11月2日，以“构建水安全保障新格局，护航大湾区高质量发展”为主题的第四届水安全与可持续发展国际高端论坛- 南沙分论坛在广州举办，论坛由国际水利与环境工程学会、中国水利学会、河海大学、南京水利科学研究院主办。相关领域院士、教授、工程师在现场围绕大湾区和南沙水安全与可持续发展问题展开交流探讨，中国科学院院士、中国科学院地理科学与资源研究所研究员周成虎做了题为《遥感大数据的水利应用》的主旨演讲。

周成虎

周成虎指出：“水是生存之本、文明之源，也是生产之要、生态之基。”近年来，随着世界人口快速增长、经济社会发展和全球气候变化加剧，全球普遍出现水灾害频发、水资源短缺、水生态损害、水环境污染等水安全问题，世界各国面临着越来越多的水安全挑战，水安全与可持续发展的重要性越来越突出。“从前，我们主要依靠水文观测、水文计算、水文测量等传统手段，随着现代卫星技术、遥感技术的发展，我们有机会从局部水循环到全球的水循环，实现一体化观测。”

遥感进入了“三高”时代

“1957年10月4日，苏联把第一个‘铁疙瘩’扔上天，标志着人类正式开始离开地球看地球；1960年，美国把第一颗气象卫星‘TIROS’送上天，人类第一次实现了从太空对地球进行动态观测。回顾历史，人类用了1500年才搞清海陆边界，用了500年才测量出精确的陆地边界。而今天，由于有了卫星遥感，我们每天都可以把地球测量一遍，这就是水利、水行业离不开遥感的原因。”周成虎娓娓道来，“中国从20世纪开始研究自己的卫星。在气象卫星领域，中国、美国、欧盟现在构建了全世界三大气象卫星体系，为全世界、全人类做出了巨大贡献。与此同时，中国通过30年的努力追赶，已经形成了与美国、欧盟、俄罗斯并驾齐驱的四大陆地资源卫星体系，并且中国在这一领域还在不停进步。”

周成虎指出，进入21世纪后，遥感科技显现出高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率的“三高”新特征，并开拓了更多的应用新领域，这对水利行业特别重要。“第一‘高’是指高空间分辨率。空间分辨率是指能够被传感器辨识的单一地物或2个相邻地物间的最小尺寸。空间分辨率越高，遥感图像包含的地物形态信息就越丰富，能识别的目标就越小。高空间分辨率图像（即高分图像）包含了地物丰富的纹理、形状、结构、邻域关系等信息，可主要应用于地物分类、目标提取与识别、变化检测等，对于水利行业广泛应用于工程建设、水利调查等意义重大。近年来，随着我国空间技术的快速发展，特别是高分辨率对地观测系统重大专项的实施，我国的卫星遥感技术迈入了亚米级时代，高分2号卫星（GF-2）全色谱段星下点空间分辨率达到0.8m，卫星遥感的民用化已进入0.1米时代。”

“第二‘高’是指高光谱分辨率。高光谱遥感起源于20世纪80年代，它利用成像光谱仪在连续几十个甚至几百个光谱通道获取地物辐射信息，同时每个像元都能够得到一条包含地物诊断性光谱特征的连续光谱曲线，通过观测可以有效测量大气成分。”

“第三‘高’是指高时间分辨率。卫星遥感观测的时间分辨率( 或卫星重访周期) 是指在同一区域进行相邻2次观测的最小时间间隔，间隔越小，时间分辨率越高。由于气象观测的特殊性要求，在21世纪初之前，高时间分辨率遥感卫星绝大多数都是气象卫星。目前，各国致力于发展多个星座与编队技术，让观测高时间分辨率越来越好。比如马斯克的星链计划是通过发射一批卫星对地球形成稳定、持续的观测；还有静止轨道卫星，位置放得高，可以和地球同步。据介绍，目前全球卫星组合在一起，每天可以实现全球动态观测一次。

周成虎表示，在今天这个大遥感时代，卫星形成的智慧体系实现了对地球全范围观测，降水、温度、水循环体系的主要参数也将形成完整的全球无缝动态观测体系。“除了遥感卫星，通信卫星、导航卫星也会一体化，后高分时代涉及高空间、高光谱、高时间以及通信导航一的体化，终有一天，大家打开手机就可以得到实时卫星遥感数据，而不仅仅是一幅地图。”

遥感大数据在水利行业的应用

高分辨率卫星海量遥感数据为防洪抗旱减灾、水资源合理配置、水生态环境保护、水利工程建设与管理和服务等水利业务发展提供了有力技术支撑和保障。水利行业传统遥感应用受遥感影像数据时空分辨率的限制，主要用于大尺度的应用分析，如土壤墒情、灾情评估、水环境调查等。水利行业遥感应用的新特点主要体现在分析对象在时空上更为精细化，如水土保持“天地一体化”，河湖岸线管理疑似违建监测等。

