水文遥感的基本内容

水文遥感以地球水圈或地球水循环为感知目标，以遥感为基本观测手段，阐明利用遥感手段观测地球水循环要素的基本原理，研究能反映地球水循环要素的存在及运动变化过程的信息提取、定量反演或估算的原理、方法和技术，为认识地球水循环的变化过程和运动机制，提供基础性、宏观性、实时性和长期性的地球水文要素数据信息，增进人们对宏观水文过程及其与地球各圆层相互作用机制的理解，提升对地球水循环变化的预测能力。

具有相对独立、自成体系的理论、方法或技术体系，是一门学科走向成熟的根本性标志之一，也是一门学科应具备的基本内涵。水文遥感是建立在遇感科学和水文学基础之上的交叉学科，并从湿感科学和水文学中逐渐地独立出来。它既涉及两个学科的基础在理论和方法，也具有特定的研究对象、研究内容、研究方法和技术手段，从而区别于这两个学科，成长为一门新的交叉学科。

水文趣感的基本研究对象是地球水循环要素及其相互作用过程，基本观测手段是空基遥感。遥感科学的基本研究方法包括正演与反演，即直接运用地面观测数据和主导方程获得地面属性的时空分布，以及运用遥感观测数据和反演模型获得地面属性的时空分布。从整个学科的研究范式来看，可以概括为两个对象、两类方法和两种手段，即地球水循环与遥感技术，正演方法与反演方法，遥感观测与地面观测。其中，地球水循环现象与变化过程是地面观测和遥感观测的核心对象，前者侧重相对微观尺度的观测，后者侧重相对宏观尺度的观测。在遥感技术诞生之前，人们利用地面实验等观测手段，取得点位尺度或小范围的水文参变量数据，由观测数据获得水文参变量之间的经验或半经验关系，进一步通过运用分析归纳等抽象思维方法，推导和发展能反映水文参变量之间关系的主导数理方程，例如可描述非饱和土壤水分运动过程的达西一理查德（Darcy-Richards）方程，描述河道水流的圣维南（de Saint-Venant）方程组，描述陆面蒸散过程的彭曼-蒙特斯（Penman-Monteith）方程等。一般来说，若给定这些主导方程的特定参数、初始条件和边界条件，就可运用数学或数值求解方法，计算或模拟得到水文变量的变化过程或时空分布格局，并在各种尺度的水文过程研究中发挥巨大的作用。这种研究方式基本属于正演方法。与此相对，遥感观测直接获取的是地表电磁波谱特性，而不是水文参变量，需要基于遥感观测的波谱数据，运用主导方程等推算反演水文参变量及其时空变化过程。这些反演方法包括遥感数据与水分变量之间简单的统计关系及后期逐渐深化的物理反演模型，不论哪种方法，其理论依据是正演方法所包含的主导方程所表达的基本原理。由于反演方法常常是病态的（ill-posed），存在不同程度的经验性参数化，因此需要结合地面观测数据对反演结果进行检验。这种检验涉及到遥感数据分辨率与地面观测之间的差异性等问题，因而显得十分复杂。在地面观测与遥感反演结果的比较分析中，两者之间所表达的过程也并非完全一致，成为水文遥感学科的一个重要挑战，从整体上看，除了基本概念，基本原理、反演方法、结果检验和实际应用等共同构成了水文遥感的基本研究范式。