遥感和地理信息系统整合下的地下水管理与开发：发展前景与限制因素.doc

随着功能强大的个人电脑时代的到来和空间技术的发展，RS（遥感）和GIS（地理信息系统）对开发土地和水资源管理的有效技术手段具有重大的意义。这些技术已经从根本上改变了我们管理自然资源的一般思路和方法，尤其是水资源的管理。本文重点介绍RS和GIS技术，并对它们在地下水水文学中的应用进行了全面的回顾。详细的文献调查显示RS和GIS在地下水水文学中的应用主要有六大领域：（1）地下水资源的开发和评价；（2）人工补给场地的选择；（3）基于GIS的地下水流和污染模拟；（4）地下水污染危害评估和保护规划；（5）天然补给量分布的计算；（6）水文地质数据分析和过程监测。虽然自上世纪90年代以来，这些技术在地下水研究中的应用迅速增加，但鲜有成功的例子，大部分的应用仍处于初级阶段。基于此，本文讨论了需要进一步研究和发展的重点领域，以及RS和GIS在发展中国家的应用限制。建议进行越来越多的基于RS和GIS的地下水研究，并与野外调查结合起来，更有效地发掘RS和GIS技术的应用潜力，这将使目前的技术应用更加完善和标准化，并产生更多的新方法和新应用。总之，RS和GIS技术很有可能使未来地下水资源的监测和管理发生革命性的变化，但水文地质及水文学家将面临着更为艰巨的挑战。一、简 介地下水是最宝贵的自然资源之一，它支持着人类健康、经济发展和生物多样性。由于地下水的几个固有属性（例如，稳定的温度，广泛和持续的可用性，极好的天然品质，有限的脆弱性，较低的开发成本，干旱时的供水可靠性，等等），因此在所有气候区（包括发达国家和发展中国家的城市和农村），它都是无比重要和可靠的供水水源（Todd和 Mays，2005）。特别是地下水正逐渐成为一种强大的贫困缓解工具，它可直接运抵贫困区，远比管道输水经济、快速和便捷（国际水资源研究所，简称IWMI，2001）。据估计，地球上现存淡水37Mkm3，其中约22%以地下水的形式存在，占可供人类利用的所有液态淡水的97%（Foster，1998）。不幸的是，为满足恣意挥霍的用户不断增加的用水需求而导致的水资源的过度开采和持续的不合理管理，已经造成水资源短缺、淡水资源的日益污染和全球范围内生态系统的退化（例如，Clarke，1991；Falkenmark和Lundqvist，1997；deVilliers，2000；Tsakiris，2004）。没有可持续利用地下水所造成的无数后果已经越来越明显，关键的问题是要维持含水层长期可持续的供水量（Todd和Mays，2005）。目前公认的事实是，水是一种有限的脆弱的资源，为了当代人和子孙后代，必须以一种生态学上合理的方式进行有效地利用。可以肯定的说，地下水将成为衡量当代人水资源和土地管理智慧的一种恒久的标尺。遥感具有实时获得覆盖大范围以及难以到达区域的空间数据、光谱数据和时间数据的优势，这使其成为地下水资源开发、评价和管理中一个非常便利的工具（Chowdhury等, 2003）。已证明，卫星数据的水文地质解译是那些地质和地图信息缺乏或者不准确地区的一种重要的调查工具（Engman和Gurney，1991）。卫星数据提供了关于地下水分布和运移的控制因素（如地质、岩性、地形、土壤、土地利用/覆盖、排水模式、线性构造等）的快捷有用的基础信息（Bobba等，1992；Meijerink，2000）。由于没有可利用的数据、整合工具和模拟技术，所有这些控制因素很少得到综合的研究。结构特征，如断层、裂隙和其它线性或曲线特征可以显示地下水的可能存在（Engman和Gurney，1991）。类似地，沉积地层（即冲积沉积物和冰碛物）或者某些岩石露头等其它特征也可以指示潜在的含水层。牛轭湖和古河道的存在是冲积沉积物很好的指示物（Farnsworth等，1984）。浅层地下水也可以根据土壤水分测量、植被类型和模式的变化进行推测（Nefedov和Popova，1972）。在干旱区，植被特征可以指示地下水的埋深和水质情况。可以从土壤、植被和浅层地下水、上层滞水推测出某个流域地下水的补给区和排泄区。此外，已应用遥感测量到的地表温度的差异（近地表地下水造成的）来识别冲积沉积物、浅层地下水、泉或者渗流（Mayers和Moore，1972；Heilman和Moore，1981；van de Griend等，1985）。