格尔木河洪积扇前缘地下水水位随季节波动, 每年春季至秋季地表蒸发强烈, 地下水位下降, 10月底潜水水位下降至谷底; 冬季至次年春季地下水水位回升, 5月水位达到最高峰值^[3]。据此本研究选取2013年10月ZY1-02C影像, 此时该区地下水水位下降至最低, 泉点、泉集河及地下水浅埋区等水文地质现象的影像特征差异最明显。影像数据包括ZY1-02C卫星多光谱和全色数据, 云量均小于5%, 经过图像拼接、融合、几何校正和裁剪处理, 获得假彩色合成图(图2(a))。由于ZY1-02C卫星多光谱影像缺少蓝光波段, 无法直接合成真彩色影像。因此, 采用传统的3波段平均法仿真模拟新的蓝光波段, 然后利用新的蓝光波段合成模拟真彩色影像(图2(b))。

蓝光波段B₁模拟公式为^[9]

B₁=(R+G+NIR)/3 , (1)

式中G, R和NIR分别为原始绿光、红光和近红外波段DN值。

研究区彩色合成影像如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 研究区影像Fig.2 Images of study area

通过对比图3(a)和(b)可以发现, 真彩色仿真影像更加接近真实的地物色调, 图像层次对比明显, 提升了影像整体的可解译程度。

洪积扇前缘细土平原区地下水受到阻滞, 潜水涌出地表并补给河流, 形成泉集河, 下游地下水浅埋区受土壤毛细作用影响, 地下水蒸发强烈, 地表盐碱聚集, 土壤板结。利用遥感影像色调和纹理特征能够有效地解译泉点和泉集河位置, 圈画地下水浅埋区的范围。

2.2.1 泉点遥感解译标志

由于枯水期区域地下水位下降, 泉点出水量达到最小, 周边水面萎缩, 植被生长状态表现出空间差异性, 越靠近泉点或径流河道的植被生长越旺盛, 反之则植被长势越差, 地表盐碱化现象越明显。据此建立影像解译标志能够直接解译获取泉点信息。

1)细土平原中下部出露的泉点往往孤立出现, 泉口被茂盛的湿地植被覆盖, 向下湿地植被逐渐被盐碱化草地取代, 甚至出现“ 尖灭” 现象, 形成墨绿色、蝌蚪状图形特征, 如图3(a)所示。

2)洪积扇前缘出露泉点聚集, 形成地表径流向下游汇集成河流, 泉点周边、径流通道地表湿度高于周围天然草甸, 影像呈现暗绿色、黑色色调, 此时泉口往往位于暗色线性条纹的顶部, 如图3(b)所示。

3)分布在居民聚集区、旅游景区及人工开挖工程内, 无天然河流、人工水渠连接的水塘和湖塘, 往往有大型泉点出露, 经过人工改造建设形成宽大的水面, 如图3(c)所示。

图3

Fig.3

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	图3 泉点影像解译标志Fig.3 Interpretation marks of spring

2.2.2 泉集河遥感解译

为突出泉集河道的边缘信息细节, 选取研究区西北的泉集河密集出露地带作为实验区(图2(b)红色方框范围)。该处地下水溢出后汇集为地表径流, 溢出带表面往往泉沟密布, 自南向北汇集成泉集河, 由于泉沟和河道长期受到水流冲刷, 地势低洼, 地下水埋深浅或直接渗出, 即使在枯水期无地表径流的情况下, 植被长势亦明显优于河道两侧, 影像色调在河道边缘发生突变, 如图4(a)所示。解译过程中分别采用高斯高通滤波(图4(b))、拉普拉斯滤波(图4(c))和Sobel滤波(图4(d))方法对模拟真彩色影像进行卷积滤波处理, 增强河流边缘信息。

图4

Fig.4

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	图4 泉集河边缘信息提取Fig.4 Edge extraction of the spring set rivers

通过对图4对比发现, 高斯滤波结果中河道边界被背景噪声淹没; Sobel滤波处理结果中包含了过多的地物边界信息; 相比之下, 拉普拉斯滤波处理结果最为理想, 河道边界连续, 清晰可见。

2.2.3 地下水溢出带信息提取

在细土平原与洪积扇交界处地下水大量溢出, 发育湿地, 植被指数高, 地表有浅水分布, 在红光和近红外波段表现为强烈吸收特性; 细土平原中下部为浅埋区, 地下水水位不高于3 m, 进入5月后在强蒸发作用条件下, 地表盐分大量积累, 形成大片原生盐渍化土地, 地表呈现高反射特征。根据溢出带和浅埋区的地物波谱特征, 利用ZY1-02C影像计算归一化水体指数(normalized difference water index, NDWI)和归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI), 结合原始光谱波段建立分类数据组合, 采用最大似然分类方法提取溢出带、浅埋区地物图斑信息, 并综合泉点、泉集河的空间分布特征判译地下水溢出带、浅埋区的范围(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 地下水溢出带水文要素遥感解译结果Fig.5 Results of remote sensing interpretation in groundwater overflow area

通过与区域水文地质调查资料对比分析及野外实地调查发现, 泉点、泉集河解译位置及地下水溢出带、浅埋区的解译基本准确, 结果可靠。

1)泉群主要分布于扇前缘的人工绿洲区及天然湿地区南部, 溢出水量大; 在细土平原区中下部有零散孤立的泉点分布, 溢出量小, 部分泉口周边形成小片的盐沼。居民区的泉点基本已被改造利用为水塘、鱼塘或湖泊景观。

2)泉沟自地下水渗出点发育并向下游延伸, 串联途经的泉点, 最终汇集成泉集河, 将图像解译结果与1∶ 5万地理数据比对发现, 通过遥感解译获取的泉沟、河流脉络及集水范围更加清晰准确。

3)地下水溢出带、浅埋区解译结果与区域水文地质资料中地下水埋深趋势大致相当, 但局部溢出带和浅埋区被改造为人工绿洲, 影响了解译精度。