基于Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)的找地下水靶區(qū)預(yù)測研究

孫清日，伍靖偉，譚 暢

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

基于Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)的找地下水靶區(qū)預(yù)測研究

孫清日，伍靖偉，譚 暢

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

遙感技術(shù)因?yàn)樗?dú)特的優(yōu)點(diǎn)(宏觀性、綜合性、動態(tài)性、快速性)而廣泛利用于地下水資源調(diào)查[1]，能更準(zhǔn)確掌握調(diào)查區(qū)域地下水形成、貯存，運(yùn)動特征、水質(zhì)、水量的變化規(guī)律，節(jié)省野外勘察費(fèi)的大量人力、物力，為地下水資源的規(guī)劃、開發(fā)和合理利用提供充足的水文地質(zhì)依據(jù)[2]。以Landsat 8 OLI_TIRS的多光譜數(shù)據(jù)和熱紅外數(shù)據(jù)為信息源，通過各種遙感圖像增強(qiáng)處理和波段運(yùn)算，獲取了與地下水富集帶有關(guān)的兩個重要水文要素信息——線性構(gòu)造特征和地表溫度信息，最終在綜合分析這些信息基礎(chǔ)上圈定出找地下水靶區(qū)，并對圈定結(jié)果與區(qū)域水文地質(zhì)圖進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果證明，利用遙感技術(shù)在缺水區(qū)進(jìn)行地下水勘查，能夠?yàn)榭焖?、有效地尋找地下水資源提供技術(shù)依據(jù)，減少地下水勘查中物力和人力的大量耗費(fèi)，為實(shí)際地面調(diào)查和物探工作提供依據(jù)。

遙感技術(shù)；地下水；斷裂；熱紅外

在水資源緊缺的今天，地下水資源的勘察調(diào)查與開發(fā)利用日益重要。傳統(tǒng)地下水資源調(diào)查方法不僅耗費(fèi)大量的人力和物力，而且難以實(shí)現(xiàn)大面積勘察，遙感技術(shù)因?yàn)樗?dú)特的優(yōu)點(diǎn)(宏觀性、綜合性、動態(tài)性、快速性)而廣泛利用于地下水資源調(diào)查[1]，使我們能更準(zhǔn)確掌握調(diào)查區(qū)域地下水形成、貯存，運(yùn)動特征、水質(zhì)、水量的變化規(guī)律，節(jié)省野外勘察費(fèi)的大量人力、物力，為地下水資源的規(guī)劃、開發(fā)和合理利用提供充足的水文地質(zhì)依據(jù)[2]。 國內(nèi)外學(xué)者先后采用多種數(shù)據(jù)源和不同方法對地下水信息的提取和監(jiān)測進(jìn)行了研究。Krishnamurthy[3]利用IRS衛(wèi)星，在對研究區(qū)巖石類型、構(gòu)造特征和地形條件研究的基礎(chǔ)上，通過線性擴(kuò)展、波段融合、濾波等圖像預(yù)處理推進(jìn)了地下水信息提取的方法。J W Finch[4],T K Ghosh[5]等主要是結(jié)合指示因素、流域特征、水系和植被光譜特征，以目視判讀為主推斷出地下水存儲帶。Wenkatesa[6]、Saraf[7]、Murthy[8]、Shahid[9]等則通過多源遙感資料與水文、地質(zhì)和無碳資料的擬合，建立由地質(zhì)、地貌、水文因素線型特征圖，推斷淺層地下水富水區(qū)。于映華等[1]利用ASTER熱紅外數(shù)據(jù)，通過研究區(qū)地表溫度異常特征提取，進(jìn)行巖溶地下水出露點(diǎn)識別。GHONEIM等[10]提出了他們利用遙感數(shù)據(jù)提出與地下水資源富集密切相關(guān)的信息(地面土壤濕度、地表含水層斷裂、裂隙等)。蓋利亞等[11]選用Landsat ETM影像，對影像進(jìn)行了主成分分析、最優(yōu)化密度分割等處理，提取淺層地下水信息。這些研究中，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和溫度異常特征尋找地下水靶區(qū)的研究很少。本文利用Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)，對研究區(qū)域進(jìn)行斷裂構(gòu)造解釋，提取溫度異常信息,并綜合其分析結(jié)果圈定出找地下水靶區(qū)，以提高勘察結(jié)果可靠性。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省曲陽縣中部，該區(qū)屬北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量549 mm。區(qū)域內(nèi)河流均屬海河水系、大清河上游支流，主要河流有通天河、干河溝及大沙河等。

地貌上屬太行山北段東麓，境內(nèi)山地、丘陵、平原地貌俱全，其西北部為中低山區(qū)，深人太行山區(qū)，東南部為沖洪積扇形傾斜山前低平原，是太行山地到華北平原的過渡地帶，地勢由西北向東南傾斜。

