土壤濕度指數(shù)預(yù)測(cè)沈陽(yáng)市淺層地下水

吳 迪

(遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110094)

埋深及地下水富集程度是影響土壤濕度的主要因素，表層在埋深較淺，且地下水富集程度較高時(shí)，其毛細(xì)管水可得到較高的補(bǔ)給，含水量處于較高水平。土壤含水量隨地下水富集程度的降低而逐漸減少，毛細(xì)管水的補(bǔ)給及含水量不能滿足植物生長(zhǎng)基本需求，進(jìn)而導(dǎo)致土壤干旱。地下水的富集程度在一定程度上可表示為土壤濕度，地下水存在的參數(shù)因子可選取土壤濕度進(jìn)行表征。當(dāng)前，對(duì)土壤水分利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行推演的理論方法相對(duì)比較成熟，并取得了豐富的成果。在地下水勘測(cè)評(píng)估中應(yīng)用較多方法和技術(shù)為土壤濕度反演模型，如Komarov等[1]依據(jù)實(shí)地調(diào)查資料對(duì)水庫(kù)周邊的淺層地下水位采用2.25μm和27μm波段進(jìn)行遙感反演研究；郭嬌等[2]研究表明其地下水位低于3m的自然帶模型表現(xiàn)出較好的反演效果和較強(qiáng)的實(shí)用性。李巨芬等[3]采用Landsat影響對(duì)遼寧省凌源市山區(qū)土壤濕度進(jìn)行提取，并對(duì)該區(qū)域淺層地下水富集區(qū)依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了圈定和劃分；李薇等對(duì)毛烏素沙漠的地表濕度信息采用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行提??；程訓(xùn)強(qiáng)等[3]以低丘紅壤區(qū)為研究對(duì)象對(duì)淺層地下水埋深與不同將于類型之間的作用影響進(jìn)行研究；MA Xiaodong等[4]對(duì)地下水水文、土壤水位及植被變化之間的相關(guān)關(guān)系利用塔里木河下游監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析；霍艾迪等[5]利用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)沙漠區(qū)域的地下水水位分布狀況進(jìn)行研究分析；羅浩等[6]對(duì)黃河三角洲土壤相對(duì)含水量采用表觀熱慣量法和溫度植被干旱指數(shù)法，并依據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)估，依據(jù)地下水埋深與土壤相對(duì)含數(shù)量之間的相關(guān)關(guān)系構(gòu)建了線性方程。

干旱半干旱區(qū)域具有空氣濕度法、降水量少、蒸散發(fā)量大依據(jù)毛細(xì)分布較為理想等特征，因此對(duì)土壤濕度利用遙感技術(shù)進(jìn)行反演，從而得到的地下水為與土壤濕度之間的相關(guān)性較為顯著；而氣候濕潤(rùn)區(qū)域受人工灌溉以及大氣降水等因素影響其土壤剖面水分變化較大，地下水與土壤濕度之間的相關(guān)性不明顯[7]。采用單一土壤濕度指數(shù)法無(wú)法對(duì)豐水期或枯水期以及不同年份降水量進(jìn)行全面、客觀的表征，其地下水儲(chǔ)存狀況利用該方法無(wú)法進(jìn)行全面的反映。因此，本文對(duì)多年地表土壤濕度信息利用修正化水體歸一指數(shù)法，并結(jié)合2010—2016年Landsat TM多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)區(qū)域地下水信息依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行尋找，采用實(shí)地考察的方法對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)選取

