遥感及地理信息系统在水文地质中的应用

遥感及地理信息系统在水文地质中的应用

2009-04-09 13:46

一、背景介绍

卫星和飞行技术引人关注，但这一技术还很年轻。机载和星载遥感影像也以其越来越好的品质和清晰度而引起人们的重视，并且发展速度很快。最近开发的图像浏览器，如Google Earth，再次吸引了人们的目光。然而，正如“任何尖端科技都容易与魔法混淆”（Arthur Clarke, Profiles of The Future，1961），那些对遥感技术不熟悉的人很难判断遥感究竟能够解决哪些问题。在确定卫星观测的可用性时，人们对那些迷人的卫星影像的期望值往往过高。但是，如果卫星真的有这么大作用，那为什么在利用卫星技术绘制地下水流动时却出现了很多问题？

水文地质学家认为是复杂而又缺乏认识的地质特征阻碍了地下水的遥感测量。实际上，也正是这一点限制了遥感技术在水文地质中的应用。因此，在利用遥感观测时，需要结合一些水文地质方法，如模型、假设和近似。

尽管遥感技术在解决地下问题时受到很多限制，但利用该技术比较容易获取全面的空间信息，因此，很多情况下值得考虑一用。当然，遥感数据的应用已经很广泛了，只是人们经常没有意识到罢了。例如，建立水文地质模型必不可少的数字高程模型（DEMs）就是通过机载或星载传感器获取的。

在过去的30年里，卫星遥感数据在地下水评价中的应用价值是显而易见的，从20世纪70年代早期，陆地卫星多光谱扫描仪（Landsat MSS）数据在各种区域尺度研究中的应用开始，其后是20世纪80年代的陆地卫星专题制图仪（Landsat TM）数据和人造卫星定位及跟踪系统（SPOT）数据的使用。然而，到目前为止，遥感影像数据的价格仍然很高，在地下水勘查中，只有那些大型的资助项目才有能力获取遥感数据并进行随后的解译。

在过去的10年里，遥感影像的成本明显降低，影像解译对硬件和软件的要求也有所降低。同时，普通电脑的处理速度和数据存储能力大幅度提高。此外，影像处理和解译软件的用户友好性不断提高，使得培训课程只需解释光谱信号的地质意义和遥感影像的空间特征，而不必在软件问题上花费精力。

在地质图精度不高和野外数据不足的地区，遥感无疑是水文地质勘查的重要手段。卫星影像的价格较之以前有所降低，因此，即使在已经完成填图的地区，也可以利用遥感影像来揭示以前被忽略的地质构造和岩性特征，以便更好的认识水文地质系统，实现地下水资源的高效持续利用。

本文旨在概述遥感技术在水文地质学中的应用及其局限性。希望文中涉及的众多遥感类文章能对读者有所启发，促进遥感这一有力的工具在各个研

究领域中的应用。

二、遥感技术发展概述

本文收集了不同专题的文章，试图总结遥感在各个领域中的应用。文章涉及的内容很广，包括土壤湿度的测量、地下水流的模拟、线性体的绘制以及储存量变化的评价等。各专题在空间尺度上的变化也很大，从精度小于1

米的地形分析到整个盆地的储存量变化均有所涉及。

Brunner等人回顾了遥感观测在地下水模拟方面的应用。他们强调了遥感数据在两个方面的应用：直接确定模型的输入参数和约束模型的识别。上述应用在博茨瓦纳和中国得到了验证。同时，作者也讨论了融合遥感数据所创造的附加值。

Zahn和Conrad论述了遥感技术、空间模拟和植被填图等在识别依赖地下水的生态系统中的应用。已证实，遥感技术在大量抽取地下水用于农田灌溉的地区的敏感湿地的绘图过程中发挥了重要作用。

Nyborg等证实了极高精度的高程数据在构造地质详细填图及线性体探测中的应用。将高精度的三维地表模型与其它数据结合，可以刻画水文地质模型的结构特征，以用来进行核废料处置库的选址。