Van de Griend等人（1985）指出，如果用热红外传感器在长期无雨后所做的地表温度测量，应该可以绘制区域浅层地下水位，推断地下水的补给和排泄。从卫星图像或者航空照片中获得的重要的地形特征，可以用于评价多种水文地质背景下的地下水条件（如分布、埋深、流动类型、数量或者水质），见表1。Farnsworth等（1984），Waters等（1990），Engman和Gurney（1991）以及Meijerink （2000）很好地总结了遥感在地下水水文学中的应用，揭示出遥感已经被广泛地用来补充标准化的地球物理技术。Meijerink（2000）认识到遥感在地下水补给研究中的重要性，并认为遥感能在很大程度上辅助传统的评价和模拟技术。地理信息系统（GIS）已经成为一种处理空间数据和一些领域（包括工程和环境）决策制定的有效工具（Stafford，1991；Goodchild，1993）。遥感数据是提供陆地和水信息的主要来源之一。可用各种不同的软件包（如PCI、ENVI、ERDAS IMAGINE等）对这些数字化的数据进行有效解译和分析。能比较容易地将这些信息输入GIS环境，实现与其它类型数据的整合，然后再做分析（Faust等，1991；Hinton，1996）。遥感和GIS的结合对于分析海量水文地质数据和模拟饱和带和非饱和带复杂的地下水流以及溶质运移过程是非常重要的（如Watkins等，1996；Loague和Corwin，1998；Gogu等，2001；Gossel等，2004）。GIS的一个主要功能是允许叠加或者索引操作，但是可用的或正在开发的一些GIS的新功能能够进一步支持分析地下现象所需的基于过程的方法（Gogu等，2001）。毫无疑问，GIS工具以计算机的准确度和最小的人为误差风险，实现了海量水文数据和水文地质数据的快速组织、量化和解译。表1 从遥感数据获得用于评价地下水条件的明显地形物理特征（修订自Todd，1980；Todd和Mays，2005）地表特征获得的信息地形局部和区域的地貌背景能够揭示出地下水运动的大体方向以及对地下水补给和排泄的影响小坡度（050）地下水潜力大中等坡度（5200）地下水潜力中等到低大坡度（200）地下水潜力差自然植被密集的植被表明有足够可用的地下水，地下水位可能接近地表。地下水湿生植物非承压条件下的浅层地下水干燥地带植物承压或非承压条件下稍微深层的地下水盐土植物非承压条件下的浅层盐水或咸水地质地形现代冲积阶地，冲积平原，泛滥平原和冰碛物储存地下水的有利场所砂丘揭示了下伏含砂的冰水沉积物的存在，因而指示了地下水的存在基岩露头存在潜在的含水层厚层风化岩石地下水潜力中等含裂隙/裂缝的岩石地下水潜力非常好或者极好不含裂隙/裂缝的岩石地下水存在的不利场所小丘，土墩和残山地下水存在的不利场所湖泊和河流牛轭湖和古河道地下水开采的有利场所常年性河流，小的常年性河流和间歇性河流地下水潜力高到中等排水密度排水密度高预示着地下水存在的不利场所；排水密度中等预示着地下水潜力中等；低/没有排水密度预示着地下水潜力高。排水模式揭示出基岩中节理和断层的分布情况，进而指示了地下水的存在或缺失泉的类型（从遥感数据所做的试验性的推断）低地泉、接触泉和自流泉存在潜在的含水层潮湿的低地、渗流和沼泽环境存在非承压条件下的浅层地下水线性构造（适用于基岩地形）揭示了地下断层和裂隙的分布，由此指示了地下水的分布与地表水水文学不同，对遥感和GIS在地下水水文学中的应用缺乏详细介绍，文献记载也少。而且，过去一般是分别论述RS和GIS在地下水水文学中的作用，没有两者的综合论述。因此，本文尝试重点突出遥感和GIS技术，并对二者在地下水水文学中的应用做出最新的总结。这些最新的和系统化的信息对研究者、水文地质学家和相关决策者，尤其是刚参与到这一领域中的研究人员而言，是非常重要的。二、遥感技术概述1、历史透视用摄影记录地表的俯视图可以追溯到1858年，这是遥感历史的起点。在随后几年里，摄影技术与通过气球和风筝获取地球照片的方法取得了非常大的进步。第二个里程碑是利用功能强大的飞机来拍摄航空照片。第一次世界大战（19141918）标志着以常规方式获取航空照片的开始。可见光成像是首次应用的遥感技术。二战（19391945）期间，电磁波（EM）光谱的使用从以前占主导地位的可见光光谱扩展到其它波段，最主要的就是红外波段和微波波段（Campbell，1996）。