遥感技术新进展赋能水利行业应用

▲L波段差分干涉SAR卫星（陆地探测一号01组，LT-1） 图源自然资源卫星遥感云服务平台

遥感、通信、导航、虚拟现实、大数据、云计算和人工智能技术与传统水利科技的快速融合，为面向新质生产力的水利科技创新提供了新的技术引擎，正在孕育更加智能、高效、低碳、安全的新型水利生产工具。在这种科技创新背景下，数据和算力将成为驱动水利高质量发展的新生产力要素。随着遥感技术的不断发展和水利信息化进程的加速，始于20世纪80年代的水利遥感有了飞速发展，其发展与水利现代化，尤其是水利信息化的发展是同步的。水利遥感为涉水领域的算据获取提供强大驱动力，已在水旱灾害防御、水资源开发利用、江河湖泊治理和水土保持等水利业务中发挥了极其重要的作用。

近十多年，遥感技术发展对我国水利遥感发展起到了举足轻重的作用，具体表现在数据源的丰富化和多源化、数据获取速度和效率显著提升、水利专题信息可获得性不断增强、定量估算与反演精度大大提高、数据处理和信息自动提取的智能化水平取得长足进步等，更重要的是建设满足水利业务工作需求的遥感业务运行系统具备了可行性。尤其是2021年12月水利部召开推进数字孪生流域建设工作会议以来，水利遥感在如火如荼的数字孪生水利（包括数字孪生流域、数字孪生工程、数字孪生水网等）建设中，为加快布设“天空地”一体化监测感知网、全面提升水利对象全要素和治理管理全过程智能感知能力发挥了重要作用。本文以遥感技术新进展赋能水利应用为目标，从微波遥感卫星、光学遥感卫星、重力卫星、通导遥一体化卫星、无人机遥感等方面，介绍近十多年来国内外遥感技术新进展及其对水利应用的作用，以期助力遥感技术在水利行业的进一步应用。

微波遥感卫星进展

以GPM、FY-3G为代表的降水监测卫星

2014年2月28日，全球降水测量计划卫星GPM（Global Precipitation Measurement）发射成功，其目标是实现全球范围的降水观测。GPM作为TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission，热带降雨测量任务）卫星的继承与改进，一方面降水产品的空间分辨率提升到了0.1°×0.1°，时间分辨率提高到30min；另一方面通过搭载双频（Ku、Ka）雷达系统和高性能微波辐射计，增强了对弱降雨和固态降水的探测能力。GPM卫星大大促进了全球气象和洪涝灾害的监测和预警工作，并应用于水文模型建模和洪水淹没图生产中。

2023年4月16日，我国风云三号G星（FY-3G）成功发射，这是我国首颗低倾角轨道降水测量卫星，能生产全球中低纬地区降水三维结构信息。2024年5月1日，FY-3G正式投入业务运行。FY-3G搭载了我国首套星载Ku、Ka双频降水测量雷达，可以利用大气中不同高度层的降水粒子对两个频段雷达辐射微波信号反射率不同的特性，区分雨和雪，并对降水进行精确估计。

随着水利部大力推进雨水情监测预报“三道防线”建设，GPM、FY-3G等气象卫星作为第一道防线的重要组成部分，将与地基测雨雷达结合，加上降雨数值预报模型、产汇流水文模型、洪水演进水动力学模型，坚持“关口前移、防线外推”，实现云中雨监测预报，并延伸至产汇流及洪水演进预报。

以SMAP为代表的土壤水分主被动微波联合探测卫星

SMAP（Soil Moisture Active and Passive，土壤湿度主被动）卫星由美国航空航天局（NASA）研制，于2015年1月31日发射升空，其目标为提供全球尺度高时空分辨率的地表土壤水分和冻融循环产品。SMAP配备了2个仪器：一个是L波段辐射计（1.41GHz），可测得36km空间分辨率的亮度温度；另一个是L波段雷达（1.26GHz），可获得3km空间分辨率的后向散射系数。SMAP可在1～3d的时间分辨率以及3km（基于雷达生产）、9km（基于雷达和辐射计融合生产）和36km（基于辐射计生产）的空间分辨率下提供土壤表层5cm的土壤水分信息。雷达传感器于2015年7月停止工作，随后SMAP卫星团队利用Sentinel-1数据替代SMAP的雷达数据，进行更高分辨率的土壤水分产品生产和发布。目前，大量学者开展了SMAP土壤水分产品的精度验证和降尺度研究，精度验证结果表明SMAP日尺度被动微波土壤水分反演产品精度达到预期水平，即无偏均方根误差不超过0.04m3/m3，主被动融合产品精度接近预期水平，相较于其他单传感器反演的土壤水分数据集具有显著精度优势。SMAP的土壤水分产品已经开始应用于洪涝监测、旱情监测、天气预报和作物长势监测等。