構(gòu)造單元屬于中朝準(zhǔn)地臺中部的燕山沉降帶和山西中臺隆之結(jié)合部位，以及阜平穹褶束的一部分，褶皺與斷裂的發(fā)育規(guī)律基本上與區(qū)域構(gòu)造相吻合。西北部以近東西向褶皺為主，中東部以北東向斷裂構(gòu)造為主。

地下水類型主要有碎屑巖類孔隙裂隙水、可溶巖巖溶裂隙水、第四系松散巖類孔隙水。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 找地下水靶區(qū)遙感提取方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)選擇

冬季太陽高度角最低，且北方地區(qū)冬季植被較少，影響地質(zhì)解釋的干擾因素較少，但對于地形起伏較大的山區(qū)，影像上會存在較多的地形陰影，給地質(zhì)解釋工作產(chǎn)生不利的影響[12]。夏秋季節(jié)降水量集中，植被發(fā)育，影響地表地物光譜反射率的因素相對較多，因此，該時間段的影像不利于地質(zhì)解釋。春季氣溫上升，水分蒸發(fā)量增大，地下水位下降，表層土壤含水量明顯減少，這時獲取的影像干擾因素較少。本文選擇2016年4月9日獲取的研究區(qū)Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)。

2.2 遙感提取流程

利用Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測找地下水靶區(qū)的流程如圖2所標(biāo)。

2.3 多光譜波段圖像斷裂構(gòu)造信息的提取方法

線性構(gòu)造(尤其是斷裂構(gòu)造)與地下水資源有關(guān)，大多數(shù)成為地下水流的通道。所以查明研究區(qū)的線性構(gòu)造是為地下水資源調(diào)查的主要環(huán)節(jié)[13]。

2.3.1 圖像預(yù)處理

首先在遙感圖像處理系統(tǒng)ENVI對選擇的研究區(qū)圖像進(jìn)行了幾何校正，然后為了提高解釋圖像空間分辨率，采用主成分變換法(Principal component,PC)和雙線性重采樣方法對Landsat 8 OLI_TIRS全色波段和多光譜波段影像進(jìn)行了融合處理。

圖2 Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)找地下水靶區(qū)預(yù)測流程

2.3.2 圖像增強(qiáng)及斷裂構(gòu)造信息的提取

由于斷裂構(gòu)造是巖石受力后導(dǎo)致的其薄弱地帶發(fā)生破裂或者錯位而形成的地質(zhì)構(gòu)造，斷裂帶及斷裂帶兩側(cè)的地質(zhì)性質(zhì)存在差異。這些差異在遙感影像上主要表現(xiàn)為線性或者帶狀特征，形成獨(dú)特的色調(diào)、紋理、水系異常等。因此在遙感影像上提取斷裂構(gòu)造特征的關(guān)鍵是將影像上的線性信息增強(qiáng)出來[14]。

由于斷裂構(gòu)造信息與地表地物呈復(fù)雜相關(guān)，對不同地物目標(biāo)需要采用合適的遙感影像處理方法。

本文首先利用遙感圖像處理軟件ENVI的假彩色合成功能和交互式直方圖拉伸功能，將調(diào)查區(qū)Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)的7、6、2波段作為R、G、B分量進(jìn)行了假彩色合成和直方圖均衡化增強(qiáng)。

圖3 斷裂構(gòu)造解釋成果

然后，在ENVI 的Filter 功能模塊中，使用Convolutions and Morphology 選項(xiàng)菜單下的Direction工具對上述結(jié)果圖像進(jìn)行定向卷積濾波。定向卷積濾波是派生的邊緣增強(qiáng)濾波，有選擇地增強(qiáng)有特定方向成分的圖像特征[15]。突出了圖像的空間細(xì)節(jié)，通過夸大局部的對比度，比原圖像能更好地突出線性特征，有利于線性構(gòu)造解釋。卷積濾波對一幅圖像的影響直接取決于卷積核的大小和其對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，本文確定了當(dāng)卷積核的大小為5×5時增強(qiáng)效果最好。從研究區(qū)的地學(xué)及地質(zhì)構(gòu)造出發(fā)，設(shè)定線性增強(qiáng)方向?yàn)?5°、315°,采用5×5大小的卷積核對假彩色合成結(jié)果圖像進(jìn)行定向?yàn)V波增強(qiáng)處理，明顯突出了圖像上線性構(gòu)造特征。 斷裂構(gòu)造解釋成果如圖3所標(biāo)。

2.4 熱紅外圖像地下水富集帶信息的提取

2.4.1 熱紅外數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)及大氣校正

在Landsat 8 OLI_TIRS熱紅外波段數(shù)據(jù)中，Band10(10.6 ～11.2)的地表熱信息特征比Band11(11.5 ～12.5)的更好[16]。 所以，本文利用Landsat 8 OLI_TIRS熱紅外數(shù)據(jù)頭文件中的定標(biāo)信息，在ENVI環(huán)境中對調(diào)查區(qū)圖像Band10數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，獲取了Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)熱紅外波段的表面輻射量度。

