遥感技术是“天空地水工”一体化感知体系的核心支撑，凭借宏观、动态、客观、高效的突出优势，在水资源管理、水旱灾害预警、水生态保护、水利工程监管等水利业务中得到广泛应用。《水利遥感原理与应用》系统阐释了遥感技术在现代水利中的科学内涵与应用实践，为智慧水利建设提供理论支撑与方法指导。《水利遥感原理与应用》共9章，分三大部分：理论基础篇（第1～3章）阐述遥感物理基础、传感器成像机理、多源数据融合与智能处理前沿技术；应用实践篇（第4～8章）面向水利核心业务，介绍水体与地下水监测、水旱灾害评估、水生态监测、水利工程监管、水政执法的遥感技术方法与业务流程；总结与展望（第9章）结合水利业务实践及智慧水利、数字孪生发展趋势，梳理遥感综合应用，展望水利遥感发展方向。

目录
第1章 绪论 1
1.1 水利与遥感的基本概念 3
1.1.1 水利的基本概念 3
1.1.2 遥感的基本概念 3
1.2 水利遥感的学科内涵 5
1.2.1 水利遥感内涵 5
1.2.2 水利遥感观测对象 6
1.2.3 水利遥感基本内容 6
1.3 水利遥感发展现状及趋势 8
1.3.1 水利遥感发展现状 9
1.3.2 水利遥感发展趋势 13
思考题 15
参考文献 15
第2章 水利遥感理论基础 18
2.1 电磁波与电磁波谱基本概念 18
2.1.1 电磁波基本概念 18
2.1.2 电磁波谱基本概念 19
2.1.3 遥感常用的电磁波波段 20
2.2 电磁辐射与大气效应基本概念 21
2.2.1 太阳辐射基本概念 21
2.2.2 地球辐射基本概念 22
2.2.3 大气对电磁辐射的影响 23
2.3 被动式遥感原理 28
2.3.1 地物的辐射特征 28
2.3.2 地物的反射特征 30
2.4 主动式遥感原理 40
2.4.1 InSAR测量 40
2.4.2 激光雷达测量 43
思考题 46
参考文献 46
第3章 水利遥感数据源 48
3.1 全球卫星概况 48
3.2 水利遥感卫星分类及数据 50
3.2.1 光学遥感卫星 51
3.2.2 微波遥感数据 67
3.2.3 重力遥感数据 73
3.2.4 激光遥感数据 74
3.3 航空遥感 75
3.3.1 无人机遥感 75
3.3.2 有人机遥感 80
思考题 81
参考文献 81
第4章 水资源遥感 82
4.1 水资源要素与水资源遥感 82
4.1.1 水资源要素 82
4.1.2 水资源遥感监测 82
4.2 地表水遥感 83
4.2.1 水面积 83
4.2.2 水位 92
4.2.3 水量 96
4.3 地下水遥感 101
4.3.1 分布及埋深 101
4.3.2 水储量 106
4.4 土壤水分遥感 109
4.4.1 基本原理 110
4.4.2 主要遥感方法 111
4.4.3 典型案例 121
4.5 冰川积雪遥感 123
4.5.1 冰川积雪的分布识别 123
4.5.2 积雪深度监测 125
4.5.3 雪水当量监测 128
4.6 降水遥感 131
4.6.1 降水遥感监测 132
4.6.2 典型案例 133
4.7 蒸散发遥感 135
4.7.1 蒸散发原理 135
4.7.2 蒸散发量估算 138
4.7.3 蒸散发量遥感监测 139
思考题 144
参考文献 144
第5章 水旱灾害遥感 148
5.1 水旱灾害与水旱灾害遥感 148
5.1.1 水旱灾害类型和定义 148
5.1.2 水旱灾害遥感原理 148
5.2 干旱灾害遥感 152
5.2.1 干旱分类 152
5.2.2 旱情监测 153
5.3 洪水灾害遥感 159
