近年来，卫星传感器取得了明显进步，利用遥感估算河流流量的方法继而百花齐放，这既是水文观测领域的机遇，也带来了一系列挑战。本文着重阐述几个重要方面，以期为相关研究提供参考和借鉴。
导 读
河流流量是水文循环的关键指标，也是水量平衡的基本组成要素，在水资源管理和生态水文研究中扮演着关键角色。随着遥感技术的不断发展，大多数关键水文参数现在可以通过遥感卫星反演获得。单纯利用遥感技术开展流量估算成为传统水文观测的重要补充，为流域水文观测开辟了新的途径。因此，本文总结了目前利用遥感估算河流流量的进展和挑战，并进一步探讨了未来的机遇和发展方向。
河流是人类主要的淡水来源，并在调节水文和生态循环方面起着重要作用。它们在支持全球生物多样性、生物地球化学循环和人类社会等方面发挥着独特的作用。河流流量反映了上游流域的降水、蒸发、径流和地下水补给等综合水文过程，体现了河流在特定时间段内的水量输送能力，是评估河流状况的最重要指标之一。观测河流流量并监测其动态对于水资源管理和河流生态系统的健康至关重要。
传统的流量观测主要依赖于标准的水文测量站，但这些站点分布稀疏，且在全球范围内极不均衡。仅依靠这些站点的观测数据难以准确和全面地反映河网属性的多样性和人类活动的影响。遥感技术是地球观测的一种先进手段，具有多尺度、多光谱和高效率等优点，可以有效地补充传统的河流流量观测。传统的河流流量估算涉及通过遥感获取不同时期的河流水域面积或水位，并将其与实测流量建立统计关系模型，或者采用遥感水力参数作为水动力模型的输入。这类方法对测量数据（如观测流量和水下地形）的依赖性较大，限制了它们在数据稀缺或可达性差的流域的应用。
为了应对流域河流流量估算数据匮乏的挑战，越来越多的研究集中在仅基于遥感的方法上。这些方法通常需要在特定河段建立遥感虚拟流量站（SGR），将包括光学、微波以及测高卫星等在内的多种遥感数据进行整合，以获得水面宽度、水位、水面坡度和流速等水力参数，并根据水力学方程或流动定律来估算流量。近年来，随着卫星传感器的进步，利用遥感估算河流流量的方法呈现多样化，为该领域带来了一系列机遇和挑战（图1）。
图1 遥感流量估算的挑战与机遇
首先，河流流量由流速与河道横断面面积决定，但这两个参数难以直接通过遥感技术观测，通常需要借助水面坡度、水面宽度和河道地形数据等进行推断。不过，卫星遥感视频影像和光子计数激光雷达数据的出现为估算河流流速和包含水下地形在内的横断面提供了新的解决方案。其次，同一河流的不同河段具有不同的水力可见性（遥感信号对流量变化的敏感性），这导致不同河段的流量估算结果的精度存在显著差异。因此，选择具有最佳水力可见性的河段是成功进行流量估算的先决条件。此外，由于遥感数据分辨率和测高卫星数据覆盖范围有限，监测中小型河流流量仍具挑战。因此，将多种传感器（包括微小卫星星座、低空无人机等）与各种方法相结合，以探索亚像素尺度的水量波动信息，是河流流量监测的重要方向。再者，由于卫星观测周期的限制，需要结合水文模型或数据同化模型和遥感技术，以提高对河流流量变化的监测能力，服务于洪水等特殊场景对高频流量监测的需求。最后，地表水与海洋地形测绘（SWOT）卫星将极大地扩大全球河流的测量范围，为已测量和未测量的流域提供关键的新数据集。但是，由于其轨道参数和设计寿命限制，其数据在时间跨度和时间分辨率方面都相对有限。将SWOT卫星与其他卫星相结合获取高频率、长时序的流量数据，是值得进一步研究的问题。
总结与展望
遥感作为一种新型的河流流量监测手段，能够提高全球水安全和洪水预报能力。尽管近年来通过卫星对河流流量的监测取得了突破性的进展，但利用遥感信号转化成治理信息，为决策者进行水资源管理仍然是重大挑战。如果河流流量遥感监测可以发展为流域常规水文监测的一部分，将有望强化已有的河流观测网络，并进一步扩展到无观测资料流域。
责任编辑
林永新 福建师范大学
顾西辉 中国地质大学（武汉）
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第2卷第2期以Commentary发表的“Observing river discharge from space: Challenges and opportunities” (投稿: 2024-03-17；接收: 2024-05-12；在线刊出: 2024-05-17)。
DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-geo.2024.100076
引用格式：Huang C., Li Y., Tarpanelli A., et al., (2024). Observing river discharge from space: Challenges and opportunities. The Innovation Geoscience 2(2), 100076.
作者简介
黄 昌，安徽师范大学地理与旅游学院特聘教授，博导。主要从事地表水文遥感、湿地水文生态遥感等研究，重点关注地表水资源的气候变化响应及其生态效应。近年来主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题和黄河水科学联合基金子课题等多项国家级、省部级以及横向项目。在Reviews of Geophysics，IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing等期刊发表学术论文60余篇（第一或通讯作者30余篇），H因子29，参编专著1部，授权发明专利/软件著作权2项。获澳大利亚新西兰建模与模拟学会早期职业生涯奖，入选首批陕西省普通高校青年杰出人才计划。
https://geography.ahnu.edu.cn/info/1020/11510.htm
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