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，之二是提供新类型的数据和信息以开发新的研究方法。前者需要的传感器与早期的传感器比较相似，理想情况是这些传感器可以运行很长一段时间。后者需要的仪器明显不同，或者至少卫星的运行轨道和发射操作是不同的。上面两种方法都得到了一定程度的发展。并为其应用提供了基础的仪器设备，如陆地卫星扫描辐射计，包括早期的多光谱扫描器（MSS）和后来的专题制图仪（TM）、增强型专题制图仪（ETM），30多年来这些都一直在应用，只做过很少的改进。同时，其它试验的传感器也在不同的波段得到了应用。另外，空间分辨率在逐渐提高，即使是普通的光学传感器，如IKONOS或Quickbird（具有四个波段的辐射计）现在的空间分辨率也都小于1m，在早期只有机载光学传感器才能达到这样的分辨率。新型雷达成像卫星也有着相似的发展趋势，最成功的合成孔径雷达（SAR）传感器（与ERS（ESREC，1995）上配置的传感器相似）与雷达卫星和环境监测卫星（欧洲航天局，2001）都有着520m的地面分辨率，并工作在C波段。环境监测卫星-高级合成孔径雷达（Enviasat-ASAR）可以以不同的极化和视角获取数据，因此更为通用。如日本的ALOS PALSAR或德国的TerraSAR-X上的仪器，可以被完全极化并以新的频率提供观测数据（分别是L和X波段）。了解和监测全球水文循环意识的逐渐增强，促进了土壤湿度测量专项技术的发展。欧洲航天局（以下简称 ESA）计划在2007年发射能够测量土壤湿度和海水含盐量的卫星SMOS，它使用一种成像辐射计测量地表的亮度温度。这一温度可以用来判断大多数地表的土壤湿度。这样，SMOS将以35km的分辨率每隔三天就提供全球土壤湿度的评价。美国航空航天局（简称 NASA）计划于2009年执行HYDROS发射任务，卫星将携带一个分辨率大约为40km用以测量亮度温度的辐射计和L波段雷达系统，据此可以获得10km空间分辨率的土壤湿度卫星产品。卫星传感器的用途日益广泛，德国宇航局（DLR）与美国航空航天局（NASA）共同研制的的GRACE卫星就是一个极好的例子。GRACE是第一颗用以监测地球重力场的卫星，自运行以来不仅提供了覆盖全球而且精度极高的重力场卫星图，而且目前仍可以监测重力场的微小变化。这些变化可能与许多时间变化过程有关，例如地球和海洋洋流，大气水、地表水以及地下水的循环运动等（Rodell和Famiglietti，1999）。可以用地球物理模型来校正受这些因素影响的重力观测。校正信号可以以400km的空间分辨率解释陆地水储存量的变化（Tapley等，2004；Thompson等，2004；Wahr等，2004）。尽管这种测量的空间分辨率很低，但是这种新方法为从流域尺度上研究地下水系统带来了新契机，而且也有助于提高对全球水循环的认识。GRACE甚至还可以在大尺度内进行水资源评价。四、遥感技术在水文地质学中的发展前景卫星遥感技术过去、现在和未来的发展，对水文地质研究和应用的影响表现在以下两个方面。首先，卫星观测更精确地刻画了地表特征，有助于进行水文地质研究，特别是从区域到全球尺度上的应用研究得益于新型的调查和服务。SMOS和HYDROS卫星将会对较大尺度上的水文地质研究产生巨大的影响。大范围的土壤湿度第一次从空间上并以较短的时间间隔得到观测。现在广泛应用的理论模型最终要利用这些观测数据进行检验。其次，卫星技术使建立更为复杂的水文地质模型成为可能。较好的应用实例就是DEM、土壤湿度和地面沉降，它们都得益于卫星观测对地表特征的刻画。以卫星资料为基础的DEM，其实用性，地形信息的准确性和详细性已经有了显著的提高。现在，出色的空间分辨率会逐渐提供更小尺度上的地形信息。这为湿地或泛滥平原的研究创造了新机遇。工作在L波段的InSAR测量方法已被用来测量大区域内的水位动态变化，如亚马逊河流域（Alsdorf和Lettenmaier，2003）或美国的佛罗里达湿地（Wdowinski等，2004）。对裸地进行观测有时有助于这一描绘。在干旱区，特别是波长较长的SAR传感器可以监测地表以下超过1米的地质特征。这些特征可能与断层或古河道有关，据此可以确定以前未能识别出的水资源（Robinson，2002）。最近几年来，卫星测量土壤湿度的技术引起了广泛关注。在较大的尺度范围（几十千米）内，SMOS和HYDROS辐射计能很快提供精确而频繁的测量。