遙感及地理信息系統(tǒng)在水文地質(zhì)中的應(yīng)用

1、遙感及地理信息系統(tǒng)在水文地質(zhì)中的應(yīng)用遙感及地理信息系統(tǒng)在水文地質(zhì)中的應(yīng)用2009-04-09 13:46一、背景介紹衛(wèi)星和飛行技術(shù)引人關(guān)注，但這一技術(shù)還很年輕。機(jī)載和星載遙感影像也以其越來(lái)越好的品質(zhì)和清楚度而引起人們的重視，并且進(jìn)展速度很快。最近開(kāi)發(fā)的圖像掃瞄器，如google earth，再次吸引了人們的目光。然而，正如“任何尖端科技都簡(jiǎn)單與魔法混淆arthur clarke, profiles of the future，1961，那些對(duì)遙感技術(shù)不熟識(shí)的人很難推斷遙感畢竟可以解決哪些問(wèn)題。在確定衛(wèi)星觀測(cè)的可用性時(shí)，人們對(duì)那些迷人的衛(wèi)星影像的期望值往往過(guò)高。但是，假如衛(wèi)星真的有這么大作用，那

2、為什么在利用衛(wèi)星技術(shù)繪制地下水流淌時(shí)卻出現(xiàn)了許多問(wèn)題？水文地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為是冗雜而又缺乏認(rèn)識(shí)的地質(zhì)特征阻礙了地下水的遙感測(cè)量。事實(shí)上，也正是這一點(diǎn)限制了遙感技術(shù)在水文地質(zhì)中的應(yīng)用。因此，在利用遙感觀測(cè)時(shí)，需要結(jié)合一些水文地質(zhì)方法，如模型、假設(shè)和近似。盡管遙感技術(shù)在解決地下問(wèn)題時(shí)受到許多限制，但利用該技術(shù)比擬簡(jiǎn)單獵取全面的空間信息，因此，許多狀況下值得考慮一用。當(dāng)然，遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛了，只是人們常常沒(méi)有意識(shí)到罷了。例如，建立水文地質(zhì)模型必不行少的數(shù)字高程模型dems就是通過(guò)機(jī)載或星載傳感器獵取的。在過(guò)去的30年里，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在地下水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用價(jià)值是顯而易見(jiàn)的，從20世紀(jì)70年月早期，陸地

3、衛(wèi)星多光譜掃描儀landsat mss數(shù)據(jù)在各種區(qū)域尺度討論中的應(yīng)用開(kāi)頭，其后是20世紀(jì)80年月的陸地衛(wèi)星專(zhuān)題制圖儀landsat tm數(shù)據(jù)和人造衛(wèi)星定位及跟蹤系統(tǒng)spot數(shù)據(jù)的用法。然而，到目前為止，遙感影像數(shù)據(jù)的價(jià)格仍舊很高，在地下水勘查中，只有那些大型的資助工程才有力量獵取遙感數(shù)據(jù)并進(jìn)展隨后的解譯。在過(guò)去的10年里，遙感影像的本錢(qián)明顯降低，影像解譯對(duì)硬件和軟件的要求也有所降低。同時(shí)，一般電腦的處理速度和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)力量大幅度進(jìn)步。此外，影像處理和解譯軟件的用戶(hù)友好性不斷進(jìn)步，使得培訓(xùn)課程只需說(shuō)明光譜信號(hào)的地質(zhì)意義和遙感影像的空間特征，而不必在軟件問(wèn)題上花費(fèi)精力。在地質(zhì)圖精度不高和野外數(shù)據(jù)缺乏

4、的地區(qū)，遙感無(wú)疑是水文地質(zhì)勘查的重要手段。衛(wèi)星影像的價(jià)格較之以前有所降低，因此，即使在已經(jīng)完成填圖的地區(qū)，也可以利用遙感影像來(lái)提醒以前被忽視的地質(zhì)構(gòu)造和巖性特征，以便更好的認(rèn)識(shí)水文地質(zhì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下水資源的高效持續(xù)利用。本文旨在概述遙感技術(shù)在水文地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用及其局限性。盼望文中涉及的眾多遙感類(lèi)文章能對(duì)讀者有所啟發(fā)，促進(jìn)遙感這一有力的工具在各個(gè)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用。二、遙感技術(shù)進(jìn)展概述本文搜集了不同專(zhuān)題的文章，試圖總結(jié)遙感在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。文章涉及的內(nèi)容很廣，包括土壤濕度的測(cè)量、地下水流的模擬、線性體的繪制以及儲(chǔ)存量改變的評(píng)價(jià)等。各專(zhuān)題在空間尺度上的改變也很大，從精度小于1米的地形分析到整個(gè)盆地