5.3.1 洪水灾害遥感监测 159
5.3.2 洪水灾害风险评估 161
5.3.3 堰塞湖灾害遥感监测 164
5.4 水土流失遥感 168
5.4.1 水土流失的形式 168
5.4.2 水土流失遥感监测 168
思考题 173
参考文献 173
第6章 水生态环境遥感 175
6.1 水生态环境遥感基本原理 175
6.1.1 水生态环境的遥感参数 175
6.1.2 水生态环境要素指标的波谱特征 177
6.2 物理性指标遥感 180
6.2.1 透明度 180
6.2.2 悬浮颗粒物 186
6.3 化学性指标遥感 190
6.3.1 总磷浓度 190
6.3.2 有色可溶性有机物 195
6.4 生物性指标遥感 199
6.4.1 芦苇生物量 199
6.4.2 蓝藻水华 204
思考题 209
参考文献 209
第7章 水利工程遥感 212
7.1 水利工程遥感基本原理 212
7.1.1 水利工程类型 212
7.1.2 水利工程遥感监测原理 214
7.2 水工建筑物遥感监测 215
7.2.1 大坝变形 215
7.2.2 水闸形变 224
7.2.3 堤坝识别与变化检测 229
7.3 水利工程滑坡遥感监测 239
7.3.1 水利工程滑坡类型 240
7.3.2 滑坡预测 242
7.3.3 滑坡变形 249
7.4 工程建设遥感监测 260
7.4.1 工程选址遥感 260
7.4.2 施工进程遥感 263
7.4.3 竣工验收遥感 263
思考题 264
参考文献 264
第8章 水政执法遥感 267
8.1 水政执法遥感基本原理 267
8.1.1 水政执法主要内容 267
8.1.2 水政执法遥感机制 270
8.2 河湖“四乱”遥感监测 273
8.2.1 河湖“四乱” 273
8.2.2 核心遥感手段 274
8.2.3 典型案例 278
8.3 其他水域违法监测 283
8.3.1 水域污染监测 283
8.3.2 围网养殖 286
思考题 288
参考文献 288
第9章 遥感技术在新时代水利中的融合与应用 290
9.1 数字孪生水利体系 290
9.1.1 基础理念 290
9.1.2 实际应用 290
9.2 “天空地水工”一体化监测 293
9.2.1 基础理念 293
9.2.2 实际应用 295
9.3 水旱灾害防御 301
9.3.1 基础理念 301
9.3.2 实际应用 301
9.4 水利科研与卫星规划 304
9.4.1 基础理念 304
9.4.2 实际应用 305
9.5 水利遥感未来展望 307
思考题 308
资料来源 308

第1章 绪论
　　水是生命之源、生产之要、生态之基。中华民族五千年的文明史，亦是一部“兴水利，除水害”的治水史。进入新时代，我国社会主要矛盾发生深刻转变，新发展理念全面引领经济社会变革。然而，水问题作为基础性、关键性瓶颈，依然制约着国家高质量发展和中华民族伟大复兴的进程。
　　具体而言，我国水安全形势严峻，集中体现在4个维度：水资源方面，我国人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，且时空分布极不均衡，北方资源性缺水与南方工程性缺水并存，水资源已成为区域发展的硬约束。水生态方面，部分河流、湖泊和湿地生态功能退化，河道断流、湖泊萎缩和生物多样性减少等问题突出，水土流失尚未得到根本遏制，河流健康面临严峻挑战。水环境方面，虽然污染防治取得显著成效，但部分流域污染问题依然存在，工业、农业和生活源污染交织，水体黑臭和富营养化等现象尚未彻底解决，直接影响人民群众的饮水安全和生态福祉。水灾害方面，受全球气候变化影响，极端天气事件频发、重发，大江大河洪水风险依然存在，中小河流洪水、山洪灾害突发性强，城市内涝问题日益凸显，水旱灾害防御始终是关系国计民生的重大课题。这四大水问题相互关联、彼此影响，单一治理难以奏效，它们共同构成一个复杂的巨系统，对国家水安全形成全面挑战。