1.1 研究區(qū)域概況

沈陽(yáng)市位于溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，總面積約1.3萬(wàn)km2，全市年降雨水量約600～800mm，降雨量受季風(fēng)氣候影響主要集中在夏季，冬、夏季年均氣溫為6.2～9.7℃，冬季寒冷漫長(zhǎng)且降雪量較低，夏季短暫且暴雨較為集中；境內(nèi)大小河流共27條，主要有繞陽(yáng)河、遼河、北沙河、渾河、秀水河等，水資源總量約32.6億m3，春季河流的流量相對(duì)較低，有時(shí)可出現(xiàn)干谷現(xiàn)象，水位在汛期暴漲，且流速較急，為季節(jié)性河流。尚屯水庫(kù)、團(tuán)結(jié)水庫(kù)、黑牛屯水庫(kù)等為沈陽(yáng)市河流湖泊的主要水庫(kù)[8]。

1.2 數(shù)據(jù)的選取

本文數(shù)據(jù)從中科院國(guó)際數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)遙感圖像LANDSAT5 TM下載，對(duì)沈陽(yáng)市2010—2016年的降水資料、氣溫等氣象數(shù)據(jù)資料進(jìn)行收集，為降低信息提取受降水作用影響，選取了前7日無(wú)降水時(shí)期進(jìn)行成像，且成像各類地物無(wú)顯著差異性，質(zhì)量較好。考慮到沈陽(yáng)市特有的地理位置以及冬季可能存在大范圍的凍土層對(duì)地表信息造成影響，本文選取的時(shí)間為每年4—10月，共有18景。進(jìn)行幾何精度矯正時(shí)所采用的地形圖精度為1∶5萬(wàn)，并將其結(jié)果與1∶20萬(wàn)的水文地質(zhì)圖進(jìn)行對(duì)比分析。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于中科院數(shù)據(jù)處于L1T級(jí)別，即對(duì)此數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)行了地形和幾何矯正，因此對(duì)該數(shù)據(jù)無(wú)需進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)TM多光譜數(shù)據(jù)采用FLAASH模塊進(jìn)行大氣矯正，并以此消除大氣對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的影響。然后對(duì)研究區(qū)域的地理位置采用subset image工具進(jìn)行裁剪處理，最終對(duì)系統(tǒng)模塊利用ERDAS IMAGINE 9.2圖像進(jìn)行處理，并與1∶5萬(wàn)地形圖進(jìn)行對(duì)比，控制點(diǎn)選取相同的地理坐標(biāo)，對(duì)精度進(jìn)行幾何矯正。

2 土壤濕度提取方法

2.1 水體差異指數(shù)

利用歸一化水體差異指數(shù)法對(duì)地表濕度信息進(jìn)行提取，該方法于1996年由Mcfeeters提出并用于信息分類的方法，其中波段間比值為分類的主要判別依據(jù)和基礎(chǔ)。它是用于水域邊界界定、地表濕度信息提取的主要方法，其中NDWI可采用下式計(jì)算：

(1)

式中，GREEN、NIR—綠波段和近紅外波段。

在建立NDWI指數(shù)時(shí)Mcfeeters僅僅對(duì)植被因素進(jìn)行了考慮，而忽視了對(duì)人工地物、土壤、植被陰影等因素影響。人工地物、陰影以及水體在NDWI圖像上較易出現(xiàn)混亂，對(duì)其準(zhǔn)確區(qū)分存在一定困難。

2.2 差異指數(shù)的修正

李薇[8]等對(duì)地物光譜曲研究表明，式(1)近紅外波段在利用中紅外波段進(jìn)行替換時(shí)可明顯增強(qiáng)水體信息，相應(yīng)的陰影、土壤、植被、人工地物等因素得到壓制。所以，她利用修正歸一化水體差異指數(shù)法對(duì)NDWI進(jìn)行了修正，基本公式如下：

(2)

式中，GREEN、MIR—綠波段和中紅外波段。

針對(duì)圖像其TM2波段的0.520～0.605μm范圍，可利用GREEN進(jìn)行表征，而TM5波段的1.550～1.750μm范圍可利用MIR進(jìn)行表征，式(2)可轉(zhuǎn)化為：

(3)

考慮到沈陽(yáng)區(qū)域特征和氣候環(huán)境實(shí)際狀況，對(duì)土壤及人工建筑因素可采用MNDWI進(jìn)行較好的表征和處理，所以本文對(duì)土壤濕度信息的提取方法采用MNDWI法。

