遥感观测技术在水文地质学中的应用—印度案例

'　　遥感观测技术在水文地质学中的应用—印度案例遥感观测技术在水文地质学中的应用印度案例　　1、印度遥感遥感观测技术应用　　1.1、印度地球观测的基础设施　　印度国家卫星和遥控测量卫星是印度航空研究组织的两大主要系统。现今印度国家卫星的功能在表-1有详细介绍。卫星遥控测量系统提供以太空为基础的空间、光谱和时间多分辨率遥控数据，不断满足各种应用需求。　　但是，遥控测量卫星并不包括水文研究中有巨大潜力的热传感器和微波传感器。20世纪80年代末90年代初，人们利用IRS-1A和1B的LISS-I和LISS-II（线状成像自我扫描传感器）拍摄的图像，将地下水勘探水文地貌图比例尺分别扩大到1：250，000和1：50，000。到了九十年代末，人们根据IRS-1C和1D传送的数据又将比例尺扩大到1：12，500。全色数据（5.8-m空间分辨率）随着LISS-III数据（23-m空间分辨率）的出现应运而生，以生成混合假彩色合成。混合假彩色合成对提高光谱分辨率和空间分辨率都有帮助，因此已被广泛应用与地下水开发的水文地质测绘。　　Resourcesat-1（IRSP6）卫星于2003年发射升空，此卫星拥有宽场传感器，可以提供10比特高分辨率的多光谱数据。在地质地形测绘中，宽场传感器、Resourcesat-1（IRSP6）卫星的LISS-III和LISS-IV传感器传输的数据得到了广泛的应用。Resourcesat-1（IRSP6）卫星于2003年发射升空，此卫星拥有宽场传感器，可以提供10比特高分辨率的多光谱数据。　　科学家分析IRSP6LISS-II本文由.L.收集整理I传感器数据，进而进一步研究岩石学和印度中部城市那格普洱附近Ramtek地区的地形。他们通过使用短波红外线、红外波段以及浅冲积层地区呈现淡绿色的波段生成假彩色合成。　　1.2、水文地质学中的卫星遥控测量技术　　地质学、地形学、排水系统、土壤和土地使用的卫星主要图层对正确认识地下水开发潜力至关重要。在地表测量的帮助下，可以得出更多细节信息。下面的章节介绍了印度利用卫星遥控和地理信息系统，关于地下水开发潜力以及水土资源综合开发的做出的突出研究。　　1.3、地下水开发潜力测绘和人工补给选址　　一项关于人工补给地下水选址的研究在印度南部泰米尔纳德邦全面展开。在此研究中，比例尺为1：50，000的IRS-1C LISS-III图和其他诸如降雨量、地下水位、地球物理数据和水质等实地数据被应用到12个专题层的生成，其中的七层如下：（1）地形学，（2）地质学，（3）土壤，（4）坡地，（5）土地使用或土地覆盖，（6）排水系统和（7）运输网。地图的绘制应用了卫星数据和比例尺为1：50，000的印度测绘数据表研究信息。　　除了这些基本的专题层，印度还利用ArcInfo地理信息系统软件制作了派生图，内容涵盖排水管道密度、线性构造密度、地下水位最大变化范围、风化带深度和水质。随后的标准表将硬岩、沉积岩以及同其他专题层信息一起分为一至四级的冲积构造进行综合。参数中的加权平均值也得到了分配。　　一级是人工补给的最佳区域，四级为最差。所有的专题图和派生图都是同地理信息系统环境中合适的等级和加权平均值相结合的。综合图被称为带状图，也是经过实地验证的。考虑到地形状况和有利的带状地形，推荐采用诸如过滤池、节制坝、补给坑和竖井、等高堤岸、等高沟、水流屏障和地下岩墙等合适的人工补给结构。　　作为全国首批试点的一部分，1：50，000地下水开发潜力图利用IRS-1C和1DLISS-III制成，综合了地质学（岩石学和构造学方面）、地形学和水文学等信息。作为开始，底图比例尺为1：50，000，展示出主要的排水路线和重要地点、道路、铁路和其他一些文化特色地标。接下来一步涉及对卫星图片系统性的目视判读，以描绘各种地形特征/诸如山谷的地形/河谷堆积、山麓平原、残丘、地下河道、漫滩、堤防、断层和岩石等还对底图中的这些因素进行了描绘。