　　面对这一复杂局面，习近平总书记高瞻远瞩地提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，为破解我国新老水问题提供了根本遵循和行动指南。为贯彻落实新时代治水思路，水利工作领域不断拓展深化，形成了覆盖水资源、水生态、水环境、水灾害的全方位业务体系，具体可归纳为十大关键领域。①水资源调查评价与管理，旨在摸清资源家底，为优化配置提供依据。②水旱灾害防御，着重于雨情水情的监测预报与科学调度。③水土保持监测与治理，动态监测水土流失并实施综合治理。④河湖保护与治理，加强水域岸线管理保护，复苏河湖生态环境。⑤水利工程建设与运行管理，涵盖基础设施规划建设与安全监测。⑥饮用水水源地保护，划定保护区并监测水质，保障饮水安全。⑦水文监测与预报，构建站网体系实时监测水文要素。⑧地下水监测与管理，监测地下水位与水质变化，实施超采治理。⑨水环境与水生态监测，评估水质状况与生物多样性。⑩河口与海岸带治理，研究演变规律，保障生态与防洪安全。这些业务领域共同构成现代水利工作的核心架构，每一项都关系国计民生，都迫切需要新方法和新技术的支撑。
　　水利业务覆盖范围广阔，管理场景复杂多样，涉及江河湖库的广域分布、水利工程的规模化建设及水文过程的动态演变，实现对上述要素高效、精准、大范围的监测与管理，已成为水利行业高质量发展的核心技术挑战。传统地面监测作为水利监测体系的基础组成部分，在长期实践中发挥了重要作用，但面对当前规模化、精细化、动态化的业务需求，其在监测成本控制、数据获取效率及全域覆盖能力等方面的局限性日益凸显。水利遥感（RS）技术的出现与发展，为破解这一难题提供了全新路径。水利遥感技术凭借宏观覆盖、快速响应、客观获取、动态更新的技术特性，成为支撑新时代治水思路落地、解决复杂水问题的关键技术手段，并推动水利行业发生深度变革。在水利业务全链条中，遥感技术的应用已实现关键领域全覆盖并展现出革命性价值：水资源调查与管理领域，卫星重力遥感可反演地下水储量时空变化，光学与雷达遥感技术能快速提取地表水体边界及动态变化信息。水旱灾害防御领域，气象卫星与雷达卫星协同可实现暴雨系统的精准追踪，合成孔径雷达（SAR）的云雨穿透能力支持洪涝淹没范围的实时监测。水土保持监测与治理领域，多光谱与高光谱遥感技术可实现地表覆被类型的精准识别，为土壤侵蚀状况动态监测提供数据支撑。河湖保护与治理领域，高分辨率遥感影像通过定期岸线扫描，可实现违规开发和围垦等行为的自动化识别。水利工程建设与运行管理领域，合成孔径雷达干涉测量技术能够实现工程结构毫米级形变监测，为安全隐患早期预警提供技术保障。水环境监测领域，水色遥感技术可实现水质关键参数的大范围快速反演，支撑污染事件的及时发现与应急响应。