Robinson等利用合成孔径雷达(SAR)（可穿透干燥地面之下的一小段距离）调查了埃及西南部的努比亚含水系统。他们利用SAR影像对冲积扇等结构特征进行了识别。将该信息与SRTM（航天飞机雷达地形测绘任务）数字高程模型的坡面图结合，来描述不同的补给条件。作者以这些结构观测为基础，通过解译地下水盐度在空间上的变化来揭示地下水的径流特征。

Rhén等介绍了在瑞典东南部进行核废料处置库选址的详细调查中，用于水文地质条件刻画与模拟的各种探测技术。将各种遥感和地球物理技术结合起来，用于确定基岩中潜在变形带的位置，随后用野外填图、精细地球物理、钻探和水动力试验等方法加以验证。

Sander总结了线性体的遥感绘图及其解译在地下水探测中的应用，并讨论了遥感技术在半干旱坚硬基岩区的典型应用和局限性。

Tweed等人示范了如何利用不同的遥感数据来识别高盐度并趋于干旱的农业集中区的地下水的补给区和排泄区。

Leblanc等介绍了如何利用遥感数据和地理信息系统（GIS）来识别补给区和排泄区、地下水和地表水的相互作用及古水文地质条件，并将其作为中非第四系大型含水层的区域地下水模型的输入数据。

Fernández-Prieto和Palazzo报导了欧洲航天局(ESA)的TIGER计划。该计划试图利用ESA的卫星数据来进行研究和开发，以此来管理非洲的水资源。

Entekhabi和Moghaddam论述了如何利用土壤湿度的遥感数据评价地下水补给。他们介绍了两种提供测量卫星数据的发射概念，并说明了利用这些观测进行地下水补给评价的模拟过程。

Kerr简要回顾了遥感土壤湿度研究的发展历史，认为目前只有低频微波可以提供足够的观测数据，并展望随着航天探测器的增多，土壤湿度的遥感数据质量将得到明显改进。

Wagner等比较了利用不同检索方法，从3个不同的卫星传感器得到的4个数据集。他们认为这些数据可以指示地表土壤湿度状况的趋势，但不足以给出可靠的湿度值。

Galloway和Hoffmann论述了如何利用地质力学成因来解译干涉雷达(InSAR)的地面位移数据，以促进对已开采含水层系统的认识。在他们给出的研究实例中，利用InSAR位移数据来识别含水层系统的控水构造和各向异性、估计储水参数和垂向渗透系数并识别地下水流模型。

Bandyopadhyay等概述了印度的卫星计划，并介绍了该计划在印度水文地质领域中的各种应用。

Rodell等利用GRACE (重力恢复和气候试验)卫星数据，对密西西比河流域及其主要子流域的地下水储量变化进行了估算。计算过程中模拟了雪和土壤湿度对重力信号的影响，并将其从测量信号中剔除。作者讨论了对缺乏认识的大区域含水层系统，利用GRACE数据观测地下水储量变化的可行性。

Güntner等指出了利用GRACE监测和模拟全球地下水储量变化的诱人潜力，认为必须重视发展与思考，以充分挖掘这一潜力。

Fredrick等认为湖泊和湿地的水位可以代表威斯康星试验场(USA)的水位，他们利用SRTM地表水位数据对基于GIS的区域地下水流模型进行了识别。

Minor等的文章是本文中唯一没有直接涉及遥感数据应用的文章，不过其中有些数据来自遥感影像，如DEM。文中论述了GIS在综合各种来源、各种尺度的空间信息中的重要作用，并用于美国西部广大地区的地下水补给评价。

Jha和Chowdary试图确定在发展中国家，哪些因素制约了遥感技术在地下水资源管理中的应用。他们给出了过去的一些调查结果，讨论了发展中国家普遍存在的制度和技术问题，并提出了可能有效的解决办法。

三、前景展望

很多批评者认为遥感的潜力（不仅仅是在水文地质领域中）被过分夸大了。漂亮的图片和可视化的方法可以表达出某些参数全面准确的空间分布特征，但我们很容易被这些表象蒙蔽。空间完整性和细节信息可能是错误的。