战时的研究在战后得到了继续。上世纪60年代是遥感技术快速发展的一个时期。在这一背景下，就职于美国海军研究局的一位科学家Evelyn Pruitt提出了“遥感”这个词，她认为广泛使用的术语“航空照片”不能再准确描述利用EM光谱中可见光波段以外的波段所采集的多种形式的图像（Campbell, 1996）。在随后几年里，为不同的目的和不同的分辨率发射了几颗遥感卫星，这为遥感技术提供了一个新尺度。目前，大多数普通的遥感系统都是以EM光谱中的可见光波段、红外波段或者微波波段的一种或几种作为工作波段。目前，由美国发射的陆地卫星（LANDSAT）系列是从早期的“水星（Mercury）”和“双子星座（Gemini）”轨道飞行摄影测量的概念发展而来的。那些来自于载人地球轨道飞行的数据显示了空间轨道观测的实用性。产生的这些观测和思想最终诞生了NASA（美国宇航局）卫星计划，这一计划开发了于1972年6月发射的第一颗“地球资源技术卫星（ERTS）”，不久改名为“Landsat-1”，该系列最新的卫星是1999年发射的Landsat-7。随后，前苏联、日本、欧洲空间局（ESA）、印度、法国、加拿大以及中国和巴西也发射了卫星。随着技术的进步，过去几十年来，遥感自身也在变化从一门依靠信息推测的相对定性的技术发展到某些情况下还能测量系统状态的定量学科。因此，遥感领域已经获得了相当大的进展。目前，遥感作为一门探测科学仍在不断发展，应对着世界越来越多的挑战。2、遥感的定义遥感（RS）可被定义为从一定距离（没有物理接触）之外对目标或者过程的观测，相反，原位测量中的测量设备是接触或深入到观测系统和/或过程之中的。这是一个广义上的定义，但是这个术语通常指的是，利用飞行器或者卫星获得的照片和相关数据对地球环境（尤其是自然和文化资源）信息的采集和处理（Simonett，1983）。因此，遥感不仅包括数据采集的过程，还包括数据分析的过程：从遥感数据中提取有意义的空间信息的方法和过程。遥感技术依据电磁辐射源的不同可分为两类：“主动”遥感和“被动”遥感（Lillesand和Kiefer，2000）。被动遥感测量的是目标自然辐射的能量；而主动遥感发射人工产生的信号，测量返回的那部分信号。获得可见光、近红外（NIR）和热红外（TIR）能量图像的传统的航空摄影技术和卫星遥感技术均属于被动遥感技术，而雷达和激光雷达属于主动遥感技术。3、遥感技术的组成遥感系统有四个基本组成：能量源（太阳，雷达），传输路径（大气，植被冠层），目标（任何观测对象）和遥感器/卫星（探测系统）。每一个组成都极为重要地控制着我们能观测到什么样的地表信息（Engmanand Gurney，1991）。下文将简要介绍构成遥感技术核心的遥感器和卫星。（1）遥感器传感器以特定的EM工作波段（如可见光、红外、近红外、中红外、微波等）提供信息。通常依据EM工作波段对传感器进行分类（Schultz，1988）。针对具体问题仔细配置传感器，可以保证研究结果有用并易于量化（Engman和Gurney，1991）。表2汇总了主要的遥感器。从这个表中明显可以看出，不同的传感器可以提供关于地表或者地球浅部的不同信息。与可见光和红外传感器相比，微波传感器的优势是可以在多云条件下进行观测。同时，观测也不依赖于太阳照度，可以在白天或者晚上任何时候进行。传感器可以安装在卡车、飞行器和太空船上，反复进行大面积的观测（Jackson，2002）。有兴趣的读者可以参考Jackson等（1999）和Jackson（2002）关于微波遥感在土壤水文学中应用的详细描述。总之，从表2可以推断，利用不同原理和技术的多种传感器的相互补充应用可以帮助我们获得更多关于地球及其资源和环境的知识，并获得新的认识。（2）卫星系统目前，有很多观测地球和大气特征的卫星。依据卫星系统的目的，从广义上将其分为两类：地球资源卫星和环境卫星（即气象卫星、海洋监测卫星和地球观测卫星）。第一类卫星系统以相对较低的频率（周期以天计）观测地球同一区域，但是具有相对较高的空间分辨率，能够绘制陆地特征和状况。相反，环境卫星系统观测频繁（周期以小时计）但空间分辨率相对较低，提供关于天气状况和大范围表面现象的信息。世界上一些重要的地球资源卫星系统有Landsat（美国），OKFAN（俄罗斯），SPOT（法国），IRS（印度），ERS（ESA和加拿大），JERS和ADEOS（日本），RADARSAT （加拿大）以及CBERS（中国和巴西）。