一、概述在過(guò)去的三四十年間，遙感技術(shù)得到了迅速發(fā)展?？臻g對(duì)地觀測(cè)技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于許多地球科學(xué)領(lǐng)域。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)這一新技術(shù)感興趣的科學(xué)家們會(huì)迅速將其應(yīng)用到實(shí)際工作中。以衛(wèi)星資料為基礎(chǔ)確定土地覆蓋和土地利用類型是從事遙感專業(yè)的地理學(xué)家們的基本工作。地貌學(xué)家現(xiàn)在利用衛(wèi)星觀測(cè)獲得地質(zhì)結(jié)構(gòu)資料，而海洋學(xué)家也可以根據(jù)色彩和波型對(duì)許多海洋參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和解釋。已經(jīng)多次進(jìn)行衛(wèi)星發(fā)射對(duì)水循環(huán)中的不同環(huán)節(jié)進(jìn)行研究?？梢岳眯l(wèi)星觀測(cè)大氣中的水蒸汽、云層覆蓋和大的開(kāi)放水體的水位或者冰蓋的分布范圍和地形等，這只是衛(wèi)星觀測(cè)中的一部分內(nèi)容。水文地質(zhì)學(xué)家對(duì)這一技術(shù)的利用相對(duì)較晚，這在很大程度上是因?yàn)樗麄兏信d趣的對(duì)象是隱藏在地表以下的。大部分衛(wèi)星傳感器探測(cè)的物體發(fā)射和反射電磁波頻率只能穿透地球內(nèi)部幾厘米。因此，通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)不能直接對(duì)地下水進(jìn)行測(cè)量。但是，最近的情況有所改觀，通過(guò)精確測(cè)量重力的變化情況，可以直接獲得關(guān)于地下水儲(chǔ)存量變化的相關(guān)資料（Tapley等，2004）。不過(guò)，隨著將衛(wèi)星探測(cè)儀器和遙感觀測(cè)技術(shù)以及水文地質(zhì)學(xué)聯(lián)系起來(lái)的模型的新近發(fā)展，衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)正在回答水文地質(zhì)學(xué)中的一些重要的問(wèn)題。地表可能會(huì)阻礙衛(wèi)星觀測(cè)，但它也是水文地質(zhì)過(guò)程中的一個(gè)重要邊界。了解地表和地下的相互作用是水文地質(zhì)學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。利用物理模型評(píng)價(jià)水資源管理中地下水的利用情況，一般都需要詳細(xì)而完整的地表參數(shù)資料，以限制邊界條件，如蒸發(fā)蒸騰等。目前，區(qū)域和大范圍內(nèi)日益完善的水文地質(zhì)模型的出現(xiàn)已經(jīng)使得利用遙感數(shù)據(jù)創(chuàng)建邊界條件變的切實(shí)可行。衛(wèi)星覆蓋范圍的增加和分辨率的提高使得這些水文地質(zhì)模型更加切合實(shí)際情況，這也為了解水文地質(zhì)系統(tǒng)的非均質(zhì)性提供了新的視角。土地覆蓋、地表水體或河網(wǎng)的分布范圍和動(dòng)態(tài)變化的專題地圖目前通常都來(lái)源于衛(wèi)星圖像（Prigent等，2001；Schultz和Engman，2000）。土壤濕度是地表水熱通量建模中一個(gè)重要的變量，現(xiàn)在可以通過(guò)無(wú)源微波儀器進(jìn)行大陸和區(qū)域范圍內(nèi)的測(cè)量（Jackson等，1999）；一些研究表明，對(duì)于植被稀疏區(qū)，有源雷達(dá)系統(tǒng)能以更好的空間分辨率提供合理的評(píng)價(jià)（Oldak等，2003）。利用衛(wèi)星資料可以識(shí)別數(shù)字高程模型（DEM）中分水嶺和流域邊界的位置（Rabus等，2003）。另外，高分辨率的地形觀測(cè)或用于地貌制圖的其它衛(wèi)星.觀測(cè)經(jīng)?？梢蕴綔y(cè)出能將地下水盆地細(xì)分的斷層（Butler和Walsh，1998）。