这些特征同地下水储藏和对地形的不同依赖程度存在一定联系。为了制作评估地下水开发潜力的水文地形图，这些特征在岩石学、伴生构造特征、排水系统的开发、土壤类型及其有效深度、硬岩国家的风化盖层厚度以及该地区广泛的土地使用方式和土地覆盖方式等方面受到了彻底性的评估。这些准备阶段的地图最后综合了实地观察信息、现有的地形图和其他相关数据。仍然需要进行进一步的后续研究，虽然水文地质和地球物理的方法/调查可以选择合适的打井地点。　　1.4、沙漠和永久性干旱地带的水土综合管理　　水土资源管理/使用规划的全国性策略旨在协助国家和地区官员规划荒漠化控制和减轻干旱方面的工作。此计划覆盖17个地区的76，527km2，延及印度四个邦（古吉特拉邦、拉贾斯坦邦、哈里亚纳邦和卡纳塔克邦）。比例尺为1：50，000的IRS-1C/1DLISS-III FCC地图的主要目的是提取土地使用和土地覆盖、地形地质、地下水、排水系统、地表水体、土壤以及土地退化等信息。地形图主要用来获取坡地信息。收集到的相关数据（地图和非空间坐标数据）同图片中得出的信息进行了整合。　　为评估信息解释的准确度并收集岩石、农作物、水井、水库和土壤等方面的数据，还进行了实地勘察。在2001年人口普查和国家和地区资料中搜集了社会经济/人口学数据。最后通过整合所有信息，制定出了最终地图。有一套旨在缓解干旱自动化模型，目的在于评估沙漠化状况和达成合适的水土资源开发行动计划，地理信息系统环境中的空间和非空间数据都是通过这个自动化模型经过整合得出的。此行动计划包含完善现存土地使用系统的建议，提出了最新土地利用系统之下的土地适合性空间分类。此系统包括诸如农业林学、复种双作、农场结合草场、林草复合生态系统和农业园艺学的方面。　　1.5、印度未来展望　　以上对卫星遥控测量技术的描述主要是围绕印度卫星遥控测量数据在水文地质学中的应用。当然，　　地球观测卫星提供的信息的质量要更高。　　使用者提出的数据要求包括以下几个方面。（1）提高了的卫星遥控数据空间分辨率（23m），旨在提供地籍层面上（1：10，000）的地形细节特征；（2）为帮助开发计划形成和执行的立体声性能（23m波高分辨率）；（3）能帮助了解小农场（0.1ha），农作物生长情况的高分辨率（510m）多光谱数据；（4）能够帮助监视洪水、雪线变化和作物生长等动态现象的高重复性数据（3天）。鉴于这些需求，一些携带不同传感器太空飞船正在印度的规划之中。　　其中包括综合性水土资源开发的Resourcesat-2和微波RISAT-1卫星；进行大型测绘任务的Cartosat卫星系列（Cartosat-2，2A，2B）；大气和海洋系列卫星，它们同时存在于印度卫星遥控测量系统（Oceansat-2，Megha-Tropics，Oceansat-3）和促进土地-大气-海洋互动和气象学应用的INSAT（INSAT-3D）系统之中。INSAT-3D是高级的气象卫星，装有成像机和探空装置。印度还计划专门为第三世界国家发射一个微型卫星Tegha-TropicsMission号卫星周围环绕三个有效负载，即微波分析、下雨预测和大气结构仪器（MADRAS），一个六通道湿度探测器（SAPHIR）和一个辐射收支扫描仪（ScaRab）。Megha-Tropics号卫星的主要目的是研究热带水圈和能量交换。作为Oceansat-1的升级，装备有海洋彩色监视仪aKuband散射仪的Oceansat-2卫星计划于2007年底发射升空。 　　正处于规划阶段的Oceansat-3将装配一个热红外传感仪，与海洋彩色监视仪和散射仪配合工作。热红外传感和海洋彩色监视仪的结合将帮助人们了解陆地和海洋表面的温度以及海洋参数检索。考虑到水文研究中微波数据的重要性，印度计划在不远的将来发射一个微波卫星RISAT-1。这对检索季风时节的土壤湿度、冰雪、冰川、地质现象大有帮助。RISAT-1卫星将在单/双/四极化C波段（5.3GHz）频数下工作，重复周期13天，将满足水资源和农产品库存的暂时再访要求。　　