这些卫星以不同的空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率和辐射分辨率提供了多种宝贵信息（Simonett，1983；Jensen，2000）。从1978年起，NOAA环境卫星系列就开始提供信息，用于水文学、海洋学和气象学研究，它有5个波段，空间分辨率为1.1km。其它气象卫星有Meteosat（ESA），GOES（美国），GMS（日本），DMSP （美国）和INSAT（印度）。俄罗斯的SPIN-2（全色波段分辨率2m），美国的OrbView-3（第一个商业高分辨率卫星，全色波段分辨率1m，多光谱分辨率4m），美国的IKONOS-2（全色波段分辨率1m，多光谱分辨率4m）以及美国的QuickBird-2（目前空间分辨率最高的卫星系统：全色波段分辨率61cm，多光谱分辨率2.5m）是突出的几个具有高分辨率的地球资源卫星。表2 主要遥感器类型的简要描述（修订自Engman和Gumey，1991）传感器类型 描述和效用1.航空摄影仪 早期的航空照片利用了电磁波（EM）光谱中的可见光波段，但随着摄影和成像技术的发展，也可以利用其它波段成像，其中比较感兴趣的近红外波段成像。彩红外照片主要用于植被研究。这是因为健康的绿色植被对于红外辐射是一个很强的反射体，在彩红外照片中表现为亮红色。而且，航空照片在环境管理方面有较长的应用历史（Slama，1980），航空照片解译技术也得到了较好的发展（Smith，1968）。2. 辐射传感器 辐射传感器是根据20cm厚的表层土壤或者雪层中的放射性同位素钾、铀和钍放射出的 射线的天然陆地衰减制成的（Carroll，1981）。地面的通量主要是表层土壤中的水量和放射性同位素浓度的函数，几乎不随时间变化。因此，一旦采集到辐射光谱，就不必采集其它背景数据了。可以利用辐射资料估算土壤水分变化和雪水当量。3.多光谱扫描仪（MSS） 这项技术能够同时测量地形对EM光谱中两种或多种窄波段的光谱反应，并记录相关信息，如四波段MSS和称为“专题绘图仪(TM)”的七波段机械扫描仪。MSS数据可用于估算地表覆盖、积雪覆盖、水域面积、隔水区面积和各种水质参数。4. 高光谱传感器 传感技术的新进展带动了高光谱传感器的发展（也叫成像分光计），它能够同时利用EM光谱中很多（常达到数百个）非常窄的连续的光谱波段采集同一地区的图像。大量的波段有利于区分出更多的目标。目前，研究人员正利用高光谱传感器探测和识别矿物、地表植被、人造材料及背景。同时，高光谱数据也能用来量化林冠中氮和木质素的浓度（Aber和Martin，1995），评价大气性质，如水蒸气含量和导致空气污染的其它气体（Schaepman等，1995）。5.热传感器（TS） 热传感器利用光电探测器（对直接接触传感器表面的光子比较敏感）直接测量来自于地表的热辐射。为了限制探测器自身的热辐射，要将它们冷却到接近绝对零度。热传感器本质上是测量目标的表面温度和热性质。白天和晚上都可以获得热图像（因为辐射是放射的而不是反射的），热图像有多种用途，如军事侦察、灾害管理（如森林火灾绘图）、灌溉管理、农业应用、热羽（thermal plumes）和热损失监测。6.激光系统 激光技术发射一窄束相干可见光或近红外（NIR）光，并用光电倍增管测量反射的能量。机载激光系统已被用于收集地形调查数据，估算树冠高度、河谷横截面、大气污染和叶绿素。同时也在侵蚀控制研究中发挥着重要作用。机载激光地形制图仪（ALTM）可以获得精确度与GPS相当的数字高程数据，但是速度要快几千倍。激光系统在白天和黑夜均可以运行。7.微波传感器（MS） 以EM光谱中微波波段为工作波段的传感器能提供越来越多有用的信息，称之为微波传感器。它们使用波长范围从接近1mm到1m的微波辐射，在所有天气条件下都能进行观测，不受云、雨、雪、雾或烟的限制。微波遥感系统主要是根据雷达接收到的信号强度的不同来区分目标。另外，它们可以提供来自于频率特征、多普勒效应、偏振现象、后向散射等独特信息，这些信息是可见光和红外传感器无法提供的。 主动微波传感器（如SAR、散射仪）主动微波传感系统接收后向散射（地面对发射的微波的反射）。合成孔径雷达（SAR）是一种相干雷达系统，可直接测量表层土壤或雪的介电性能。