在干旱地區(qū)，衛(wèi)星雷達(dá)信號(hào)可以穿透地面一定深度，某些地下特征甚至可以直接成像（Elachi等，1984；Robinson等，1999）。當(dāng)物理模型被應(yīng)用于地下時(shí)，可以通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)獲得更多的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)。根據(jù)遙感圖指示的植被變化，可以推斷水位的變化情況。根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)資料可以評(píng)價(jià)土壤濕度（Hajnsek等，2003；Nolan等，2003）和溫度、灌溉面積或農(nóng)作物類型圖的空間變化等（Schultz和Engman，2000），還可以減少蒸發(fā)蒸騰量評(píng)價(jià)的不確定性。盡管根據(jù)衛(wèi)星資料確定土壤濕度最多可以指示土壤頂部幾厘米的變化情況，但是利用按照時(shí)間序列觀測(cè)的資料可以模擬較大深度內(nèi)土壤濕度的變化。目前比較受關(guān)注的另一項(xiàng)技術(shù)是利用干涉測(cè)量合成孔徑雷達(dá)（InSAR）對(duì)含水層系統(tǒng)壓實(shí)造成的地面沉降進(jìn)行填圖（Galloway等，1998）。隨著這項(xiàng)技術(shù)的成熟以及更多觀測(cè)資料的利用，可以實(shí)現(xiàn)從空間和時(shí)間尺度上來(lái)監(jiān)測(cè)地面位移（Bawden等，2001；Amelung等，1999）。將這些方法與水頭變化的地面觀測(cè)技術(shù)相結(jié)合，可以確定儲(chǔ)存參數(shù)（Hoffmann等，2001，2003a）。盡管InSAR技術(shù)已用來(lái)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，但它在水文地質(zhì)、地形或水資源研究中的應(yīng)用潛力仍有待于進(jìn)一步挖掘（Smith，2002）。二、加強(qiáng)學(xué)科間的交流水文地質(zhì)領(lǐng)域中衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展面臨的主要障礙，是儀器開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的研究機(jī)構(gòu)與水文地質(zhì)學(xué)的研究機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)獨(dú)立。水文地質(zhì)學(xué)家可能沒(méi)有意識(shí)到現(xiàn)有的手段或已獲取的數(shù)據(jù)在水文地質(zhì)工作中具有潛在的實(shí)用性；另一方面，開(kāi)發(fā)新傳感器的工程師和技術(shù)人員一般不知道他們研制的儀器有助于解決水文地質(zhì)問(wèn)題?；诘孛娴膫鞲衅髦饕轻槍?duì)特定目的和需要而設(shè)計(jì)的，而衛(wèi)星傳感器通常具有多用途。在選擇最佳方案以及針對(duì)某一問(wèn)題對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯時(shí)，有必要跨越傳統(tǒng)學(xué)科的邊界，進(jìn)行緊密協(xié)作。隨著遙感數(shù)據(jù)在水文地質(zhì)中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越多的研究人員具有分析遙感數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)，并借助這些數(shù)據(jù)解決他們?cè)谒牡刭|(zhì)工作中遇到的問(wèn)題。毫無(wú)疑問(wèn)，這些技術(shù)的發(fā)展將會(huì)促進(jìn)衛(wèi)星資料在水文地質(zhì)中應(yīng)用潛力和創(chuàng)新性應(yīng)用的研究。