以GF-3、LT-1、HJ-2E为代表的国产SAR地表监测卫星

高分三号国产合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）卫星（GF-3）于2016年8月10日发射，工作在C波段，能够全天候全天时实现对地监测。GF-3B和GF-3C分别于2021年11月23日、2022年4月7日发射，与GF-3实现组网运行，为我国SAR数据业务化应用提供支撑。

陆地探测一号01组A/B卫星（LT-1A/1B）先后于2022年1月26日、2月27日成功发射，又被称为L波段差分干涉SAR卫星。

环境减灾二号E星（HJ-2E）于2022年10月13日成功发射，搭载了5米S波段SAR。

可以看出，我国已经构建了覆盖C波段、S波段、L波段的SAR观测体系，可用卫星资源达到了6颗，为洪涝应急遥感监测提供了丰富的数据支撑，改变了以往汛期可获取的SAR数据较少的困境。

以SWOT为代表的地表高度探测卫星

2022年12月16日，基于雷达干涉模式的新一代SWOT（Surface Water and Ocean Topography，地表水和海洋地形）卫星发射成功，可为全球内陆水体提供高时空分辨率和高精度的水位信息，是对传统观测形式的有力补充。SWOT可以一次性观测幅宽120km范围内的水体高程值，高程观测的空间分辨率可达50m，能对所有宽度超过100m的河流以及面积超过6hm2的湖泊进行扫描，测量水面高度的精度达到10cm。SWOT搭载的雷达高度计与其他遥感传感器，能以三维方式更全面地观察地表水体，实现每月3次的水体表面高度、坡度和宽度信息测量，将大大提升全球地表水资源监测水平。充分利用SWOT水体信息产品数据，并结合地表水文河网模型，将实现全球地区河道流量和水位信息估算，进一步提升较高精度的全球地表洪涝监测预报能力。目前，SWOT已经开放了部分数据的下载，吸引全球学者开展精度验证工作。

光学遥感卫星进展

国产高分辨率卫星

高分一号卫星于2013年4月26日发射，揭开了我国国产高分辨率卫星发射的序幕。高分一号搭载了两台2m分辨率全色/8m分辨率多光谱相机。2018年3月31日高分一号02、03、04卫星发射。2018年6月2日高分六号卫星发射。高分一号卫星，高分一号02、03、04卫星和高分六号卫星已组网运行，成为我国2m分辨率遥感卫星的主要数据源。2014年8月19日发射的高分二号卫星，星下点分辨率达到了0.8m，标志着我国国产高分辨率卫星已经基本达到世界先进水平。我国民用高分辨率卫星已全面应用于水土保持监测、地表水资源监测、水域面积监测、河湖库“四乱”（乱占、乱采、乱堆、乱建）监测等，极大提高了对下垫面涉水要素信息的高频次、高精度的感知能力。

国产立体测图卫星

2012年1月9日发射的资源三号01星（ZY-3-01）、2016年5月30日发射的资源三号02星（ZY-3-02）、2020年7月25日发射的资源三号03星（ZY-3-03）共同组成了我国新时代立体测绘卫星星座，广泛应用于1:50000的DEM生产工作。2019年11月3日成功发射的高分七号卫星（GF-7），可满足流域1:10000的DEM的生产。目前，基于ZY-3星座和GF-7生产的DSM/DEM，已经成为数字孪生流域数据底板地理空间数据的重要来源，被越来越多的水利工作者认可。

国产高光谱卫星

目前，我国在轨运行的国产民用高光谱卫星主要包括5个，分别为2021年9月7日发射的高分五号02星，2019年9月12日发射的资源一号02D星，2021年12月26日发射的资源一号02E星，2020年9月27日发射的环境减灾二号A、B卫星，形成我国对地高光谱观测能力。目前，国产高光谱数据已具备支撑全国或者流域尺度内大型河湖水环境遥感调查和水质参数遥感反演工作的能力。进一步深化国产高光谱卫星在数字水网和河湖监管中的应用，将为河湖管理和保护提供有力抓手，同时挖掘国产高光谱数据在灌区作物长势监测应用中的能力，也将进一步推动我国大中型灌区的数字化和智慧化建设。