2，国内发展　　2.1、理论方法研究　　2.1.1卫星影像的正射纠正模型及精度　　影像几何模型建立了物体在二维影像平面的位置和相应三维地面坐标系中位置间的关系。影像几何模型可分为严密模型和非严密模型两种。为了保证正射影像图的平面精度，一般采用严密模型。严密模型是基于共线方程，利用轨道学、摄影测量学、大地测量学和制图学的基本原理建立起来的。反映了影像传感器的姿态及由诸如平台、传感器和地球曲率等因素引起的影像变形。在卫星资料不齐或平面精度要求不高的情况下，可以采用非严密模型。非严密模型分为多项式、有理函数等纠正方式。数字正射影像图定向精度为，定向点位中误差平地、丘陵不得大于4m，山地不得大于10m。数字影像图成图精度为，地物点对最近野外控制点的图上点位中误差平地不大于7.5m、丘陵不大于10m山地不大于15m。　　2.1.2卫星影像的数据融合　　由于全色波段与多光谱两个传感器存在2～3秒相位差以及小于0.5°旋角，造成山地、高山地局部地区配准十分困难，有需要在山脊线上增加控制点，以解决配准的误差。使用HSI变换方法，将高分辨率全色波段影像与低分辨率多光谱进行融合，获得近似彩红外的融合数据。由于SPOT5的光谱没有蓝色波段，需要进行波段运算，模拟近自然彩光谱。近红外波段为R短波红外波段为G、绿波段为B。公式为：R通道：2*PAN*G/（G+B）；G通道：（R+2*PAN）/3；B通道：2*PAN*B/（G+B）。两者纠正融合并模拟自然彩光谱。　　2.1.3精度检测　　检测区位于汕头市，图幅内有铁路、高速公路、农村居民点、耕地、菜地、河流、山地等，因各种类型的地形地物均有分布，相对高差为600m，而有较好的代表性。检测范围有900km2，共计21个点。利用外业施测的像控点以及内业加密点作为真值，经与内业读取坐标（考虑到读点误差），同名像点最大中误差为8.365m、平均中误差为5.698m，平面精度满足土地变更的成图要求。　　2.1.4不同时相的影像变化与分析 　　遥感卫星影像是记录了某一时间、以某一波长的地表瞬间现状，为了研究同一地点的土地信息的变化情况，必须在不同时间、不同传感器的影像之间，建立起一种匹配关系，并以某一影像为基准，对另一影像作重采样。检测出变化的区域。可以依靠人的知识与眼睛来确定变化区域的性质；将其导入到地理信息数据库系统中，利用数据库的经验样品来获取变化区域的性质。由于不同时相光谱信息产生差异，在合成影像中所产生的品红、亮绿可以认为是变化的。　　2.2、研究实例　　2002年我国广东省国土资源厅有关部门已制作完成了除远离大陆的岛屿外覆盖全省间隔为5m的DEM（数字高程模型）数据。由于生产DLG（数字线划图）周期较长，从而造成DEM数据滞后于现实地形，因此必须根据预纠正影像数据编辑地形变化较大区域DEM（方法为将已预纠正的影像按1∶1万标准分幅裁切；将相同图幅的DLG与裁切影像托底，根据变化区域确定范围；根据实测高程编辑不合理的地形；导入DEM，按全景范围进行精纠正。）主要编辑新增人工地物如高速公路、大型桥梁、土地平整区等，以满足现状地物的合理性及确保视觉效果的要求。如高速公路、大型桥梁、土地平整区等，以满足现状地物的合理性及确保视觉效果的要求。　　3、结语　　印度的卫星遥控测量系统主要特征是光谱和空间图像功能的多样性，展示出其在水文地质学实际应用中的巨大潜力。寻找地下水完全可以在利用多来自卫星遥控系统的数据形成的水文地形图的帮助下完成。这种技术尤其对于在固结岩和半固结岩分布的地区的地下水勘探很有帮助，传统上，在这种地区找水更加困难。　　这些地图描述了不同水文地质单元的空间信息以及地下水开发潜力的相应自然状态。因此，印度卫星遥控测量技术加速了地下水勘探的步伐，在酸性或半酸性土壤地区尤为明显，也大大降低了深孔凿岩的失败率。　　印度的研究为我们树立了很好的榜样，通过类似的遥感卫星测量技术在水文地质的应用。但是多光谱卫星数据，热数据和微波数据在水文地质研究中应用相关的局限性，这给我们又提出了新的挑战。'