为了获得能够应用于农业生产、洪涝和火灾减灾方面的更为详细的信息，提出了几种方法以便从SAR资料中获取土壤湿度信息。一种方法是将反向散射强度与土壤湿度联系起来，建立不同的模型（Dubois等，1995；Fung等，1992；Oh等，1992），另几种方法则尝试使用偏振信号（Hajnsek等，2003）或干涉测量法（Gabriel等，1989；Nolan和Fatland，2003）。无论是采用哪一种技术，都可以获得可靠的高分辨率的土壤湿度信息，通过空间和时间上的详细观测最终可以解决一些目前具有争议的带有不确定性的问题。如上文提及的一些传感器，可以提供详细的时空观测资料，从而支持模型在定量和校正方面的发展。例如，较好的观测资料可以确定区域地下水流动模型的边界条件，能够减小水均衡预算中的不确定性，从而提高预测能力。卫星测量方法对水文地质模型的发展产生的影响是不可估量的。与水文地质调查相关的其它地表参数，包括盐化、冻结/解冻状态和温度等，将来也可以根据卫星观测资料获得。促进水文地质发展的另一种遥感数据产品就是利用InSAR进行地面形变监测，这使得水文地质学家再次对含水层的力学机制产生兴趣。一些研究已经证明，地面形变与地下水开发之间具有密切的关系，并且可以从空间上进行详细测量（如Galloway等，1998；Hoffmann等，2001；Watson等，2002）。根据地球物理模型可以求解水文地质参数，如储水系数（Hoffmann等，2003a），这一参数能够改进地下水流动和含水层压实模型。在某些地区，地面沉降已经成为限制地下水开发的因素之一，同时也是地下水管理比较关注的问题（Wilson和Gorelick，1996）。监测和模拟技术的提高，有助于优化管理方法。根据详细的卫星地图获得的其它参数，也有助于改进地质力学模型，促进对含水层压实过程的认识。例如，与沉积物压实有关的地面水平变形，通常都被忽略了（例如Hoffmann等，2003b）。一些研究者认为这样可能会造成解译的偏差（Burbey，2001）。目前，还没有将含水层系统的基本性质与形变观测联系起来的成熟的理论模型，因为仍无法得到能约束其它模型参数的形变观测资料。可以对将来的一些发展趋势进行预测。虽然一些自然因素最终会影响从卫星上获取地表和地下条件的信息，但是技术的进步将会不断提高遥感数据产品的数量、质量和多样性。光学传感器的高分辨率和多频率观测会越来越普遍；雷达传感器将会获得完全极化的图像。这些观测方法对产生新认识和促进实际应用具有非常重要的意义。将会越来越普及的“高水平”的数据产品有助于促进这些新认识和新应用。所谓“高水平”数据产品，是指从一次或多次卫星观测中得到的信息层。这些信息由空间机构和国家数据中心进行发布。这就使得科学家们能够专注于自己主要的研究领域，只需利用卫星观测资料即可，而无需关注许多细节问题，例如如何从原始信号中获取土壤湿度或地面沉降信息。这一进步使得卫星数据得以更加广泛的应用，同时更多的科学家能够使用这些数据，尤其是那些从事应用科学研究的科学家们。例如，针对大区域的不同观测结果，对支持地下水管理实践已经是非常必要的了。随着应用手段和模型越来越先进，对于更高分辨率的空间观测的需求也在逐渐增加。水文地质学家最为关注的一个问题就是未来地下水资源的贫乏。优化利用、可持续管理和解决不同用户或国家在地下水资源共享中的利益冲突，是今后几十年内科学家和政治家面临的主要挑战。前文已经强调了卫星遥感技术在建立地下水流动模型中的重要性，而卫星遥感技术在协议执行时同样也具有重要意义。例如，限制地下水开采量的协议可能要通过监测沉降量或灌溉面积、农作物类型才能得以执行。类似的方法也可以在全国范围内加以采用，执行限制地下水开采量的协议，以保护水资源。除了目前这些现有的发展之外，卫星遥感技术还有其他一些尚未发现的用途。新的观测技术带来了令人兴奋的新发现，出现了许多在以前认为是根本不可能的发展。SAR干涉测量法就是近年来才出现的技术。由于缺乏详细、准确和完整的地形信息，影响了包括水文地质学和生态学在内的许多领域的研究。另外，在最近一些年，完整地记录了许多造成地面变形（包括构造运动和土壤压实）的现象（Massonnet和Feigl，1998），使人们重新关注这些现象，同时，在某些情况下也有助于研究者更好地了解地下的变化过程。卫星遥感技术将会继续提供新的观测资料，也将被更多地应用来解决水文地质问题。但是只有水文地质学家才能确定需要什么样的遥感数据产品才能解决他们面临的重要问题。因此，就这些需求进行沟通交流，对认识卫星遥感技术在水文地质中巨大的应用潜力起到很关键的作用。