5、的儲(chǔ)存量改變均有所涉及。brunner等人回憶了遙感觀測(cè)在地下水模擬方面的應(yīng)用。他們強(qiáng)調(diào)了遙感數(shù)據(jù)在兩個(gè)方面的應(yīng)用：挺直確定模型的輸入?yún)?shù)和約束模型的識(shí)別。上述應(yīng)用在博茨瓦納和中國(guó)得到了驗(yàn)證。同時(shí)，也爭(zhēng)論了融合遙感數(shù)據(jù)所制造的附加值。zahn和conrad闡述了遙感技術(shù)、空間模擬和植被填圖等在識(shí)別依靠地下水的生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用。已證明，遙感技術(shù)在大量抽取地下水用于農(nóng)田灌溉的地區(qū)的敏感濕地的繪圖過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。nyborg等證明了極高精度的高程數(shù)據(jù)在構(gòu)造地質(zhì)具體填圖及線性體探測(cè)中的應(yīng)用。將高精度的三維地表模型與其它數(shù)據(jù)結(jié)合，可以刻畫(huà)水文地質(zhì)模型的構(gòu)造特征，以用來(lái)進(jìn)展核廢料處置庫(kù)的選址。rob

6、inson等利用合成孔徑雷達(dá)(sar)可穿透枯燥地面之下的一小段間隔 調(diào)查了埃及西南部的努比亞含水系統(tǒng)。他們利用sar影像對(duì)沖積扇等構(gòu)造特征進(jìn)展了識(shí)別。將該信息與srtm航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)數(shù)字高程模型的坡面圖結(jié)合，來(lái)描繪不同的補(bǔ)給條件。以這些構(gòu)造觀測(cè)為根底，通過(guò)解譯地下水鹽度在空間上的改變來(lái)提醒地下水的徑流特征。rhén等介紹了在瑞典東南部進(jìn)展核廢料處置庫(kù)選址的具體調(diào)查中，用于水文地質(zhì)條件刻畫(huà)與模擬的各種探測(cè)技術(shù)。將各種遙感和地球物理技術(shù)結(jié)合起來(lái)，用于確定基巖中潛在變形帶的位置，隨后用野外填圖、精細(xì)地球物理、鉆探和水動(dòng)力試驗(yàn)等方法加以驗(yàn)證。sander總結(jié)了線性體的遙感繪圖及其

7、解譯在地下水探測(cè)中的應(yīng)用，并爭(zhēng)論了遙感技術(shù)在半干旱堅(jiān)硬基巖區(qū)的典型應(yīng)用和局限性。tweed等人示范了如何利用不同的遙感數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別高鹽度并趨于干旱的農(nóng)業(yè)集中區(qū)的地下水的補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)。leblanc等介紹了如何利用遙感數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)gis來(lái)識(shí)別補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)、地下水和地表水的互相作用及古水文地質(zhì)條件，并將其作為中非第四系大型含水層的區(qū)域地下水模型的輸入數(shù)據(jù)。fernández-prieto和palazzo報(bào)導(dǎo)了歐洲航天局(esa)的tiger方案。該方案試圖利用esa的衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)展討論和開(kāi)發(fā)，以此來(lái)管理非洲的水資源。entekhabi和moghaddam闡述了如何利用土壤濕度的遙

8、感數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)地下水補(bǔ)給。他們介紹了兩種供應(yīng)測(cè)量衛(wèi)星數(shù)據(jù)的放射概念，并說(shuō)明了利用這些觀測(cè)進(jìn)展地下水補(bǔ)給評(píng)價(jià)的模擬過(guò)程。kerr簡(jiǎn)要回憶了遙感土壤濕度討論的進(jìn)展歷史，認(rèn)為目前只有低頻微波可以供應(yīng)足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并展望隨著航天探測(cè)器的增多，土壤濕度的遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量將得到明顯改良。wagner等比擬了利用不同檢索方法，從3個(gè)不同的衛(wèi)星傳感器得到的4個(gè)數(shù)據(jù)集。他們認(rèn)為這些數(shù)據(jù)可以指示地表土壤濕度情況的趨勢(shì)，但缺乏以給出牢靠的濕度值。galloway和hoffmann闡述了如何利用地質(zhì)力學(xué)成因來(lái)解譯干預(yù)雷達(dá)(insar)的地面位移數(shù)據(jù)，以促進(jìn)對(duì)已開(kāi)采含水層系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。在他們給出的討論實(shí)例中，利用insar位移

