遙感技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用

海來(lái)提

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊　830000)

0　引言

自上世紀(jì)80年代以來(lái),中國(guó)水利遙感部門(mén)利用資源衛(wèi)星及其它航天、航空遙感方法,在洪澇、干旱災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與評(píng)估、水土流失調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水利工程前期規(guī)劃、大型水庫(kù)工程的地質(zhì)調(diào)查、生態(tài)環(huán)境及水資源、水污染監(jiān)測(cè)與調(diào)查、干旱沙漠區(qū)的水資源調(diào)查以及有效灌溉面積調(diào)查等方面進(jìn)行了大量的應(yīng)用與研究,在國(guó)家資源環(huán)境調(diào)查和宏觀決策、水利工程建設(shè)、洪澇災(zāi)情監(jiān)測(cè)和評(píng)估等方面發(fā)揮了重要作用。

1　遙感技術(shù)在水資源調(diào)查中的應(yīng)用

利用遙感技術(shù)不僅能確定地表江河、湖沼和冰雪的分布、面積、水量和水質(zhì),而且對(duì)勘測(cè)地下水資源也是十分有效的。

1.1　應(yīng)用概況

遙感圖像能夠真實(shí)反映地表地形、地貌、巖性、第四紀(jì)沉積物、地質(zhì)構(gòu)造、水系、植被覆蓋等水文地質(zhì)要素的空間展布特性及相互聯(lián)系。運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)勘查區(qū)各類(lèi)地質(zhì)要素進(jìn)行解譯和提取,并結(jié)合多學(xué)科、多信息的綜合分析,可以對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)條件和地下水分布特征得出系統(tǒng)、客觀的結(jié)論。對(duì)第四紀(jì)松散層中的孔隙潛水來(lái)說(shuō),其水文地質(zhì)條件通常與地貌、第四紀(jì)地質(zhì)、新構(gòu)造和植被覆蓋等要素有著極為密切的聯(lián)系。利用遙感圖像上的色調(diào)、形態(tài)、紋理、結(jié)構(gòu)等影像特征提取這些要素,對(duì)于圈定相對(duì)富水地段、判斷含水層的層位和各種邊界條件具有良好的效果。在此基礎(chǔ)上,綜合常規(guī)勘探資料,可以較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)地下水資源。對(duì)于基巖裂隙水、巖溶水來(lái)說(shuō),其水文地質(zhì)條件與地貌(含微地貌)、斷裂構(gòu)造(包括裂隙發(fā)育程度)、巖性(包括破碎程度和含水性)、地表水補(bǔ)給條件和植被覆蓋等要素密切相關(guān),而遙感圖像在揭示地貌類(lèi)型、斷裂構(gòu)造及植被方面具有特別的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)編制水文地質(zhì)下墊面圖,并結(jié)合多年降水量及入滲系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)分析,可估算出地下水天然補(bǔ)給量;綜合分析遙感信息與常規(guī)調(diào)查資料,可以圈定出基巖地區(qū)相對(duì)富水區(qū)段,從而獲得比較滿意的找水效果。在巖溶石山地區(qū),遙感圖像可以清晰反映各種巖溶地貌和地質(zhì)構(gòu)造特征,展示地表徑流的分布和走勢(shì),從而揭示地表水與地下水之間的空間關(guān)系,推測(cè)地下暗河的展布,為進(jìn)行巖溶發(fā)育規(guī)律的研究和尋找地下富水地段提供直觀依據(jù)。

1.2　應(yīng)用實(shí)例

近十多年來(lái),中國(guó)利用多種遙感數(shù)據(jù)在西北及其它地區(qū)開(kāi)展過(guò)一系列水文地質(zhì)調(diào)查和地下水勘查工作,其中主要有:新疆阿克蘇地區(qū)航空遙感水文地質(zhì)普查;甘肅酒泉地區(qū)航空紅外線找水試驗(yàn);內(nèi)蒙河套東部地區(qū)古河道分布及耕地鹽堿化程度調(diào)查;大連地區(qū)沿海航空紅外掃描成像淡水泉點(diǎn)調(diào)查;河南許昌熱紅外掃描影像水文地質(zhì)解譯;國(guó)土衛(wèi)星資料京津唐地區(qū)水資源評(píng)價(jià)及合理開(kāi)發(fā)應(yīng)用試驗(yàn)研究;長(zhǎng)江中下游河道變遷遙感調(diào)查;中朝界河鴨綠江河床演變遙感對(duì)比研究;機(jī)載合成孔徑雷達(dá)圖像在探測(cè)沙漠腹地古河道中的應(yīng)用試驗(yàn)研究;中巴地球資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)在塔里木盆地北緣礦產(chǎn)和地下水資源調(diào)查評(píng)價(jià)中的應(yīng)用;塔里木盆地地下水資源和生態(tài)環(huán)境地質(zhì)遙感調(diào)查;西南巖溶石山地區(qū)石漠化遙感調(diào)查與演變分析等。