因此，微波数据对估算土壤水分、植被类型、雪水当量、积雪条件、冻土和海洋冰川是非常有用的。散射仪可以测量海风的二维速度向量。InSAR（干涉合成孔径雷达）是用接近相同入射角度的两幅SAR图像联合生成一幅相位干涉图像，称为干涉图。干涉图中的相位信息对提取地形高程信息、高程变化信息，以及土壤分类都是很有用的。 被动微波传感器（如微波辐射计） 被动遥感系统接收地物特征自然发射和/或反射的微波辐射。通常利用被动遥感监测海洋冰川、洋流和风；探测石油污染以及进行大气研究。8.激光雷达传感器 激光雷达系统（也称为激光高度计或激光雷达或光学雷达）是一种主动遥感技术，也是遥感领域中相对较新的一门技术。它由利用激光产生能量的主动光学传感器组成，是为极高分辨率的地形制图而开发的。激光雷达系统使用指向地面的激光脉冲，然后测量脉冲返回的时间（Lillesand和Kiefer，2000）。激光雷达使用的光波长比传统雷达的短10,000到100,000倍。作为一种主动传感器，激光雷达可在夜间使用；但不像SAR那样能穿透云层。激光雷达的一个明显好处就是所有数据一开始就可为地理参考（geo-referenced），可被GIS直接使用。激光雷达非常适合生成数字高程模型（DEMs）和自动特征提取，因此，可用于测量海岸带海水深度以及海岸线地形（激光水深测量仪，Lidar Bathymeters），测量大气组成的浓度（差分吸收激光雷达，Differential Absorption Lidar）和风速（多普勒激光雷达），也可以监测云层（Multi Field of View Lidar）。此外，还可用于无线通讯设计、冠层特征的森林评价以及树冠直径、林冠郁闭度和其它生物物理特性评价的延伸研究。装载微波传感器的卫星提供了另一种宝贵的环境和资源信息，如美国的DMSP-SSM/I，印度的Oceansat-1以及美国和日本的AMSR和TRMM卫星系统，除此之外，还有几个基于飞行器的主动和被动微波遥感系统（Jackson，2002）。此外，重要的地球观测卫星有CHAMP（德国），GRACE（美国-德国）和GOCE（ESA）。CHAMP卫星系统（由德国于2000年7月发射，计划运行5年）可间接测量大范围内的重力特征。GRACE（由NASA-DLR在2002年3月发射，计划运行5年）和GOCE（由ESA计划在2006年发射）卫星系统对地球重力场进行高精度的详细测量，这将引发对重力和地球自然系统的一些新发现。4、卫星图像的数据提取购买了所需的数字格式的卫星图像之后，下一步就是处理图像，提取所需的空间信息和专题信息；未经过处理的卫星图像没有多大用处，尤其对科学研究而言。这一复杂的处理过程是在计算机的帮助下，利用图像处理软件包完成的，称为数字图像处理（Lillesand和Kiefer，2000）。用户友好的图像处理软件包通常可以在个人电脑和工作站上使用，并且能交互式地从卫星图像上提取数据。图1显示了从数字卫星图像提取数据的三个主要步骤。很明显，为提取数据和/或信息需要进行几步操作。由于大多数情况下，从卫星系统获得的数据都是输入到GIS中进行分析、模拟以及制作不同的图件，因此必须将栅格数据转换为矢量数据。大部分数字图像处理软件和先进的GIS软件包都能实现从栅格到矢量的转换。但是，如果GIS技术能够处理数字图像，也能处理矢量和栅格数据，那么就不必进行这种转换了（Lo和Yeung，2003）。从卫星图像提取数据的详细过程可以参考数字图像处理或者图像解译的书籍/手册。 图1 从数字卫星图像提取数据的步骤三、GIS技术概述1、历史透视用计算机进行绘图和空间分析的历史表明，在几个相关领域中，即地籍和地形制图、专题制图、土木工程、地理学、土壤学、空间变异的数学研究、调查和摄影测量、乡村和城市规划、公用事业网以及遥感和图像分析，自动化的数据捕捉、数据分析和数据显示一直是平行发展的（DeMers，2000；Clarke，2001；Lo和Yeung，2003）。基本上所有学科都在尝试着同一种运作：针对特定目的，开发出一套功能强大的工具，用来采集、分类、恢复、转换和显示真实世界的空间数据。这套工具组成了“地理信息系统（GIS）”。加拿大于上世纪60年代开发了第一代地理信息系统，称为加拿大地理信息系统，它只不过是利用计算机处理地图数据的一种创新应用，并且只用于少数几个政府部门和高校（Lo和Yeung，2003）。