价土地利用分类类别对地表径流模拟的影响作用。选择秦淮河为研究区，基于不同土地利用分类类别的地表覆盖遥感分类数据，采用SWAT模型评价地表覆盖遥感分类数据的分类类别对区域地表径流模拟结果的影响。

（3）地表覆盖变化及其数据来源遥感影像分辨率对水文过程的影响。选取太湖流域作为典型流域，建立太湖流域河网水文模型，基于不同时期不同分辨率遥感影像解译获取的地表覆盖数据进行典型示范区水文过程模拟，并研究快速城市化区域地表覆盖变化对水文循环的影响。尝试基于不同保证率降雨情况下，地表覆盖变化及其分辨率对地表水文过程模拟的综合影响，讨论流域水文过程与降雨、地表覆盖变化的响应关系。

1．3．2　技术路线

技术路线如图1-3所示。

（1）水文资料的获取。其中江苏省苏北片区的水文资料主要有1966年，1968年，1983年；太湖流域主要基于1971年、1978年、1989年的水文资料进行；秦淮河流域采用1978—1988年的实测资料。

（2）获取3个典型研究区的不同时期、不同分辨率以及不同分类类别的地表覆盖遥感分类数据。

（3）建立和确定典型研究区的水资源估算模型、水文模型，进行模型的参数率定与验证。

（4）基于不同时期、不同分辨率的地表覆盖遥感分类数据和相应时段的水文资料等，选取江苏省苏北片区为典型研究区域，以江苏省水资源分区的四级水资源分区为基本计算单元，采用最近一次江苏省水资源规划中水资源计算与评价的方法，估算江苏省苏北片区的水资源量，评价不同分辨率的地表覆盖数据对水资源估算的影响。

（5）选取秦淮河流域为典型研究区域，运用SWAT模型基于不同土地利用分类类别的地表覆盖遥感分类数据进行流域径流模拟。首先分析模型的可靠性与适用性，然后根据国内外相关研究成果以及实地研究区域的调查分析，确定区域水循环的主要影响因素。在此基础上确定模型参数，根据历年水文资料进行模型参数的率定，再根据实测资料进行模型参数验证，最后基于秦淮河流域1978—1988年连续11年的水文资料，利用SWAT模型进行不同分类类别的地表覆盖遥感分类数据对流域径流模拟的影响研究。

（6）选取太湖流域为典型研究区，运用太湖河网水文模型，基于不同时期不同分辨率的地表覆盖遥感分类数据和逐日水文资料，动态地研究遥感影像分辨率以及城镇化造成的地表覆盖变化的水文响应。首先确定模型参数，根据历年水文资料进行模型参数的率定，根据2000年实测资料进行模型参数验证，然后利用模型模拟不同时期的流域水文过程，进行不同分辨率地表覆盖遥感分类数据对水文过程模拟的影响研究。最后基于1990—2010年多时期的地表覆盖遥感分类数据进行太湖流域地表覆盖变化水文响应研究。

（7）结论的总结分析。

图1-3　本书技术路线
图片来源：自绘