遙感技術在水利行業中的應用

海來提

(新疆水利水電勘測設計研究院,新疆 烏魯木齊　830000)

0　引言

自上世紀80年代以來,中國水利遙感部門利用資源衛星及其它航天、航空遙感方法,在洪澇、干旱災害的監測與評估、水土流失調查與動態監測、水利工程前期規劃、大型水庫工程的地質調查、生態環境及水資源、水污染監測與調查、干旱沙漠區的水資源調查以及有效灌溉面積調查等方面進行了大量的應用與研究,在國家資源環境調查和宏觀決策、水利工程建設、洪澇災情監測和評估等方面發揮了重要作用。

1　遙感技術在水資源調查中的應用

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

1.1　應用概況

遙感圖像能夠真實反映地表地形、地貌、巖性、第四紀沉積物、地質構造、水系、植被覆蓋等水文地質要素的空間展布特性及相互聯系。運用遙感技術對勘查區各類地質要素進行解譯和提取,并結合多學科、多信息的綜合分析,可以對區域水文地質條件和地下水分布特征得出系統、客觀的結論。對第四紀松散層中的孔隙潛水來說,其水文地質條件通常與地貌、第四紀地質、新構造和植被覆蓋等要素有著極為密切的聯系。利用遙感圖像上的色調、形態、紋理、結構等影像特征提取這些要素,對于圈定相對富水地段、判斷含水層的層位和各種邊界條件具有良好的效果。在此基礎上,綜合常規勘探資料,可以較準確地評價地下水資源。對于基巖裂隙水、巖溶水來說,其水文地質條件與地貌(含微地貌)、斷裂構造(包括裂隙發育程度)、巖性(包括破碎程度和含水性)、地表水補給條件和植被覆蓋等要素密切相關,而遙感圖像在揭示地貌類型、斷裂構造及植被方面具有特別的優勢。通過編制水文地質下墊面圖,并結合多年降水量及入滲系數等水文地質參數分析,可估算出地下水天然補給量;綜合分析遙感信息與常規調查資料,可以圈定出基巖地區相對富水區段,從而獲得比較滿意的找水效果。在巖溶石山地區,遙感圖像可以清晰反映各種巖溶地貌和地質構造特征,展示地表徑流的分布和走勢,從而揭示地表水與地下水之間的空間關系,推測地下暗河的展布,為進行巖溶發育規律的研究和尋找地下富水地段提供直觀依據。

1.2　應用實例

近十多年來,中國利用多種遙感數據在西北及其它地區開展過一系列水文地質調查和地下水勘查工作,其中主要有:新疆阿克蘇地區航空遙感水文地質普查;甘肅酒泉地區航空紅外線找水試驗;內蒙河套東部地區古河道分布及耕地鹽堿化程度調查;大連地區沿海航空紅外掃描成像淡水泉點調查;河南許昌熱紅外掃描影像水文地質解譯;國土衛星資料京津唐地區水資源評價及合理開發應用試驗研究;長江中下游河道變遷遙感調查;中朝界河鴨綠江河床演變遙感對比研究;機載合成孔徑雷達圖像在探測沙漠腹地古河道中的應用試驗研究;中巴地球資源衛星數據在塔里木盆地北緣礦產和地下水資源調查評價中的應用;塔里木盆地地下水資源和生態環境地質遙感調查;西南巖溶石山地區石漠化遙感調查與演變分析等。

這些工作均取得了重要成果,例如:青海柴達木盆地水文地質調查,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地下水的埋藏深度和地下水水質的等級,劃分了從山前到盆地中心鹽湖區的補給帶、徑流帶、溢出帶、鹽殼發育帶、鹵水溢出帶、鹽湖化學沉積帶等六個分帶。在成都平原地區,利用遙感資料成功地劃分出了強富水區、富水區、中等富水區和弱富水區,用計算機分類處理方法結合鉆孔、水文測試數據資料,分別計算出了地下水天然補給量及開采資源量。在京津唐地區水資源評價中,利用遙感圖像進行水文地質要素解譯,編制了水文地質下墊面圖,結合經驗數據和公式,進行了水資源評價,并提出了水資源的進一步開發利用意見。在塔里木盆地地下水資源和生態地質環境遙感調查中,利用上世紀80 年代的MSS圖像和2000年前后的TM/ETM、中巴地球資源一號衛星數據和航空遙感圖像,進行了地下水補給及水系分布特征、第四紀沉積物特性、植被覆蓋和土地利用類型等要素的解譯,采用遙感數字圖像處理方法重點提取了地下水溢出帶與天然露頭、地下水類型、含水巖組富水性、沖積平原、古河道、含水斷裂構造等反映淺層地下水特征的地質要素,在此基礎上分析了塔里木盆地淺層地下水的分布規律,圈定了5 m內的淺層地下水的分布范圍,認為區內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　遙感技術在水利水電工程勘測中的應用