這些工作均取得了重要成果,例如:青海柴達(dá)木盆地水文地質(zhì)調(diào)查,利用遙感圖像圈定了地下水的富水地段,并初步確定了該地區(qū)地下水的埋藏深度和地下水水質(zhì)的等級(jí),劃分了從山前到盆地中心鹽湖區(qū)的補(bǔ)給帶、徑流帶、溢出帶、鹽殼發(fā)育帶、鹵水溢出帶、鹽湖化學(xué)沉積帶等六個(gè)分帶。在成都平原地區(qū),利用遙感資料成功地劃分出了強(qiáng)富水區(qū)、富水區(qū)、中等富水區(qū)和弱富水區(qū),用計(jì)算機(jī)分類(lèi)處理方法結(jié)合鉆孔、水文測(cè)試數(shù)據(jù)資料,分別計(jì)算出了地下水天然補(bǔ)給量及開(kāi)采資源量。在京津唐地區(qū)水資源評(píng)價(jià)中,利用遙感圖像進(jìn)行水文地質(zhì)要素解譯,編制了水文地質(zhì)下墊面圖,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式,進(jìn)行了水資源評(píng)價(jià),并提出了水資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用意見(jiàn)。在塔里木盆地地下水資源和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查中,利用上世紀(jì)80 年代的MSS圖像和2000年前后的TM/ETM、中巴地球資源一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和航空遙感圖像,進(jìn)行了地下水補(bǔ)給及水系分布特征、第四紀(jì)沉積物特性、植被覆蓋和土地利用類(lèi)型等要素的解譯,采用遙感數(shù)字圖像處理方法重點(diǎn)提取了地下水溢出帶與天然露頭、地下水類(lèi)型、含水巖組富水性、沖積平原、古河道、含水?dāng)嗔褬?gòu)造等反映淺層地下水特征的地質(zhì)要素,在此基礎(chǔ)上分析了塔里木盆地淺層地下水的分布規(guī)律,圈定了5 m內(nèi)的淺層地下水的分布范圍,認(rèn)為區(qū)內(nèi)的地下水主要集中在塔里木河沖積平原、沖積平原與南天山山前傾斜平原的交界地帶。

2　遙感技術(shù)在水利水電工程勘測(cè)中的應(yīng)用

遙感技術(shù)作為一種工程地質(zhì)勘測(cè)手段,近年來(lái)在中國(guó)水利地質(zhì)勘測(cè)工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛,其用途主要包括:工程地質(zhì)調(diào)查與制圖、巖溶調(diào)查、對(duì)滑坡、崩塌、泥石流等物理地質(zhì)現(xiàn)象的調(diào)查,輸水隧洞、渠道等跨區(qū)域、長(zhǎng)距離等線狀大型工程地質(zhì)調(diào)查,地貌、地質(zhì)、地形、氣候、水文等復(fù)雜特殊地區(qū)的工程地質(zhì)調(diào)查,省時(shí)且經(jīng)濟(jì)。

工程勘測(cè)中采用傳統(tǒng)的地面勘測(cè)方法,由于視野的局限,擬查明自然環(huán)境條件是很困難的,有時(shí)由于手段的限制,勘測(cè)質(zhì)量得不到保證,造成工程選線、選址的變動(dòng),甚至到了施工階段,還不得不補(bǔ)做勘測(cè)前期的工作。遙感技術(shù)的應(yīng)用,可以克服單純地面勘測(cè)的不足,它與其他勘察手段相結(jié)合,可以從整體上提高工程勘察的質(zhì)量,因而,具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。遙感技術(shù)應(yīng)用的效果主要表現(xiàn)如下:

(1)有利于大面積地質(zhì)測(cè)繪,提高填圖質(zhì)量和選線、選址的質(zhì)量。

(2)可以克服地面觀測(cè)的局限性,減少盲目性,增強(qiáng)外業(yè)地質(zhì)調(diào)查的預(yù)見(jiàn)性。

(3)減少外業(yè)工作量,提高了測(cè)繪效率,某些外業(yè)工作可移到室內(nèi)進(jìn)行,改善了勞動(dòng)條件。

2.1　區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性研究

由于遙感圖像能提供大量宏觀的線性構(gòu)造信息,較好地反映區(qū)域地質(zhì)特征、水系分布特征和地貌形態(tài),所以對(duì)研究區(qū)域構(gòu)造格架,確定斷裂體系及活動(dòng)性、評(píng)價(jià)工程及其周緣地區(qū)的構(gòu)造穩(wěn)定性有重大作用。因此遙感技術(shù)的應(yīng)用也成為研究此問(wèn)題必用的手段[1]。