　　水利遥感已突破单一技术应用的边界，成为践行“系统治理”理念、达成“空间均衡”目标的核心技术支撑，更是驱动水利行业数字化转型、推进智慧水利建设的战略抓手，为新时代水利事业高质量发展提供了关键技术路径。掌握水利遥感技术，是获取宏观尺度水系统认知、实现精细化水管理与系统性水保护的核心前提。相较于传统地面观测的局限，水利遥感依托卫星观测技术，能够全景呈现流域水系空间格局。水利遥感摆脱稀疏站点数据的制约，通过海量时空连续数据，构建全流域一体化监测与管控体系。水利遥感的学习与应用，本质是现代科技与水利实践的深度融合，其核心价值在于以技术创新守护水资源安全。这一过程不仅是对水利科技知识的传承与拓展，更是水利行业从业者责任意识的强化与使命担当的践行。作为新兴交叉学科，水利遥感为水利领域人才培养提供了全新维度，助力从业者树立水安全保障与生态文明建设的全局观，为新时代水利事业可持续发展注入技术动力与人才活力。
　　1.1 水利与遥感的基本概念
　　1.1.1 水利的基本概念
　　“水利”一词源远流长，作为汉语词语*早见于战国文献《吕氏春秋》，原指捕鱼之利。西汉司马迁在《史记 河渠书》中*次将其定义为防洪兴利相结合的综合治水活动，体现了古人在治水与水资源利用方面的智慧。从现代意义上讲，水利是指通过人为手段对水资源进行开发、利用、调控、保护和治理，以满足社会经济发展和生态环境需要的一系列综合性工程与管理活动。它涵盖了利水、治水、节水、管水和护水等多个方面，兼具自然科学、工程技术、环境保护与社会治理等多重属性。
　　水利作为人类对自然水体进行认知、改造与管理的行为，伴随着文明发展而逐步演进。从古代的经验治水，到现代的系统化管理，再到当代向智能化、数字化的跃迁，水利的发展大致可以分为以下5个阶段。①古代水利阶段是以经验为主的初级工程建设期，主要以农业灌溉、防洪排涝为核心目标，人类通过观察自然规律、积累实践经验，开展*基本的水体调控活动，如筑坝拦水、开渠引水和围垦造田等。②近代水利阶段是以工程建设为核心的系统治理期，如大型水利工程的兴建（如水库、水闸和堤防等）。③现代水利阶段是以资源优化为导向的综合利用期，这一阶段的水利从单一目标（防洪、供水）逐步转向水资源的综合开发与可持续利用。④数字水利阶段是以信息化为支撑的动态管理期，如建立水文数据库、水资源监控系统、水利工程调度平台和水政执法监管平台等信息化基础设施。⑤智慧水利阶段是以智能感知与决策为核心的融合创新期，通过融合遥感、大数据、物联网、人工智能、边缘计算和数字孪生等先进技术，构建以感知—分析—决策—执行闭环为核心的新型水利治理体系。
　　1.1.2 遥感的基本概念
　　遥感是利用传感器及辅助设备在无接触、远距离条件下探测并记录目标物的电磁辐射信息，通过分析所探测到的电磁辐射信息，估计目标物的其他属性信息，包括其成分、状态和几何结构等，或者进一步对目标进行识别的科学和技术[1？2]。
　　遥感可分为广义遥感和狭义遥感。其中，凡能实现对目标物进行远距离探测的技术手段，其所依赖的信息载体并不限于电磁辐射，还包括引力场、地磁场、机械波（如地震波）以及非光子类的高能粒子，所有此类远程探测手段统称为广义遥感。狭义遥感则特指基于电磁辐射探测目标信息的遥感形式。本书各章中所述的“遥感”，如无特殊说明，均指狭义遥感。
　　遥感所涵盖的研究内容十分广泛，其发展融合了电子工程、航空航天、计算机科学、信息技术，以及地球科学与天文学等多个领域的技术与理论。按照研究重心的不同，遥感研究大致可分为电子工程遥感研究与空间探测遥感研究两大类。前者主要聚焦于遥感系统的电子技术与工程架构，研究目标是构建高效、稳定、可扩展的遥感技术系统，属于以“系统构建”为核心的工程技术研究范畴。而后者则以遥感系统作为工具，关注其在空间目标信息获取、处理与应用中的作用，研究重点在于如何高效地获取、分析和应用空间信息资源。从探测对象的空间尺度来看，空间探测遥感又可进一步划分为对地遥感与宇宙遥感。前者以地球表层及大气为探测对象，后者则面向地球以外的宇宙天体。本书所讨论的遥感仅限于对地遥感。对地遥感从地球外部空间平台对地球表面及大气进行非接触式探测。其所能探测或潜在可探测的目标属性包括电磁辐射特性、物质组成与结构、温度、湿度、生物参数、地应力状态、三维几何形态与空间位置等，以及这些属性的时空变化过程。