然后，使用ENVI的熱紅外數(shù)據(jù)大氣校正工具，對調(diào)查區(qū)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了大氣校正。

2.4.2 地表溫度計(jì)算

本文采用大氣校正法模型進(jìn)行地表溫度反演，地表溫度可以用普朗克公式的函數(shù)獲?。?/p>

式中：Ts為地表真實(shí)溫度(單位為K)；B(Ts)為黑體熱輻射亮度，對于Landsat 8 OLI_TIRS Band 10數(shù)據(jù)，K1=774.89W/(m2·μm·sr)，K2=1 321.08W/(m2·μm·sr)

對調(diào)查區(qū)Band10數(shù)據(jù)采用上述模型進(jìn)行波段運(yùn)算工作，并獲取了調(diào)查區(qū)的地表溫度圖像(單位為)，地表溫度反演結(jié)果見圖4。

圖4 地表溫度圖像和溫度值

2.4.3 提取地下水溫度異常信息

地下水富集帶地表溫度具有異?，F(xiàn)象，其地表溫度比地表水體高5 K左右，而比其地表類型低7 K以上[17]。 結(jié)合Landsat 8 OLI假彩色合成圖的目視解釋，在地表溫度圖像中確定了研究區(qū)的地表水體溫度為25左右。從這點(diǎn)出發(fā)，選擇地下水富集帶的地表溫度為30左右，在研究區(qū)地表溫度圖像中分開出溫度范圍為28.94～31.978的像元。

3 結(jié)果分析及驗(yàn)證

在ENVI環(huán)境下，通過矢量數(shù)據(jù)格式的斷裂走向線和柵格格式的地下水溫度異常區(qū)的重疊，在調(diào)查區(qū)內(nèi)初步圈定出3個找地下水靶區(qū)，綜合分析成果見圖5。提取成果與研究區(qū)水文地質(zhì)圖進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果與水文地質(zhì)資料(圖6)基本上一致，預(yù)測區(qū)的地下水屬富水程度中等的碎屑巖類孔隙裂隙水。

圖5 預(yù)測靶區(qū)圖

圖6 研究區(qū)水文地質(zhì)圖

4 結(jié)語

地下水的分布很難在遙感圖像上直接得到反映，而與地下水分布相關(guān)的水文要素信息(構(gòu)造，水系，溫度異常等)，在遙感圖像上可以得到較好的顯示。本文首先利用Landsat 8 OLI多光譜數(shù)據(jù)對調(diào)查區(qū)進(jìn)行斷裂構(gòu)造解釋，然后利用TIRS熱紅外波段數(shù)據(jù)經(jīng)過地表溫度反演分開出與地下水富集帶有關(guān)的溫度異常區(qū)。最后，通過綜合分析兩個解釋成果，在調(diào)查區(qū)內(nèi)初步圈定出找地下水靶區(qū)，比據(jù)單一指標(biāo)的找地下水資源提高了預(yù)測成果的可靠性。這預(yù)測成果可以為實(shí)際地面調(diào)查和物探工作成為重要依據(jù)。

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Study of Prediction of Groundwater Target Based on Landsat 8 OLI_TIRS Data

SUN Qing-ri, WU Jing-wei , TAN Chang

(WuHan University National Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering, Hubei Wuhan 430072)

Remote sensing technology is widely used in groundwater resources survey because of its unique advantages (macroscopic, comprehensive, dynamic and rapid). It can maintain formation and storage of the groundwater, also movement characteristics, water quality and the law of changes of water quantity, so that a large amount of manpower and material resources for field investigation can be saved, and adequate hydrogeological basis can be provided for the planning, development and rational utilization of groundwater resources. Based on the multi - spectral data and thermal infrared data of Landsat 8 OLI_TIRS, two important hydrological elements related to the groundwater enrichment zone are obtained-- the linear structural features and surface temperature through various remote sensing image enhancement processing and band operations. Finally, based on the comprehensive analysis of these information, the groundwater target area is delineated, and the results of the delineation are compared with the regional hydrogeological maps. The results show that the use of remote sensing technology in the water shortage area for groundwater exploration can provide technical basis in looking for groundwater resources fast and effectively, reduce a large number of consumption of manpower and material resources in the groundwater exploration, and provide basis for the practical ground investigation and geophysical work.

remote sensing technology; groundwater; fracture；thermal infrared

2017-04-17

孫清日(1985-)，男，朝鮮人，武漢大學(xué)進(jìn)修，主攻方向：遙感技術(shù)。

P641.7

A

1004-1184(2017)04-0016-04