2.2　庫(kù)區(qū)崩塌、滑坡、泥石流調(diào)查

在大型水利水電工程庫(kù)區(qū)岸坡的滑坡、崩塌、泥石流以及某些松散堆積體的調(diào)查中,應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)解譯,結(jié)合野外現(xiàn)場(chǎng)觀察和復(fù)查,可以有效查明影響庫(kù)岸穩(wěn)定的大型或較大型、塌滑體的數(shù)量,分布及其穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3　巖溶調(diào)查

利用遙感影像,特別是彩紅外影像進(jìn)行巖溶及巖溶水文地質(zhì)調(diào)查有其特殊的優(yōu)勢(shì),影像解譯不僅能很好地判讀各種巖溶地貌現(xiàn)象,而且還可以充分利用與其它介質(zhì)紅外光譜的差異,判斷地下水分布和泉水分布等。清江招來(lái)河、高壩洲、黃河萬(wàn)家寨等工程曾利用彩紅外航片解譯來(lái)研究巖溶及巖溶滲漏問(wèn)題,都取得了良好的效果。

2.4　中小比例尺地質(zhì)測(cè)繪填圖

推廣遙感技術(shù),在保持必須的野外工作量和成圖現(xiàn)場(chǎng)校核工作的前提下,中小比例尺地質(zhì)圖以遙感成圖取代常規(guī)地質(zhì)測(cè)繪。

3　遙感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

遙感作為一種新興的對(duì)地觀測(cè)技術(shù),其信息獲取的范圍已從可見(jiàn)光波段延伸到了紅外波段和微波波段;數(shù)據(jù)采集方式從單波段發(fā)展到了多波段、多極化、多角度,從空間維擴(kuò)展到了光譜維;數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用方法從定性發(fā)展到了定量、定位。一個(gè)多層次、多角度、全方位、立體化、全天候、全天時(shí)的對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)正在迅速形成。無(wú)疑,遙感技術(shù)的這種發(fā)展新趨向?qū)⒊蔀橥苿?dòng)水利行業(yè)工作的新手段。

隨著傳感器技術(shù)、航空航天技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代遙感技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)能動(dòng)態(tài)、快速、多平臺(tái)、多時(shí)相、高分辨率地提供對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的新階段。

3.1　高空間分辨率影像的獲取

隨著調(diào)查工作精度的不斷提高,人們對(duì)遙感數(shù)據(jù)源質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。其中衡量地物可識(shí)別尺度的空間分辨率是最受普遍關(guān)注的質(zhì)量指標(biāo)之一。近年國(guó)外多種高空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)商業(yè)化,如美國(guó)的IKONOS(分辨率1 m)、QuickBird(分辨率0.68 m)、俄羅斯的SPIN-2(分辨率2 m)、以色列的EROS-1(分辨率優(yōu)于1 m)和法國(guó)SPOT-5(分辨率2.5 m)等[2]。這些數(shù)據(jù)都將為開(kāi)展大比例尺、高精度的水資源勘查工作提供新的數(shù)據(jù)來(lái)源。

3.2　熱紅外遙感技術(shù)的應(yīng)用

熱紅外遙感圖像能敏感地反映目標(biāo)地物與背景之間的熱輻射能量差異,在地下水勘查中常用于確定溢出帶、泉點(diǎn)等地下水的排泄部位,因而在圈定淺層地下水分布范圍,尋找熱水源和監(jiān)測(cè)環(huán)境熱污染等方面可發(fā)揮特殊的作用。

目前在軌運(yùn)行的多顆遙感衛(wèi)星,包括中國(guó)的中巴地球資源一號(hào)衛(wèi)星都可以獲取熱紅外數(shù)據(jù),機(jī)載成像光譜儀和多波段紅外掃描儀也能獲取航空熱紅外圖像,均可為地下水勘查中采用熱紅外遙感技術(shù)提供必要的數(shù)據(jù)。