　　遥感技术中用于获取目标的电磁辐射信息的器件称为遥传感器（remote sensor）。遥感器的核心部件是对不同波段的电磁辐射敏感的各种传感器。其他部件包括用于电磁辐射的收集、存储和传输等的辅助设备。遥感器需要一个携带它的工具，通常把搭载遥感器的各种工具称为遥感平台，包括车、船、高架、热气球、飞机、卫星和飞船等。其中，卫星和飞机是目前*主要的遥感平台。遥感平台大致可分为四类：地面平台、航空平台、航天平台和航宇平台。
　　根据不同维度，遥感可以分为以下几类。
　　（1）按遥感平台，可分为地面遥感、航空遥感、航天遥感和航宇遥感。多种平台相辅相成，能够弥补各自的局限性，从而构成了对地观测的多层次遥感系统。
　　（2）按波段，可分为紫外遥感、可见光？短波红外遥感、热红外遥感、微波遥感和无线电遥感等。此外，根据探测器波段的多少，还有多光谱遥感和高光谱遥感等。
　　（3）按工作方式，可分为主动遥感和被动遥感。主动遥感是遥感器发射工作波段的电磁波，经地物反射后接收其回波的遥感方式，如微波雷达遥感，其辐射源来自遥感器。被动遥感是遥感器不发射电磁波，只接收地物对太阳辐射的反射或地物自身发射的电磁波的遥感方式。
　　（4）按应用领域，可分为大气、资源、环境、军事和城市遥感等，各领域可根据学科与需求进一步细分。以上应用领域分类是宏观的，具体学科和需求可基于此进一步细分出不同领域。
　　综上所述，遥感可以看作是人类视觉系统功能的延展，相较于传统的观测手段，其具有以下优势。
　　（1）非接触性。遥感是一种远距离探测技术，传感器不与目标物直接接触。这一特性突破了地面调查的空间限制，使人类难以抵达或存在安全隐患的区域亦能实现有效观测。
　　（2）宏观性。遥感视域广阔，可在同一时刻获取大范围地表信息，不受地面阻隔等条件限制。这一特点使遥感能够揭示仅凭局部细节无法呈现的整体性规律，观测效率显著优于传统地面调查。
　　（3）时效性。遥感可对同一地区进行短周期重复探测，及时捕捉地表目标的动态变化信息。现代卫星平台持续在轨运行，重访周期可短至数天乃至数小时，为灾害监测、资源评估等应用提供高时效的数据支撑。
　　（4）综合性和周期性。遥感数据涵盖多波段、多时相信息，具有较强的综合性。同时，卫星以相对稳定的重访周期对同一区域进行重复观测，使不同时期获取的数据具有可比性，为地表过程的动态监测与变化分析提供可靠的数据基础。
　　（5）经济性。遥感凭借广阔的观测覆盖与高度自动化的信息处理能力，与传统地面调查相比，可大幅节省人力、物力和时间投入，具有显著的经济效益。
　　1.2 水利遥感的学科内涵
　　1.2.1 水利遥感内涵
　　水利遥感（hydrographic remote sensing）是指遥感技术在水文水资源、水旱灾害、水生态环境、水利工程及水政执法等涉水领域应用的基本原理、技术方法与实现路径。作为遥感技术在水利行业中的专门化应用方向，水利遥感与水利工程、环境科学、海洋科学、空间科学、计算机科学及信息科学等众多领域存在紧密联系，能够服务于水情监测、灾情评估、生态环境监测、水资源调配、水土保持及河湖监管等多元业务需求，已成为当前遥感应用的重要分支之一，发展前景广阔[3]。
　　水利遥感的发展应以实际应用需求为牵引，以支撑业务化运行为根本目标。大力推进遥感技术在水利业务工作中的推广应用，是实现水利遥感持续发展的关键路径。我国水利行业与遥感技术的融