遙感技術作為一種工程地質勘測手段,近年來在中國水利地質勘測工程中應用越來越廣泛,其用途主要包括:工程地質調查與制圖、巖溶調查、對滑坡、崩塌、泥石流等物理地質現象的調查,輸水隧洞、渠道等跨區域、長距離等線狀大型工程地質調查,地貌、地質、地形、氣候、水文等復雜特殊地區的工程地質調查,省時且經濟。

工程勘測中采用傳統的地面勘測方法,由于視野的局限,擬查明自然環境條件是很困難的,有時由于手段的限制,勘測質量得不到保證,造成工程選線、選址的變動,甚至到了施工階段,還不得不補做勘測前期的工作。遙感技術的應用,可以克服單純地面勘測的不足,它與其他勘察手段相結合,可以從整體上提高工程勘察的質量,因而,具有明顯的技術經濟效益。遙感技術應用的效果主要表現如下:

(1)有利于大面積地質測繪,提高填圖質量和選線、選址的質量。

(2)可以克服地面觀測的局限性,減少盲目性,增強外業地質調查的預見性。

(3)減少外業工作量,提高了測繪效率,某些外業工作可移到室內進行,改善了勞動條件。

2.1　區域構造穩定性研究

由于遙感圖像能提供大量宏觀的線性構造信息,較好地反映區域地質特征、水系分布特征和地貌形態,所以對研究區域構造格架,確定斷裂體系及活動性、評價工程及其周緣地區的構造穩定性有重大作用。因此遙感技術的應用也成為研究此問題必用的手段[1]。

2.2　庫區崩塌、滑坡、泥石流調查

在大型水利水電工程庫區岸坡的滑坡、崩塌、泥石流以及某些松散堆積體的調查中,應用遙感技術進行地質解譯,結合野外現場觀察和復查,可以有效查明影響庫岸穩定的大型或較大型、塌滑體的數量,分布及其穩定狀態。

2.3　巖溶調查

利用遙感影像,特別是彩紅外影像進行巖溶及巖溶水文地質調查有其特殊的優勢,影像解譯不僅能很好地判讀各種巖溶地貌現象,而且還可以充分利用與其它介質紅外光譜的差異,判斷地下水分布和泉水分布等。清江招來河、高壩洲、黃河萬家寨等工程曾利用彩紅外航片解譯來研究巖溶及巖溶滲漏問題,都取得了良好的效果。

2.4　中小比例尺地質測繪填圖

推廣遙感技術,在保持必須的野外工作量和成圖現場校核工作的前提下,中小比例尺地質圖以遙感成圖取代常規地質測繪。

3　遙感技術發展趨勢

遙感作為一種新興的對地觀測技術,其信息獲取的范圍已從可見光波段延伸到了紅外波段和微波波段;數據采集方式從單波段發展到了多波段、多極化、多角度,從空間維擴展到了光譜維;數據處理和應用方法從定性發展到了定量、定位。一個多層次、多角度、全方位、立體化、全天候、全天時的對地觀測網正在迅速形成。無疑,遙感技術的這種發展新趨向將成為推動水利行業工作的新手段。

隨著傳感器技術、航空航天技術和數據通訊技術的不斷發展,現代遙感技術已經進入一個能動態、快速、多平臺、多時相、高分辨率地提供對地觀測數據的新階段。

3.1　高空間分辨率影像的獲取

隨著調查工作精度的不斷提高,人們對遙感數據源質量的要求也越來越高。其中衡量地物可識別尺度的空間分辨率是最受普遍關注的質量指標之一。近年國外多種高空間分辨率的衛星數據已經商業化,如美國的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(分辨率優于1 m)和法國SPOT-5(分辨率2.5 m)等[2]。這些數據都將為開展大比例尺、高精度的水資源勘查工作提供新的數據來源。

