遥感技术在水文地质学中的发展前景.doc

一、概 述 在过去的三四十年间，遥感技术得到了迅速发展。空间对地观测技术已经成功地应用于许多地球科学领域。毫无疑问，对这一新技术感兴趣的科学家们会迅速将其应用到实际工作中。以卫星资料为基础确定土地覆盖和土地利用类型是从事遥感专业的地理学家们的基本工作。 地貌学家现在利用卫星观测获得地质结构资料，而海洋学家也可以根据色彩和波型对许多海洋参数进行监测和解释。已经多次进行卫星发射对水循环中的不同环节进行研究。可以利用卫星观测大气中的水蒸汽、云层覆盖和大的开放水体的水位或者冰盖的分布范围和地形等，这只是卫星观测中的一部分内容。水文地质学家对这一技术的利用相对较晚，这在很大程度上是因为他们感兴趣的对象是隐藏在地表以下的。大部分卫星传感器探测的物体发射和反射电磁波频率只能穿透地球内部几厘米。因此，通过卫星观测不能直接对地下水进行测量。但是，最近的情况有所改观，通过精确测量重力的变化情况，可以直接获得关于地下水储存量变化的相关资料（Tapley等，2004）。 不过，随着将卫星探测仪器和遥感观测技术以及水文地质学联系起来的模型的新近发展，卫星观测技术正在回答水文地质学中的一些重要的问题。地表可能会阻碍卫星观测，但它也是水文地质过程中的一个重要边界。了解地表和地下的相互作用是水文地质学的关键问题之一。利用物理模型评价水资源管理中地下水的利用情况，一般都需要详细而完整的地表参数资料，以限制边界条件，如蒸发蒸腾等。目前，区域和大范围内日益完善的水文地质模型的出现已经使得利用遥感数据创建边界条件变的切实可行。卫星覆盖范围的增加和分辨率的提高使得这些水文地质模型更加切合实际情况，这也为了解水文地质系统的非均质性提供了新的视角。 土地覆盖、地表水体或河网的分布范围和动态变化的专题地图目前通常都来源于卫星图像（Prigent等，2001；Schultz和Engman，2000）。土壤湿度是地表水热通量建模中一个重要的变量，现在可以通过无源微波仪器进行大陆和区域范围内的测量（Jackson等，1999）；一些研究表明，对于植被稀疏区，有源雷达系统能以更好的空间分辨率提供合理的评价（Oldak等，2003）。利用卫星资料可以识别数字高程模型（DEM）中分水岭和流域边界的位置（Rabus等，2003）。另外，高分辨率的地形观测或用于地貌制图的其它卫星.观测经常可以探测出能将地下水盆地细分的断层（Butler和Walsh，1998）。在干旱地区，卫星雷达信号可以穿透地面一定深度，某些地下特征甚至可以直接成像（Elachi等，1984；Robinson等，1999）。 当物理模型被应用于地下时，可以通过卫星观测获得更多的水文地质数据。根据遥感图指示的植被变化，可以推断水位的变化情况。根据卫星观测资料可以评价土壤湿度（Hajnsek等，2003；Nolan等，2003）和温度、灌溉面积或农作物类型图的空间变化等（Schultz和Engman，2000），还可以减少蒸发蒸腾量评价的不确定性。尽管根据卫星资料确定土壤湿度最多可以指示土壤顶部几厘米的变化情况，但是利用按照时间序列观测的资料可以模拟较大深度内土壤湿度的变化。 目前比较受关注的另一项技术是利用干涉测量合成孔径雷达（InSAR）对含水层系统压实造成的地面沉降进行填图（Galloway等，1998）。随着这项技术的成熟以及更多观测资料的利用，可以实现从空间和时间尺度上来监测地面位移（Bawden等，2001；Amelung等，1999）。将这些方法与水头变化的地面观测技术相结合，可以确定储存参数（Hoffmann等，2001，2003a）。尽管InSAR技术已用来进行地面沉降监测，但它在水文地质、地形或水资源研究中的应用潜力仍有待于进一步挖掘（Smith，2002）。 二、加强学科间的交流 水文地质领域中卫星观测技术的发展面临的主要障碍，是仪器开发和运行的研究机构与水文地质学的研究机构之间的相对独立。水文地质学家可能没有意识到现有的手段或已获取的数据在水文地质工作中具有潜在的实用性；另一方面，开发新传感器的工程师和技术人员一般不知道他们研制的仪器有助于解决水文地质问题。基于地面的传感器主要是针对特定目的和需要而设计的，而卫星传感器通常具有多用途。在选择最佳方案以及针对某一问题对获得的数据进行解译时，有必要跨越传统学科的边界，进行紧密协作。 随着遥感数据在水文地质中越来越广泛的应用，越来越多的研究人员具有分析遥感数据的经验，并借助这些数据解决他们在水文地质工作中遇到的问题。毫无疑问，这些技术的发展将会促进卫星资料在水文地质中应用潜力和创新性应用的研究。 三、卫星遥感技术的发展 自1972年开始用Landsat-1进行环境监测以来，关于下一代传感器的发展方向有两种不同的思路。基本原则之一是保证遥感数据产品的连续性，之