3 土壤濕度信息的提取

3.1 MNDWI提取土壤濕度

采用Modeler模塊對(duì)研究區(qū)域空間進(jìn)行建模，建模提取效果如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域建模提取效果

由圖1可知，圖像明顯分為暗色調(diào)和亮色調(diào)，裸土、巖土、植被的數(shù)值相對(duì)較低，為暗色調(diào)，河流、湖泊、水庫(kù)等數(shù)值相對(duì)較大，為亮色調(diào)。地表濕度信息可在一定程度上由介于暗和亮色調(diào)之間的中間色調(diào)進(jìn)行表征，淺層地下水的富集區(qū)域存在于該區(qū)域。所以淺層地下水的指標(biāo)要素可通過(guò)MNDWI圖像中的中間色調(diào)尋找出來(lái)，并根據(jù)指標(biāo)要素來(lái)對(duì)淺層地下水分布、富集程度加以確定和判別。

3.2 最優(yōu)密度分割

為了對(duì)土壤濕度信息進(jìn)行更好的表征和反應(yīng)，本文采用多閾值分割法對(duì)灰度圖像進(jìn)行處理，以期獲得更好的“中間色調(diào)”。密度分割法是對(duì)不同物地的分類效果在圖像上進(jìn)行增強(qiáng)的有效方法，它與多級(jí)閾值法相類似，可結(jié)合概率分布特征和圖像灰度值進(jìn)行分割點(diǎn)的提取，并將其劃分為幾個(gè)級(jí)別進(jìn)行登記，以此代表不同的地物覆蓋類型[9]。分割點(diǎn)的合理選取是該方法的核心，尤其是在無(wú)多峰時(shí)或雙峰分布時(shí)對(duì)圖像直方圖進(jìn)行分割點(diǎn)的選取存在較大困難。結(jié)合有序量最優(yōu)分割理論，對(duì)遙感圖像的彩色度進(jìn)分割處理，并以此改進(jìn)其變化，最優(yōu)密度分割法利用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行自動(dòng)求解。最優(yōu)分割法在不同的分割段數(shù)存在一定的差異，其中合理的分割可通過(guò)分河段內(nèi)的離差平方總和分割的段數(shù)變化曲線進(jìn)行最終分析和確定。

首先對(duì)NMDWI直方圖進(jìn)行分析研究，結(jié)果顯示，存在某一狹窄空間涵蓋了MNDWI的大部分值，不能對(duì)地表濕度信息進(jìn)行很好的表征，分割存在一定困難。因此在進(jìn)行最優(yōu)密度分割前需對(duì)其進(jìn)行拉伸處理，在0～225范圍內(nèi)確保ND值完全覆蓋，并以此對(duì)圖像的地物特征對(duì)比度進(jìn)行加強(qiáng)。上述處理方法可利用最優(yōu)密度分割法對(duì)MNDWI圖像以及水文信息進(jìn)行處理與提取，其中分割段選取為13段，最終求得分割段數(shù)與各段內(nèi)離差平方和與最優(yōu)分割0區(qū)間之間的變化關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，段內(nèi)力差平方總和增量在分割段數(shù)為6段以后突然增大，由此可知，第6分割段為曲線的一個(gè)明顯點(diǎn)，曲線在該觀點(diǎn)后逐漸趨于平緩。所以選取6段對(duì)圖像灰度值進(jìn)行分割最為合理。

圖2 最優(yōu)密度分割曲線

3.3 土壤濕度信息分級(jí)

采用掩膜處理法對(duì)ND值較大的地表水土和ND值較小的干燥區(qū)進(jìn)行除去，并以此提高土壤濕度較高的水文信息，采用黑色對(duì)富水區(qū)進(jìn)行突出顯示，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 最優(yōu)6段分割法的MDNWI計(jì)算結(jié)果