3.2　熱紅外遙感技術的應用

熱紅外遙感圖像能敏感地反映目標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,尋找熱水源和監測環境熱污染等方面可發揮特殊的作用。

目前在軌運行的多顆遙感衛星,包括中國的中巴地球資源一號衛星都可以獲取熱紅外數據,機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提供必要的數據。

3.3　微波遙感技術的應用

微波雷達技術是一種全天時、全天候的主動遙感技術,是通過對微波傳播到地物后發生的后向散射強度的測量,研究地物表面和淺層的物理特性；近年除了被廣泛應用于地形測繪,地貌、地質構造和地物屬性的識別外,還因其對水體敏感,對沙體、冰雪等物體有一定穿透能力的特性應用于地下水勘查,在探測淺層地下水方面有較好效果。10多年前美國就曾利用航天飛機(SIR-A)的數據對撒哈拉沙漠表層的微波穿透能力進行研究,發現了沙下隱伏的古河道。中國在塔克拉瑪干沙漠科學考察中從航空測視雷達圖像所反映的已枯萎胡楊林帶的分布狀態,成功地揭示了克里雅河下游古河床的走勢,找到了受古河床控制的地下潛水,解決了穿越沙漠過程中的駱駝飲水問題,使考察任務得以順利完成。目前加拿大的Radarsat、歐空局的ERS-2等衛星所提供的微波雷達數據有多種數據采集方式和多種空間分辨率,可供用戶選擇。中國在近年內也將發射搭載有微波傳感器的國產衛星。可以預料,微波遙感技術將成為今后中國地下水勘查的最重要手段之一。

3.4　小衛星群計劃的實施

為協調時間分辨率和空間分辨率這對矛盾,小衛星群計劃將成為現代遙感的另一發展趨勢。例如,可用6顆小衛星在2-3天內完成一次對地重復觀測,可獲得>1 m的高分辨率成像光譜儀數據。除此之外,機載和車載遙感平臺,以及超低空無人機載平臺等多平臺的遙感技術與衛星遙感相結合,將使遙感應用呈現出一派五彩繽紛的景象。

3.5　“3S”技術的結合

“3S”技術,即遙感(RS——Remote Sensing)、地理信息系統(GIS——Geographical information System)和全球定位系統(GPS——Global Positioning System)是現代高新技術發展的結晶,為人類觀測和研究地球提供了全新的手段。它們的相互結合或融合是科學技術發展的必然趨勢和各領域技術應用的需要。“3S”技術之間存在著相互依存和相互促進的密切關系,一方面RS可以快速、高精度地獲取地物的屬性數據,GPS可以精確地提供地物三維空間的定位數據,GIS為儲存—管理—分析上述數據提供了有效工具;另一方面RS的影像識別需要在GIS的支持下改善其準確性,在GPS的結合下提高幾何精度,而GIS則隨時需要用新的RS和GPS數據不斷地充實和更新其數據庫。實踐證明,“3S”技術的結合已經產生了巨大的社會經濟效益,將進一步提高水資源調查的水平。

4　結語

(1)遙感圖像水文地質解譯是區域水文地質調查的重要手段。可以提供大量地物信息和水文變量時空變化,可以大大減輕野外工作量和人工勞動強度,提高工作效率和結果的準確性,節省人力、財力,還可以提供地面工作不易發現的許多信息,如:古河道、淺層富水區、隱伏斷裂及褶皺、隆起拗陷等[3]。

(2)隨著水利水電項目的不斷開發建設,工程區越來越趨進高山峽谷地帶,這些區域往往地質條件惡劣、交通不便,地質構造復雜、不良地質體類型繁多,給工程勘測、設計與施工建設等各方面帶來極大的困難。在這些地區采用常規地質勘察方法顯得捉襟見肘,外業勞動強度大,工作進度緩慢,勘察質量難以保證,而遙感、GIS、三維可視化等新技術新方法的應用,可以很好地克服以上局限,增強預見性,并可減少外業工作量,加快工作進度,提高調查效率,從整體上提高工程勘測的質量。

(3)目前遙感正朝著多時相、高分辨率、多數據源、高光譜、多傳感器等更先進的技術方向發展。

參考文獻:

[1]彭軍.談遙感技術在水利水電工程勘測中的應用[J].中國新技術新產品，2012(3)：55.

[2]胡興樹,龔健雅,潘建平.當代遙感技術的現狀和發展趨勢[J].武漢大學學報：工學版，2003，36(3)：196-197.

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