当时没有什么有效的技术能够将地图转换为数字形式，计算机的存储量相当有限，处理速度也很低，但是这些技术的成本却非常高。从GIS的发展历程来看，在很短的一个历史时期内，用于GIS开发的技术和GIS的功能均发生了相当大的变化。尽管上世纪60年代存在很多技术限制，但还是发明出了许多空间数据处理的基本技术，并在这一时期得到了应用（Tomlinson，1984）。虽然计算机技术的发展使70年代的系统比60年代的系统快很多，但70年代与其说是GIS技术的革新时代不如说是一个巩固时代。60年代和70年代是GIS发展的重要时期。80年代，自然资源管理的压力一直在持续，对GIS的需求也在增加。拓扑概念的引入使GIS技术得到了突破；开发出了功能强大的GIS软件包，如ArcInfo、MapInfo、SPANS和其它一些基于个人电脑系统的软件包。80年代中期，随着数据结构的复杂性得到了很大程度的解决，GIS发展的焦点逐渐转向了数据采集的方法、质量和标准以及数据分析和数据库结构。90年代，计算机技术的飞速发展大大加快了GIS技术的发展，GIS成为了多平台的应用软件。计算机使用的增加和地理数据有效管理的迫切需求将GIS的应用推向了一个新的高度。通常认为到了90年代中期，GIS在技术和应用方面都相对成熟起来。从90年代中期开始，GIS的发展进入了一个崭新的时代，可适当称为“地理信息基础设施的时代”（Lo和Yeung，2003）。GIS的发展逐渐形成了传统计算机产业中一个特定的部门计算机产业中成长最快的部门之一。今天，GIS已经形成了自己成熟的产业，并成为学术研究的一个重要领域，具有越来越多的参与公司、多种领域势不可挡的需求、世界范围的GIS市场和专业化的组织机构。2、地理信息系统（GIS）的定义GIS通常被定义为计算机辅助制图软件，一套空间分析工具，一种数据库系统或者一个科学研究的领域（Loand和Yeung，2003）。为提供一个简单实用的GIS定义，有两个广泛使用的定义是：（1）GIS是为解决复杂的规划和管理问题，而设计出的一个用于支持捕捉、管理、处理、分析、模拟和显示空间参考数据的硬件、软件和程序的系统（Rhind，1989）；（2）GIS是一种能够采集、存储、处理和显示地理参考信息的计算机系统（USGS，1997）。在GIS教科书中，如Burrough（1986），Aronoff（1989），DeMers（2000）和Clarke（2001），已经采用了这两个定义所包含的基本思想。简单地说，GIS就是管理地理数据并用这些数据解决各种空间问题的一种基于计算机的系统。图2显示了GIS和不同类型信息系统的关系。显而易见，只有那些用于处理和分析地理数据的信息系统才能称为GIS。目前，GIS不仅具有采集、管理和使用地理信息的功能和程序，而且也成为一种科学知识的综合体（Lo和Yeung，2003）。图2 信息系统的类型3、GIS的基本概念GIS中的地理数据可表示为对象或场（现象）。在对象方法中，现实世界的特征用简单的对象（如点、线和面）来表示。对象用几何特征、拓扑关系和非空间的属性值来刻画。而在场方法中，现实世界的特征用没有定义对象的属性数据的场来表示。这种方法提供了任何位置上的属性值。GIS中，对象和场的区别与矢量数据模型和栅格数据模型有关（Goodchild，1992）。矢量数据模型是表达现实世界特征的一种基于对象的方法，能够最好地表达离散的对象。所有的矢量数据模型建立在两个普通且相关的概念上：空间对象分解为基本的地图单元，用拓扑（空间关系）和几何（坐标）来表达空间对象。因此，每个图层都是一类或多类几何特征的适当组合。栅格数据模型是表达现实世界特征的一种基于场的方法，能够最好地表达大范围内连续的地理现象。这种模型将地理空间细分为网格单元，每个单元上都赋有值。每个单元的线性维度定义了数据的空间分辨率，这是由所表达的地理空间中最小的对象的大小决定的。这个大小也称为“最小绘图单元（MMU）”。在栅格数据模型中，每个单元通常限定为一个值。因此，需要用多层模型表达许多参数（变量）的空间分布。基于栅格的GIS比基于矢量的GIS有优势，因为实际上所有类型的数据（包括属性数据、图像数据、扫描的图片和数字地形模型）都可以用栅格形式来表达（Van Der Laan，1992）。