“遥感在日常水利业务中发挥着巨大作用，没有精准的高分辨率遥感卫星，我们无法实时动态监测水灾害；没有卫星遥感和航空遥感实时状态的准确提取，我们无法实施监测滑坡泥石流。”周成虎介绍道，“今天，卫星遥感在水环境监测方面扮演的角色已经不是从前的辅助作用，而是必不可少，‘没你不行’。在水里环境监测方面，太湖已经实行了每日一次全范围的遥感卫星监测，对常州这类重点地区的污染排源进行了精准动态监测和业务化运行，实行每天日报制度。水利工程项目也是从起步开始就运用航空遥感技术，例如早期二滩工程的移民规划、三峡大坝的早期环境评估等。遥感大数据帮助我们提升了水利日常业务的能力和水平。”

谈到遥感技术在水利行业的信息化应用时，周成虎主要介绍了以下几个方面：一是针对抗汛抗灾，开展基于遥感数据的旱情预警与工程监视；二是做好水资源管理，开展基于遥感数据的水功能区水质监测、基于遥感数据的水质应急监测、基于遥感数据的重要流域饮用水源地、河流交汇点水质监测；三是做好水土保持，开展基于遥感数据的“天地一体化”监控、开展基于遥感数据的治理“图斑精细化”管理、完善国家重点治理工程项目管理系统、开展基于遥感数据的水土保持监测；四是做好灌区管理，采用遥感、遥测实现灌区墒情、灌溉面积、种植结构等信息的动态监测；五是做好河湖水域岸线登记管理，基于遥感数据实现疑似涉河工程或违章建筑的动态监测；六是打造水利大数据分析与应用示范工程，开展水利设施和水资源天地网一体化监测，开展遥感水信息数据提取，建成水信息遥感数据产品数据集。

“例如，过去20年水环境是变好了还是变坏了？我们用一系列超级指标把农林牧副渔所有的数据和观测的水指标结合在一起进分析计算，发现中国20年来做的水利改进措施对水质提升有显著效果，且人类活动影响驱动的水环境变化影响相对减弱。”周成虎说，“由于我们改善的很多地区人口不密集，所以总体水质改好了，但缺水状况并没有改善，东部城市资源性缺水和质量性缺水情况依然严重。这也是今天大遥感数据给大水利行业带来的新机会和新挑战，我们相信终有一天，遥感能把每一条河流、每一个河岸、每一座大坝都看清楚。”

水利行业迎来遥感大模型时代

周成虎进一步指出：“海量数据要通过暴力计算，一上来就搞亿万个CPU、GPU混合计算，一般人干不了，所以遥感已经进入了大模型时代。有了遥感大模型就可以实现遥感大数据的实时动态处理和分析，可以帮我们实现从单一级处理到集群、从单一区域到全球、从单要素到全要素的处理。现在，流域信息有非常好的地面观测网和空天地立体观测网，包含了从点到面的过程，从单一时间序列到长序列过程，因此我们得到的是一个长时间序列、高分辨率的水文时空数据集。”

2022 年8月，中国科学院空天信息创新研究院发布了“空天・灵眸”大模型（RingMo，Remote Sensing Foundation Model）， 这是首个面向跨模态遥感数据的生成式预训练大模型，旨在构建一个通用的多模态多任务模型，为遥感领域多行业应用提供一套通用便捷、性能优良的解决方案。据介绍，“空天・灵眸”大模型未来将应用于水利环保等行业，为天空地一体化应用提供解决方案。

“用传统的文件、二维表格管理已经不足以支撑所有流域的复杂性管理体系，今年的几次大洪水就充分体现了这一点。我们应重新认知所有数字化技术在水安全观测中是如何发挥作用的，我国已经向世界宣布我们要构建自己的全球水环境观测卫星体系。这都需要我们重新用大数据的方式来进行遥感大数据水利利用、来变革水利遥感研究方式，帮助我们做水利调查、水土流失调查，提高效率，最终让每一个水利工作者都能用上遥感，这是我们的目标。”

“今天，人工模式将被大模型技术完全取代，这样可以使每一位水利工作者集中精力去做水利业务，而不是每天花时间进行遥感图像处理和遥感信息提取。目前国内在努力研发，比如商汤发布的SenseEarth 3.0做了基本的水利分工方法；空天院和华为合作进行基于国产卫星芯片的卫星遥感数据处理工作，可以帮助我们识别水利遥感。在大水利时代，遥感技术会让地球变得更‘智慧’。”周成虎总结道。（本文未经报告人审核）

个人名片

周成虎：中国科学院地理科学与资源研究所研究员。长期从事遥感与地理信息系统及其与地理科学的交叉研究。曾获国家科技进步奖二等奖等奖项。2013年当选中国科学院院士。