3.3　微波遙感技術(shù)的應(yīng)用

微波雷達(dá)技術(shù)是一種全天時(shí)、全天候的主動(dòng)遙感技術(shù),是通過(guò)對(duì)微波傳播到地物后發(fā)生的后向散射強(qiáng)度的測(cè)量,研究地物表面和淺層的物理特性；近年除了被廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪,地貌、地質(zhì)構(gòu)造和地物屬性的識(shí)別外,還因其對(duì)水體敏感,對(duì)沙體、冰雪等物體有一定穿透能力的特性應(yīng)用于地下水勘查,在探測(cè)淺層地下水方面有較好效果。10多年前美國(guó)就曾利用航天飛機(jī)(SIR-A)的數(shù)據(jù)對(duì)撒哈拉沙漠表層的微波穿透能力進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)了沙下隱伏的古河道。中國(guó)在塔克拉瑪干沙漠科學(xué)考察中從航空測(cè)視雷達(dá)圖像所反映的已枯萎胡楊林帶的分布狀態(tài),成功地揭示了克里雅河下游古河床的走勢(shì),找到了受古河床控制的地下潛水,解決了穿越沙漠過(guò)程中的駱駝飲水問(wèn)題,使考察任務(wù)得以順利完成。目前加拿大的Radarsat、歐空局的ERS-2等衛(wèi)星所提供的微波雷達(dá)數(shù)據(jù)有多種數(shù)據(jù)采集方式和多種空間分辨率,可供用戶選擇。中國(guó)在近年內(nèi)也將發(fā)射搭載有微波傳感器的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星?？梢灶A(yù)料,微波遙感技術(shù)將成為今后中國(guó)地下水勘查的最重要手段之一。

3.4　小衛(wèi)星群計(jì)劃的實(shí)施

為協(xié)調(diào)時(shí)間分辨率和空間分辨率這對(duì)矛盾,小衛(wèi)星群計(jì)劃將成為現(xiàn)代遙感的另一發(fā)展趨勢(shì)。例如,可用6顆小衛(wèi)星在2-3天內(nèi)完成一次對(duì)地重復(fù)觀測(cè),可獲得>1 m的高分辨率成像光譜儀數(shù)據(jù)。除此之外,機(jī)載和車(chē)載遙感平臺(tái),以及超低空無(wú)人機(jī)載平臺(tái)等多平臺(tái)的遙感技術(shù)與衛(wèi)星遙感相結(jié)合,將使遙感應(yīng)用呈現(xiàn)出一派五彩繽紛的景象。

3.5　“3S”技術(shù)的結(jié)合

“3S”技術(shù),即遙感(RS——Remote Sensing)、地理信息系統(tǒng)(GIS——Geographical information System)和全球定位系統(tǒng)(GPS——Global Positioning System)是現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶,為人類(lèi)觀測(cè)和研究地球提供了全新的手段。它們的相互結(jié)合或融合是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)和各領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用的需要。“3S”技術(shù)之間存在著相互依存和相互促進(jìn)的密切關(guān)系,一方面RS可以快速、高精度地獲取地物的屬性數(shù)據(jù),GPS可以精確地提供地物三維空間的定位數(shù)據(jù),GIS為儲(chǔ)存—管理—分析上述數(shù)據(jù)提供了有效工具;另一方面RS的影像識(shí)別需要在GIS的支持下改善其準(zhǔn)確性,在GPS的結(jié)合下提高幾何精度,而GIS則隨時(shí)需要用新的RS和GPS數(shù)據(jù)不斷地充實(shí)和更新其數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)踐證明,“3S”技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,將進(jìn)一步提高水資源調(diào)查的水平。

4　結(jié)語(yǔ)

(1)遙感圖像水文地質(zhì)解譯是區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查的重要手段?？梢蕴峁┐罅康匚镄畔⒑退淖兞繒r(shí)空變化,可以大大減輕野外工作量和人工勞動(dòng)強(qiáng)度,提高工作效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性,節(jié)省人力、財(cái)力,還可以提供地面工作不易發(fā)現(xiàn)的許多信息,如:古河道、淺層富水區(qū)、隱伏斷裂及褶皺、隆起拗陷等[3]。

(2)隨著水利水電項(xiàng)目的不斷開(kāi)發(fā)建設(shè),工程區(qū)越來(lái)越趨進(jìn)高山峽谷地帶,這些區(qū)域往往地質(zhì)條件惡劣、交通不便,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、不良地質(zhì)體類(lèi)型繁多,給工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)與施工建設(shè)等各方面帶來(lái)極大的困難。在這些地區(qū)采用常規(guī)地質(zhì)勘察方法顯得捉襟見(jiàn)肘,外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作進(jìn)度緩慢,勘察質(zhì)量難以保證,而遙感、GIS、三維可視化等新技術(shù)新方法的應(yīng)用,可以很好地克服以上局限,增強(qiáng)預(yù)見(jiàn)性,并可減少外業(yè)工作量,加快工作進(jìn)度,提高調(diào)查效率,從整體上提高工程勘測(cè)的質(zhì)量。

(3)目前遙感正朝著多時(shí)相、高分辨率、多數(shù)據(jù)源、高光譜、多傳感器等更先進(jìn)的技術(shù)方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

[1]彭軍.談遙感技術(shù)在水利水電工程勘測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2012(3)：55.

[2]胡興樹(shù),龔健雅,潘建平.當(dāng)代遙感技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2003，36(3)：196-197.

[3]趙保生,蔣瑞波.太行山東南麓段水文地質(zhì)遙感解譯效果[J].中州煤炭,2002(2)：8-9.