9、數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別含水層系統(tǒng)的控水構(gòu)造和各向異性、估量?jī)?chǔ)水參數(shù)和垂向浸透系數(shù)并識(shí)別地下水流模型。bandyopadhyay等概述了印度的衛(wèi)星方案，并介紹了該方案在印度水文地質(zhì)領(lǐng)域中的各種應(yīng)用。rodell等利用grace (重力復(fù)原和氣候試驗(yàn))衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)密西西比河流域及其主要子流域的地下水儲(chǔ)量改變進(jìn)展了估算。計(jì)算過(guò)程中模擬了雪和土壤濕度對(duì)重力信號(hào)的影響，并將其從測(cè)量信號(hào)中剔除。爭(zhēng)論了對(duì)缺乏認(rèn)識(shí)的大區(qū)域含水層系統(tǒng)，利用grace數(shù)據(jù)觀測(cè)地下水儲(chǔ)量改變的可行性。güntner等指出了利用grace監(jiān)測(cè)和模擬全球地下水儲(chǔ)量改變的迷人潛力，認(rèn)為必需重視進(jìn)展與思索，以充分挖掘這一潛力。fredric

10、k等認(rèn)為湖泊和濕地的水位可以代表威斯康星試驗(yàn)場(chǎng)(usa)的水位，他們利用srtm地表水位數(shù)據(jù)對(duì)基于gis的區(qū)域地下水流模型進(jìn)展了識(shí)別。minor等的文章是本文中唯一沒(méi)有挺直涉及遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的文章，不過(guò)其中有些數(shù)據(jù)來(lái)自遙感影像，如dem。文中闡述了gis在綜合各種來(lái)源、各種尺度的空間信息中的重要作用，并用于美國(guó)西部廣闊地區(qū)的地下水補(bǔ)給評(píng)價(jià)。jha和chowdary試圖確定在進(jìn)展中國(guó)家，哪些因素制約了遙感技術(shù)在地下水資源管理中的應(yīng)用。他們給出了過(guò)去的一些調(diào)查結(jié)果，爭(zhēng)論了進(jìn)展中國(guó)家普遍存在的制度和技術(shù)問(wèn)題，并提出了可能有效的解決方法。三、前景展望許多批判者認(rèn)為遙感的潛力不僅僅是在水文地質(zhì)領(lǐng)域中被過(guò)分

11、夸張了。美麗的圖片和可視化的方法可以表達(dá)出某些參數(shù)全面精確的空間分布特征，但我們很簡(jiǎn)單被這些表象蒙蔽?？臻g完好性和詳情信息可能是錯(cuò)誤的。因?yàn)閷?shí)際的測(cè)量值通常與繪制出的參數(shù)有肯定差異，主要的誤差來(lái)源是轉(zhuǎn)換過(guò)程中采納的模型和假設(shè)。這些假設(shè)可能只是在討論區(qū)的某一局部成立，或者只是一種特別粗略的估量。由此造成的結(jié)果是某些地區(qū)的參數(shù)圖特別精確，但其余地區(qū)的參數(shù)圖那么毫無(wú)價(jià)值。很惋惜，能真正反映這種差異的影像少之又少。因此，要慎重用法遙感數(shù)據(jù)，不能因?yàn)橛袝r(shí)不能產(chǎn)生牢靠的結(jié)果而放棄用法。許多討論者認(rèn)為遙感數(shù)據(jù)不能代替地面數(shù)據(jù)，后者在遙感解譯的校正和確認(rèn)方面具有特別重要的價(jià)值。衛(wèi)星和飛機(jī)永久無(wú)法取代野外工作。只有將不同學(xué)科的學(xué)問(wèn)和閱歷結(jié)合起來(lái)，才能勝利地將遙感數(shù)據(jù)運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，如地下水資源評(píng)價(jià)。假如沒(méi)能很好地認(rèn)識(shí)討論區(qū)的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)特征，就不能充分發(fā)掘遙感影像的價(jià)值。解譯不完好也可能會(huì)導(dǎo)致投入大量資源對(duì)錯(cuò)誤的地點(diǎn)進(jìn)展地面調(diào)查。利用遙感數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)水資源時(shí)，除了地質(zhì)和水文地質(zhì)學(xué)外，還必需考慮其它學(xué)科的學(xué)問(wèn)。社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治方面的制約可能也是很重要的，因此通常需要將遙感數(shù)據(jù)與不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)展結(jié)合，以做出正確的決策