遙感圖像處理技術(shù)鉆勘測地下水資源中的應(yīng)用研究

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們生活質(zhì)量的不斷提高，水資源問題已成為人們面臨的嚴(yán)峻問題。面對水資源如何繼續(xù)支撐人類社會的生存發(fā)展，提高人們的居住環(huán)境質(zhì)量；人類如何合理地開發(fā)和利用水資源等問題，遙感技術(shù)成為最有效的技術(shù)手段之一。

遙感技術(shù)在水資源研究方面的應(yīng)用主要有：水資源調(diào)查、水文情報(bào)預(yù)報(bào)和區(qū)域水文研究。由于遙感技術(shù)既可觀測水體本身的特征和變化，又能對其周圍的自然地理?xiàng)l件及人文活動的影響提供全面的信息，所以為深入研究自然環(huán)境與水文現(xiàn)象之間的相互關(guān)系，進(jìn)而揭露水在自然界的運(yùn)動變化規(guī)律，創(chuàng)造了有利條件。利用遙感技術(shù)不僅能確定地表江河、湖沼和冰雪的分布、面積、水量和水質(zhì)，而且對勘測地下水資源也是十分有效的。

在利用遙感衛(wèi)星圖片對怒江峽谷水資源進(jìn)行調(diào)查的過程中，為提高圖像的解譯精度和效率，充分利用遙感數(shù)字影像的多光譜、高分辨率、多波段圖像等優(yōu)勢，使解譯精度大大提高，降低了測量造成的誤差。合理組合遙感數(shù)據(jù)源的7波段信息，有效地信息增強(qiáng)技術(shù)和多種圖像增強(qiáng)處理方法，可得到信息豐富、直觀易讀的衛(wèi)星影像，減小了技術(shù)的誤差。

1、遙感圖像處理

在對怒江峽谷的衛(wèi)星遙感圖像處理過程中，對水資源特征進(jìn)行判讀、提取和融合，形成準(zhǔn)確翔實(shí)的基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)，包括圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，以獲得水資源的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和動態(tài)變化情況。由于常因一些外部環(huán)境的其它目標(biāo)物（比如地形、植被、田地、時(shí)間、天氣以及各類地物）影響解譯的精確度，為使圖像能顯示更多、更好的信息，除了采用多波段組合外，還對不同解譯目標(biāo)和圖像范圍進(jìn)行有針對性的圖像處理，主要有以下幾種方法：

（1）直方圖均衡化處理：這種方法主要在局部范圍的解譯中經(jīng)常用到。在怒江水資源的解譯過程中，為了更好地提取怒江支流的信息，在局部支流圖像中使用直方圖均衡化處理，以使得在怒江支流局部圖像信息均勻分布在0～255灰階內(nèi)，通過這種方法，亮度可以更好地在直方圖上分布，使輸出圖像的像元亮度呈線性變化，圖像中的支流地形更加突現(xiàn)，圖像更加清晰。

（2）比值處理：是根據(jù)不同地物各波段灰度值分布的差異，對多波段影像進(jìn)行比值處理。為更好的提取怒江遙感圖像中的水資源信息，利用比值處理方法，提取水資源，首先消除大量的陰影干擾，使遙感影像中水資源本身光譜反射的數(shù)據(jù)接近于真實(shí)值，從而使水資源遙感影像的質(zhì)量得到了提高，突出水資源的信息。同時(shí)為便于解譯渠系，利用比值處理使得影像中渠系的均值拉開、方差縮小，便于將其歸類，易于渠系信息的提取，更使得渠系與背景（農(nóng)田、村鎮(zhèn)等）反差明顯。

（3）濾波處理：是去除每個地形物的區(qū)域性的平均高度，使得新地形物只呈現(xiàn)地物的高度差，應(yīng)用圖像中某些空間特征的信息進(jìn)行處理，改善目標(biāo)地物與其鄰域間像元的對比度關(guān)系。在怒江水資源的河流域分界線解譯過程中，為突出怒江、獨(dú)龍江和支流的特征，利用濾波處理圖像，改變河流邊、線上像素元點(diǎn)間的對比度，應(yīng)用不同頻率信息的相互抑制作用，使得怒江、獨(dú)龍江和支流的邊緣、線條、紋理、細(xì)節(jié)更加突出，肉眼能夠直接識別到怒江、獨(dú)龍江和支流的流域分界線，遙感圖像更容易解譯。