4 實(shí)例驗(yàn)證

地下水埋深是影響地表淺層土壤含水量的關(guān)鍵因素，淺層土壤含水量在地下水儲(chǔ)量豐富且潛水位較高時(shí)可通過(guò)毛細(xì)管水的補(bǔ)給作用處于較高的儲(chǔ)量；而土壤含水量在地下水儲(chǔ)量較低且前水位下降時(shí)，毛細(xì)管水的補(bǔ)給作用明顯降低，甚至中斷。所以在干旱半干旱區(qū)域土壤中的毛細(xì)補(bǔ)給作用以及土壤水分含量可直觀的反應(yīng)地下水水位的高低[10]。地表水可通過(guò)毛細(xì)管的作用上升至地下水水位以上的淺層土壤中，為遙感監(jiān)測(cè)的物理基礎(chǔ)；地表淺層土壤的水分含量狀況可采用地表土壤的反射光譜特征進(jìn)行表征，所以地下水信息可利用遙感信息進(jìn)行反映。本研究選擇了沈陽(yáng)市渾南區(qū)，對(duì)土壤濕度較大區(qū)域的淺層地下水狀況進(jìn)行了驗(yàn)證分析，其中實(shí)地水井調(diào)查結(jié)果以及水文地質(zhì)圖為驗(yàn)證數(shù)據(jù)資料的主要來(lái)源，然后對(duì)遙感信息提取土壤濕度，并對(duì)地下水進(jìn)行預(yù)測(cè)可行性和準(zhǔn)確性采用部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行研究和論證。

驗(yàn)證區(qū)域位于沈陽(yáng)市區(qū)的西部，該區(qū)域?yàn)榈谒南档腝3、Q4分布，地層剖面厚度約40m，結(jié)合水文地質(zhì)特征和相關(guān)資料，該區(qū)域?yàn)樯蜿?yáng)市主要含水層，沖擊砂礫巖石以及卵石含水層為該區(qū)域的主要巖性特征，巖層分選磨圓較好且結(jié)構(gòu)松散，地下水水位約3～6m，處于較淺水平，單點(diǎn)用水量相對(duì)較大。依據(jù)調(diào)查結(jié)果和水文地質(zhì)圖可知，地下水富集區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果表現(xiàn)出較強(qiáng)的準(zhǔn)確性和可靠性，預(yù)測(cè)結(jié)果與水文地質(zhì)實(shí)際狀況保持良好的一致性。地下水位受水庫(kù)修建作用的影響，水位可在一定程度上呈上升趨勢(shì)，因此相對(duì)于水文地質(zhì)圖利用遙感數(shù)據(jù)提取的淺層地下富水區(qū)面積相對(duì)較大[11]。

5 結(jié)論

采用單一時(shí)相的遙感影像進(jìn)行地下水勘測(cè)受水文條件影響較大，因此本文對(duì)淺層地下水富集區(qū)利用多年平均土壤濕度指數(shù)法并結(jié)合TM多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，以實(shí)地考察驗(yàn)證和水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

(1)淺層地下水的富集區(qū)域可利用土壤濕度指數(shù)法進(jìn)行準(zhǔn)確、客觀的預(yù)測(cè)，通過(guò)實(shí)地考察并結(jié)合相關(guān)水文地質(zhì)資料對(duì)該方法的可行性與可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明具有較強(qiáng)的實(shí)用性與精確性。

(2)為避免單一時(shí)相氣象對(duì)水文條件影響較大的缺陷，本文采用多年多時(shí)相平均土壤濕度進(jìn)行分析，結(jié)果表明淺層地下水富集區(qū)可通過(guò)該方法進(jìn)行準(zhǔn)確的表征和有效的指示。

(3)本文可有效降低原始工作的盲目性，并提高水源勘探的科學(xué)性和效率，研究成果為水源勘測(cè)提供一定的判別依據(jù)和支持。