而且，与栅格数据模型相比，矢量数据模型在概念上更加复杂，实现的技术难度也更大。但是，无论采用哪种数据格式，实际上都取决于应用的类型。四、RS和GIS在地下水水文学中的应用1、广义的情境谈及遥感在地下水水文学中的应用，从上世纪60年代开始，人们就一直尝试将航空照片、可见光和近红外卫星图像用于地下水开发中，但鲜有成功的例子（Engman和Gurney，1991）。光谱分辨率的不足使遥感技术在地下水探测中不能得到有效使用。但是，随着高分辨率的多光谱卫星传感器的出现，到上世纪80年代末，卫星图像（包括微波图像）在地下水探测中的应用显著增加（Waters等，1990；Engmanand和Gurney，1991；Meijernik，2000；Jackson，2002）。已证明遥感技术在探测和初测中是一种经济的方法，因为钻探的成本很高。一般而言，推荐在地面测量和野外工作之前分析航空图片和卫星图像，这样可以排除可能的弱含水层，确定需要重点进行野外调查的地区（Revzon等，1983）。然而，值得注意的是采用遥感并不能排除原位数据的采集工作，原位数据仍然是验证遥感数据和遥感解译是否准确的必要手段。不过，遥感确实减少了野外数据的采集量。上世纪90年代初期和中期，几位研究者已经对GIS在水文和水资源管理中的应用进行了回顾，如Zhang等（1990），DeVantier和Feldman（1993），Ross和Tara （1993），Schultz（1993），Deckers和Te Stroet（1996）以及Tsihrintzis等（1996）。这些回顾表明GIS在水文学和水资源管理中的应用在模拟占主要的背景下是非常重要的。另一方面，在陈述地质计算发展的同时，Longley等人（1998）讨论了GIS的各种地球科学应用以及地质计算在GIS技术开发和应用中的作用。尽管GIS在地下水模拟研究中的应用要追溯到1987年，但是它在地表水模拟中的应用一直要比地下水模拟中的应用更普遍，因为可用的标准化的GIS图层主要是地表的；几乎没有什么水文地质性质的标准化图层（Watkins等，1996）。Watkins等人（1996）对GIS在地下水流模拟中的应用进行了很好的总结，并讨论了GIS的用途和未来的发展方向。另一方面，Pinder（2002）逐步介绍了GIS在地下水流和运移模拟中的应用步骤。下文将介绍当前GIS和RS在地下水水文学中的应用情况。本文对以往涉及到遥感和GIS在研究地下水问题中的应用的文献进行了详细的调查。已经尝试将不同位置和不同形式的所有可用的相关文献进行了综合。然而，过去的文献综述没有包括1960年到80年代中期进行的RS应用在地下水中的一些试验性和初步性的研究，因为无法找到相关的原始资料。感兴趣的读者可参阅Engman和Gurney（1991）的著作，能够获得关于这些研究的一些简要介绍。基于全面的文献调查，将RS和GIS技术在地下水水文学中的应用划分为六大类，并在下文中简要介绍每一类的相关实例研究。2、地下水资源的开发和评价Rampal和Rao（1989）利用Landsat的MSS数据，为印度卡纳塔克邦Doddaguni地区寻找地下水的潜在含水带。探测地下水要依赖于对研究区的断裂、岩性单元和区域地质的识别和绘图。他们开发了计算机程序，利用直方图均衡化、波段组合和量配（rationing）、高通和低通滤波器来提高图像品质。利用各种增强的图像，绘制出研究区的地质图，建立了岩性单元和被估计水文要素之间的关系。在根据地下水潜力对研究区进行分区的过程中，检验并肯定了这一方法的有效性。Bobba等人（1992）利用Landsat的数字辐射（digital radiance）数据，根据地下水位埋深，即排泄区、补给区和过渡区，描绘了加拿大安大略湖南部Big Creek和Big Otter Creek盆地主要的地下水运动机制。他们报道，在春季，只有利用卫星图像的近红外波段才能检测出地下水对近地表温度的调节影响。但是在夏季，需要将可见光波段和近红外数据结合起来确定流域内地下水湿生植物的分布情况。他们的结论是，数字卫星数据非常有助于描绘地下水流动系统，对水文模拟、非点源模拟和固体废物处理场址选择而言，是非常重要的输入参数。Salama等人（1994）利用航空照片和Landsat（TM）数据制作了澳大利亚西部盐河系统（Salt River System）的地形图、地质图和结构图，以对控制该地区地下水补给和排泄机制的单元进行分类。