總之，根據(jù)不同解譯目標(biāo)和圖像范圍進(jìn)行不同的有針對性的圖像處理，使得怒江遙感圖像中的水資源信息更加豐富，提高了遙感圖像中水資源的解譯度，準(zhǔn)確度，縮短了解譯的時(shí)間。

2、遙感圖像的解譯過程

2．1 幾何校正

由于人們已習(xí)慣使用正射投影的地形圖，因此對各類遙感影像的畸變都必須以地形圖為基準(zhǔn)進(jìn)行幾何校正。幾何校正就是將圖像數(shù)據(jù)投影到平面上，使其符合地圖投影的過程，幾何校正最重要的是控制點(diǎn)的選取和確定控制點(diǎn)的數(shù)量。在遙感圖像和地形圖上分別選擇同名控制點(diǎn)，以建立圖像與地圖之間的投影關(guān)系，這些控制點(diǎn)應(yīng)該選在能明顯定位的地方，如河流交叉點(diǎn)等。其次建立整體映射函數(shù)，根據(jù)圖像的幾何畸變性質(zhì)及地面控制點(diǎn)的多少來確定校正數(shù)學(xué)模型，建立起圖像與地圖之間的空問變換關(guān)系。

在怒江水資源調(diào)查中，利用ERDAS IMAGINE 8．7系統(tǒng)提供了幾何校正方法：幾何校正計(jì)算模型選多項(xiàng)式變換Polynomial，在調(diào)用過程中多項(xiàng)式的次方數(shù)Order選擇為3，即需要10個控制點(diǎn)，然后設(shè)置其它相應(yīng)參數(shù)。確定檢查點(diǎn)誤差，當(dāng)所有檢查點(diǎn)誤差均小于一個象元時(shí)就可以進(jìn)行重采樣。以怒江州地形圖作為大地參考坐標(biāo)，結(jié)合野外采點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用地圖采點(diǎn)模式，通過鍵盤輸入坐標(biāo)數(shù)據(jù)；在地圖上選點(diǎn)后借助數(shù)字化儀來采集控制點(diǎn)坐標(biāo)（如圖1）。

選擇控制點(diǎn)時(shí)主要遵循了以下原則：第一，控制點(diǎn)盡可能均勻的分布到怒江遙感圖像的重疊區(qū)域內(nèi)；第二，盡可能地選擇線條輪廓比較清晰地物的交叉點(diǎn)或拐點(diǎn)作為控制點(diǎn)，如怒江的河流、湖泊、公路、鐵路等線條比較明顯的地物；第三，開始三個控制點(diǎn)的選擇一定要十分的精確，從第四個點(diǎn)開始，系統(tǒng)會根據(jù)已經(jīng)接受的幾何校正控制點(diǎn)（CeometricCorrection Point，GCP）自動計(jì)算此點(diǎn)的位置，并顯示在兩幅待鑲嵌的圖像上和GCP編輯欄中由于肉眼識別能力有限，GCP的選擇會有一定的誤差，誤差大小控制在1個像元（30 m）以內(nèi)，對于誤差大于1個像元的GCP則需進(jìn)行調(diào)整，直至其小于1個像元。

2．2 無縫鑲嵌

當(dāng)影像圖是包含兩景以上的衛(wèi)星圖像時(shí)，必須對圖像進(jìn)行數(shù)字鑲嵌，以獲取制圖范圍內(nèi)的完整圖像。本文所采用的是數(shù)據(jù)為1的多景遙感的圖像，所以利用ERDAS IMAG-INE 8．7系統(tǒng)，先對每一景圖像進(jìn)行幾何校正，使其歸于統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，然后運(yùn)用系統(tǒng)中鑲嵌工具，對每景圖像進(jìn)行裁剪，去掉重疊部分，再將兩景裁剪后的圖像經(jīng)幾何匹配拼接起來。圖像鑲嵌時(shí)要以具有足夠的幾何精度，沒有明顯的幾何錯位現(xiàn)象為原則。圖像無縫鑲嵌結(jié)束后，所得圖像縫隙不明顯，圖像圖面色調(diào)均勻，水資源色調(diào)保持了一致，信息豐富；鑲嵌后圖像的質(zhì)量大為提高，為后期解譯工作創(chuàng)造良好的條件。

