关键词：水安全、遥感、水质、水量、干旱、洪水

水资源对地球生命的可持续性至关重要。随着人口的增长和气候变化，必须有效评估这些资源的安全性。在过去的五十年中，卫星遥感已成为了解地球和大气过程的必不可少的部分。卫星传感器具有在全球范围内提供数据的能力，与地面或机载传感器的采集相比成本更低。近年来，科学界借助卫星遥感技术取得了重大进展，鉴于这些努力，本文针对一篇全面概述遥感在评估水安全的作用的论文提炼了其中的主要观点和结论。

该论文回顾了遥感在解决水安全的三个关键方面中的作用，即：水质、水量（地表和地下水资源）以及水文气候极端事件。研究表明，卫星数据为上述监测提供了令人鼓舞的结果。卫星测量能够增加观测网络来绘制全球水资源图，利用遥感数据估算水质参数、河流流量、水库监测、地下水存储以及绘制极端事件的地图，可提供与水的可利用量的相关及有价值的信息，从而改善该地区的水安全。

在水质评估中，考虑了四个水质参数，即叶绿素-a浓度（Chl-A），总悬浮物浓度（Total Suspended Solids，TSS）、透明度（Secchi Disk Depth，SDD）和有色可溶性有机物（黄色物质）（Colored Dissolved Organic Matter，CDOM）。为了建立水质参数和光谱反射率之间的统计关系, 越来越多地使用来自Landsat、MODIS、OrbView-2（SeaWiFS）、MERIS、Sentinel-2和Hyperion数据。水质监测所需的遥感数据集缺乏广泛可用性，给估算值增加了很大不确定性，强烈需要进一步改善数据。此外，大多数算法本质上是经验性的，这需要精确的参数化，该参数化会随水体的光学特性而变化。近年来，还尝试将多光谱数据与高光谱传感器数据合并以准确确定水质参数。

在水量评估中，概述了三个方面，即流量估算、陆地水储量(TWS)和水库。卫星测高数据集最常用于估算河流和水库中的水位。不同高程数据集组合对于流量估算和储层监测大有用途。早期的测高仪因占地面积较大只能绘制大型河流和水库地图。但最近的数据集（例如Jason-2，Jason-3和Saral）已能够监视宽度不一的小河。此外，结合其他与河流宽度和路径有关的遥感数据，可显著改善河流水位估计。除了高度计数据集外，还可从遥感数据集获得与水表面积、河道坡度、平均河道宽度和河流速度有关的辅助数据，并用于水力方程式估计流量。SWOT卫星将在估算河流流量和蓄水量方面提供重大进展。为监测陆地水储量（TWS）的变化，通常会使用GRACE（重力卫星）双卫星任务，GRACE数据还用于绘制地下水变化和地下水枯竭图。GRACE数据的一个主要局限是其低分辨率，这限制了它在大陆范围的应用，但目前也在努力将陆地水储量（TWS）进行细分类以开展水文研究。

在极端事件的应用中，卫星遥感可用于气象、农业、水文和地下水干旱分析。遥感降水ET数据（包括土壤蒸发和植物蒸腾两方面,英文为Evapotraspiration,简称为ET)是陆面生态过程的关键参数,也是流域水循环研究和水资源管理最重要的分量之一。其长期记录有助于利用标准化降水指数（SPI）和标准化降水蒸散指数（SPEI）等指数进行气象干旱分析。目前，正努力将农业干旱期间受影响的变量，如ET、LST以及土壤湿度和植被，合并为干旱指数。此外，还从统计的角度尝试得出了多变量干旱指数。随着GRACE卫星发射，遥感在水文和地下水干旱分析方面的作用也越来越受欢迎，GRACE的陆地水储量（TWS）评估可用于制定水文和地下水干旱指数。因此，遥感信息已成为干旱预报的重要组成部分，从卫星中获得的近实时水文气象观测资料也正在用于饥荒预警系统。由于遥感产品能够覆盖更大的空间范围，因此它们被用于区域干旱分析，通常评估干旱的强度、持续时间、频率、严重程度和面积等特征是具有优势的。但是，同一变量的遥感产品之间的系统差异可能会影响结果，因此应谨慎选择合适的产品。

该文针对遥感在水资源安全监测方面还提出了如下展望：

一是大多数水质参数，如有色可溶性有机物（黄色物质）（CDOM）和透明度（SDD），都是通过总悬浮物来表示的。需要改进传感系统和反演方法，以便能够在全球尺度上直接探测到这些参数。

二是关于流量估算，大多数研究仅限于湄公河、刚果河、亚马逊河、恒河和雅鲁藏布江等大型河流的流量监测。尽管这项研究仍在提高流量测量精度，但也应致力于开发一个监测框架，以实现在全球范围内各种宽度的河流流量监测。此外，在监测有水库的跨界河流问题上也存在挑战。SWOT卫星预计将推进解决这些问题。

三是目前的测高仪时间分辨率较低(大约几十天)，这使监测河流面临挑战，克服这一局限的一个方法是融合多卫星信息。此外，由于大多数测高仪的目的是监测海洋表面，需要解决它们在监测内陆水体时受到的陆地回声干扰的局限性。

四是GRACE和GRACE-FO卫星提供了包括地表水和地下水资源在内的陆地水储量的宝贵信息。应努力缩小这些产品的尺度，使其在灌溉和饮用水供应等领域的应用多样化。

五是洪水监测可通过使用多星组合应用来进一步改善，这些卫星可以解决洪水事件期间的云层覆盖、空间重建解决方案和跨越时间等问题。

六是因对作物生长的根区土壤水分供应了解有限，量化农业干旱的解剖结构仍然是一个挑战。因此，有必要提高我们对不同类型环境中土壤水分信号的理解，以改善农业用水管理。遥感产品的不断发展，以及将其纳入陆地表面模型，可以产生根区土壤水分产品，从而改善农业干旱管理。此外，遥感土壤水分产品可以扩大覆盖全球土壤水分赤字的能力，并且可以极大地补充稀疏的土壤水分网络。卫星遥感产品的制图能力为区域到国家范围内干旱的发生和演变打开了一个新窗口。

七是在描述干旱特征时，需要结合水文气象变量在不同时间尺度上的表现信息。应在利益相关者之间促进遥感数据的发展和共享与结合，通过整合干旱事件的多变量性质来改善水安全，这对于世界许多地方的数据稀缺地区尤其重要。

八是上述几个方向上的进步需要努力发展科学技术以获得超时空分辨率的遥感产品。诸如欧空局的土壤水分和海洋盐度卫星（SMOS-HR），致力于对陆地和海洋上的土壤水分进行全球观测之类的仍处于概念阶段的项目研发将进一步满足这一要求。

原文来源：

原文作者：Ila Chawla; L. Karthikeyan; Ashok K. Mishra

翻译与综合：吕姗姗

核校与编辑：董丽娜