利用地貌类型的水文地质解译和源自TM分析的水文地貌单元（hydrogeomorphic units）的分类来确定补给区和排泄区。他们推断环形花岗岩附近的渗透区和沙地的高渗透区非常有利于补给。地下水排泄主要是沿着大排水线，环形沙地的边缘、凹陷带和湖泊。Kamaraju等人（1995）利用GIS评价了印度安得拉邦西哥达瓦里的地下水潜力。他们利用现有的地图和记录作为输入数据（具有不同的形式和比例尺），用ArcInfo软件创建了一个GIS数据库。根据地下水的各种控制特征在输出中的权重将其分级，把描述性的信息转化为“地下水开发指数”。这样就产生了地下水潜力图，显示了具有不同地下水开发潜力的三种主要的水文地质条件。他们指出GIS技术是非常省时和经济的方法，可以成功地运用于地下水开发计划的规划阶段。Teeuw（1995）提出了一种遥感和GIS技术的综合方法，以优化加纳北部Volta盆地的钻探位置。他报道说，根据该地区的航空照片、线性构造图和地球物理调查选择具备地下水开发潜力的地区大部分都没有成功。这种地下水开发计划初步阶段的低成功率是由于航空照片解译和线性构造绘图阶段遭遇了困难，而非在随后地球物理调查中遇到的限制。为了提高盆地地下水开发的成功率，使用了低成本的GIS软件包“IDRISI”和Landsat TM卫星图像。已证实，与航空照片中观测到的单个电磁波光谱不同，七波段Landsat图像能够制作出高质量的线性构造图，这有助于正确描绘出地下水的开采潜力区。因此，与仅使用航空照片相比（成功率只有5%），利用遥感和GIS技术的综合方法，可以将成功率提高到55%。Krishnamurthy等人（1996）利用遥感和GIS划分印度Tamil Nadu的Marudaiyar盆地的地下水开采潜力区。他们利用遥感数据制作了岩性图、地形图、线性构造图和地表水体图，并利用SOI（印度调查局，Survey of India）Toposheets数据制作了排水密度图和斜坡图。利用GIS中一个具有逻辑条件的模型，对这些专题图进行综合与分析。最后，将绘制出的地下水潜力分区图用野外数据进行验证，显示出很好的一致性。Sander等人（1996）利用遥感、GPS和GIS为加纳中部的violtanian沉积盆地建立了良好的钻探选位方法。所用的遥感数据来自于Landsat TM、SPOT和红外航空图片。解译出的线性构造、植被、排水和基岩特征可用于评价地下水开发潜力。在野外，结合若干GPS定位的钻孔信息，对线性构造进行了检验。他们将这些数据整合到GIS中，为将来的钻探选位建立了优化策略。GPS提高了整合到GIS中的各种数据的空间精确度。他们认为，尽管已证明GIS是一种分析空间数据和建立钻探选位策略的有效综合工具，但在地下水项目中运用GIS尚需认真规划，以避免不必要的高昂的数据采集费用。Edet等人（1998）在尼日利亚东南部的十字河州（Cross River State），应用遥感技术描绘了可能未来适合地下水开发的地区。他们利用雷达图像和航空照片定义了研究区部分地区的水文特征和水文地质特征，采用长度密度和频率分析了线性构造和排水模式，最后利用得到的结果来描绘具有不同地下水开发潜力（高、中等和低）的地区。他们发现线性构造以及排水模式、岩性、水温、水的传导率、单井出水量、导水系数、纵向电导率与地下水的分布之间存在良好的相关关系。Travaglia和Ammar（1998）提出了一种把从卫星图像中提取的GIS数据与传统方法收集到的数据进行整合的方法。根据对这些数据的分析和有选择的野外调查，显示在叙利亚南部的玄武岩地区，构造运动使该区地下水沿断层运动。他们也对Landsat TM数据解译出的线性构造进行了统计分析，得出两条主断裂方向，这两条主断裂被认为是地下水储存和运移的“开放通道”。作者的结论及其建立的方法能够应用于叙利亚其它地区以及有相似水文地质条件的其它国家。Goyal等人（1999）利用多标准评价技术（MCET）评价了印度北方邦（Uttar Pradesh）的Rawasen和Pili流域地下水评价的内部类（inter class）和内部地图依赖性（inter-map dependencies）。他们绘制了各种专题图，如利用卫星图像和航空照片绘制的土地利用图、地形图和线性构造图，利用SOI的Topo