2．3 外業(yè)踏查

外業(yè)踏查樣點(diǎn)定位采用怒江地形圖結(jié)合GPS定位進(jìn)行，并拍攝每點(diǎn)的地面實(shí)況照片。外業(yè)踏查路線主要根據(jù)交通、代表性和輔助材料等因素來設(shè)置，在該研究區(qū)中共設(shè)置了1條外業(yè)踏查線路，主要是沿怒江峽谷進(jìn)行。同時(shí)建立判讀標(biāo)志，判讀標(biāo)志是遙感圖像上能直接反映和判別地物信息的影像特征，包括外觀形狀、形狀大小、顏色、紋理、圖案、位置和布局。踏查完路線后，即時(shí)進(jìn)行室內(nèi)判讀分析，對各類影像特征應(yīng)依不同時(shí)間、不同環(huán)境、不同地理位置和不同數(shù)據(jù)分別建立判讀標(biāo)志。

2．4 水域解譯與提取

水域解譯過程如圖2。

遙感圖像的初步解譯階段，水資源較自然地理環(huán)境中的其它地形物，具有低反射率和強(qiáng)烈吸收紅外波譜的特性，因而在遙感衛(wèi)星影像上，特征較為明星，詳細(xì)地表物解譯結(jié)果如表1所示。

在初步解譯中，從遙感圖像中讀取不同地物（河流、植被、城市等）各波段的灰度值，對同種地物同種波段的采樣點(diǎn)作平均值統(tǒng)計(jì)，采用波譜間關(guān)系法分析不同地物在各個波段的相對關(guān)系，便于水資源的計(jì)算機(jī)解譯。

在不同地物光譜特征曲線解譯過程中，應(yīng)該遵循一個原則：先易后難，即先找主要河流后支流，先找1級干流后2級支流（依此類推）的順序進(jìn)行。初步解譯階段在遙感圖像中先找的怒江、獨(dú)龍江等主要河流，再從圖像中找到了瀘水線的老窩河、貢山縣的迪麻洛河等支流，初步解譯階段除了能解譯河流外，還能解譯水利工程中的大、中、小水庫、堤防、攔河閘、渠系等分布狀況。

在初步解譯和野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，為確保解譯標(biāo)志、光譜曲線的準(zhǔn)確性、一致性，核查解譯成果的可靠性，調(diào)查疑難目標(biāo)的真實(shí)性，在怒江峽谷進(jìn)行野外調(diào)查檢驗(yàn)工作，對疑難和代表性河段及流域分界線進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，進(jìn)一步完善修改解譯成果。最好選擇不同季節(jié)進(jìn)行了怒江峽谷范圍的野外調(diào)查、光譜觀測和驗(yàn)證工作，遵循一個原則：即整個解譯過程是“解譯-驗(yàn)證-再解譯”的反復(fù)過程，此項(xiàng)工作一直貫穿解譯工作的全過程，才能保證解譯結(jié)果的精確可靠。

本次怒江峽谷水資源遙感調(diào)查工作，主要解譯了怒江河流形態(tài)、141條支流水系分布、流域分界線以及水庫、堤防、灌區(qū)、渠系、攔河閘等水利工程，計(jì)算了怒江和獨(dú)龍江干流長度及流域面積，怒江干流長316公里，獨(dú)龍江干流長80公里，完成了怒江地表水資源量的計(jì)算，并對水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀進(jìn)行了監(jiān)測，提出了合理開發(fā)利用與保護(hù)水資源的對策和建議。

3、總結(jié)和討論

利用遙感技術(shù)、先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等綜合的高新技術(shù)調(diào)查水資源能夠快速完成調(diào)查，使調(diào)查準(zhǔn)確精度好，同時(shí)可節(jié)省大量時(shí)間、成本、人力、物力，完成了傳統(tǒng)方法難以完成的任務(wù)。本次研究的遙感解譯一自動量測-成圖全過程均在計(jì)算機(jī)上完成，避免了傳統(tǒng)方法沖擴(kuò)衛(wèi)星圖片、解譯、手繪、測量、成圖過程中的各種誤差，另外針對不同地物進(jìn)行不同的解譯方法設(shè)計(jì)，圖像解譯方法采取了計(jì)算機(jī)自動解譯法和目視判讀法并用、遙感解譯和怒江水資源資料結(jié)合、室內(nèi)解譯與怒江野外實(shí)地調(diào)查結(jié)合的方法，既體現(xiàn)了技術(shù)上的先進(jìn)性，又具有實(shí)用性，提高了解譯精度，使圖像精度和效率大幅提高，為怒江水資源調(diào)查提供了技術(shù)支持。并帶來了直接經(jīng)濟(jì)效益。

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