重力卫星进展

2002年3月成功发射的GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）重力卫星为地下水研究带来了新的希望，该卫星可以提供全球尺度的地球重力场模型时变序列，基于时变序列可以反演得到陆地水储量变化值，特别是对于数百平方千米和更大空间尺度，可以反演精确到平均1cm内的陆地水储量变化。在服役15年后，2017年执行GRACE计划的两颗卫星结束使命。为了继续这一计划，NASA决定发展其延续项目。2018年5月22日，由美国与德国合作的两颗卫星顺利升空，这两颗卫星被命名为“GRACE Follow-On”（简称“GRACE-FO”），意为“GRACE计划”的延续，任务是监测地球上的水资源动态。我国学者利用GRACE卫星数据在全国范围以及华北、东北、西北等区域开展了地下水储量变化、旱情监测等研究。

通导遥一体化卫星进展

通导遥一体化卫星的概念是将通信、导航、遥感三种功能集成于单颗卫星上，实现多用途的协同作业。“通导遥一体化”一词最早于2017年由李德仁院士在《论军民融合的卫星通信、遥感、导航一体化天基信息实时服务系统》一文中首次提出。这种卫星平台通过集成高分辨率遥感成像、在轨实时智能处理、导航接收与增强、星地-星间通信传输等多种类型的有效载荷，实现多种功能的协同应用。通导遥一体化卫星在天基信息网络中担任关键节点角色，通过多载荷集成与协同应用，促进其他通信、导航、遥感卫星节点的互联互通，实现全球范围遥感影像从数据获取到应用终端的分钟级延时遥感信息实时智能服务。正在建设的“东方慧眼”智能遥感星座项目，计划在2027—2030年，面向通导遥一体化全球服务要求，建成由数百颗卫星组成的全球业务化运行系统，可为我国水利行业提供亚米级高精度、智能、实时服务。

无人机遥感进展

进入21世纪以后，机动灵活、实时迅捷、成本低、精度高的无人机（Unmanned Aerial Systems/Vehicle，UAS/UAV）作为一种新兴的遥感平台逐步进入水利行业，在众多应用场景发挥重要作用。尤其是在阴云天气时卫星影像获取效率低、精度差的情况下，具备机动迅捷、体积小、携带便捷和产品精度高等特点的无人机遥感系统，比卫星遥感和传统航空遥感更具优势，已成为洪涝等突发涉水灾害应急监测必不可少的工具。其中，机载激光雷达技术可以实现高精度的三维测量，能够提供精确的地形、建筑结构空间数据；无人机倾斜摄影测量技术以倾斜视角对地面进行影像采集，再通过影像处理技术实现三维模型重建。这两项技术具有数据量大、分辨率高、精度高和成本低等优势，可以快速、高效地获取地面的三维信息，为建筑物三维模型构建提供更丰富真实的纹理。以大疆、飞马为代表的国内公司持续大力投入和研发，极大推动了机载激光雷达技术和无人机倾斜摄影测量技术的发展。在数字孪生水利建设的L2和L3级数据底板建设中，大多采用了无人机倾斜摄影测量和激光雷达技术，为下垫面三维信息采集与水利工程三维模型构建提供了重要支撑。

结语

遥感技术作为水利信息化和水利现代化建设的重要组成部分，在支撑水利业务发展中发挥着重要作用，随着技术创新不断发展，将赋能于更多的水利行业应用。总体来讲，水利行业跟踪遥感新技术的速度与其他行业还有差距，还需要进一步加强关注，开展更多的应用研究。为推动前沿遥感技术在水利行业的应用，在新一轮水利科技创新背景下，应锚定数字化场景目标，设计专门面向水利业务的新型卫星系统，深挖水利遥感对下垫面信息的近实时、精细化、高精度感知能力，拓展水利遥感在水文模型、水动力模型和水利工程安全监测模型中的深入融合能力，与地面水文站网联合，构建“天空地”一体化水利感知网，打造动态更新的全国数据底板，夯实算据基础，提升遥感对涉水目标的监测与预测能力。同时，加大面向人工智能技术的遥感影像涉水要素智能提取系统研发力度，并融合云计算、边缘计算，建立遥感水利业务人工智能大模型，助推水利基础设施建设，推动水利高质量发展。

本文引用格式：

李纪人，马建威，孙亚勇.遥感技术新进展赋能水利行业应用[J].中国水利，2024（11）：17-20.

来源｜《中国水利》2024年第11期

作者｜李纪人（中国水利水电科学研究院教授），马建威，孙亚勇

责编｜王慧

校对｜李卢祎

审核｜轩玮

监制｜赵洪涛