三、衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展自1972年開(kāi)始用Landsat-1進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)以來(lái)，關(guān)于下一代傳感器的發(fā)展方向有兩種不同的思路?；驹瓌t之一是保證遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的連續(xù)性，之二是提供新類型的數(shù)據(jù)和信息以開(kāi)發(fā)新的研究方法。前者需要的傳感器與早期的傳感器比較相似，理想情況是這些傳感器可以運(yùn)行很長(zhǎng)一段時(shí)間。后者需要的儀器明顯不同，或者至少衛(wèi)星的運(yùn)行軌道和發(fā)射操作是不同的。上面兩種方法都得到了一定程度的發(fā)展。并為其應(yīng)用提供了基礎(chǔ)的儀器設(shè)備，如陸地衛(wèi)星掃描輻射計(jì)，包括早期的多光譜掃描器（MSS）和后來(lái)的專題制圖儀（TM）、增強(qiáng)型專題制圖儀（ETM），30多年來(lái)這些都一直在應(yīng)用，只做過(guò)很少的改進(jìn)。同時(shí)，其它試驗(yàn)的傳感器也在不同的波段得到了應(yīng)用。另外，空間分辨率在逐漸提高，即使是普通的光學(xué)傳感器，如IKONOS或Quickbird（具有四個(gè)波段的輻射計(jì)）現(xiàn)在的空間分辨率也都小于1m，在早期只有機(jī)載光學(xué)傳感器才能達(dá)到這樣的分辨率。新型雷達(dá)成像衛(wèi)星也有著相似的發(fā)展趨勢(shì)，最成功的合成孔徑雷達(dá)（SAR）傳感器（與ERS（ESREC，1995）上配置的傳感器相似）與雷達(dá)衛(wèi)星和環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（歐洲航天局，2001）都有著5～20m的地面分辨率，并工作在C波段。環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星-高級(jí)合成孔徑雷達(dá)（Enviasat-ASAR）可以以不同的極化和視角獲取數(shù)據(jù)，因此更為通用。如日本的ALOSPALSAR或德國(guó)的TerraSAR-X上的儀器，可以被完全極化并以新的頻率提供觀測(cè)數(shù)據(jù)（分別是L和X波段）。了解和監(jiān)測(cè)全球水文循環(huán)意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，促進(jìn)了土壤濕度測(cè)量專項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。歐洲航天局（以下簡(jiǎn)稱ESA）計(jì)劃在2007年發(fā)射能夠測(cè)量土壤濕度和海水含鹽量的衛(wèi)星—SMOS，它使用一種成像輻射計(jì)測(cè)量地表的亮度溫度。這一溫度可以用來(lái)判斷大多數(shù)地表的土壤濕度。這樣，SMOS將以35km的分辨率每隔三天就提供全球土壤濕度的評(píng)價(jià)。美國(guó)航空航天局（簡(jiǎn)稱NASA）計(jì)劃于2009年執(zhí)行HYDROS發(fā)射任務(wù)，衛(wèi)星將攜帶一個(gè)分辨率大約為40km用以測(cè)量亮度溫度的輻射計(jì)和L波段雷達(dá)系統(tǒng)，據(jù)此可以獲得10km空間分辨率的土壤濕度衛(wèi)星產(chǎn)品。衛(wèi)星傳感器的用途日益廣泛，德國(guó)宇航局（DLR）與美國(guó)航空航天局（NASA）共同研制的的GRACE衛(wèi)星就是一個(gè)極好的例子。GRACE是第一顆用以監(jiān)測(cè)地球重力場(chǎng)的衛(wèi)星，自運(yùn)行以來(lái)不僅提供了覆蓋全球而且精度極高的重力場(chǎng)衛(wèi)星圖，而且目前仍可以監(jiān)測(cè)重力場(chǎng)的微小變化。這些變化可能與許多時(shí)間變化過(guò)程有關(guān)，例如地球和海洋洋流，大氣水、地表水以及地下水的循環(huán)運(yùn)動(dòng)等（Rodell和Famiglietti，1999）?？梢杂玫厍蛭锢砟Ｐ蛠?lái)校正受這些因素影響的重力觀測(cè)。校正信號(hào)可以以400km的空間分辨率解釋陸地水儲(chǔ)存量的變化（Tapley等，2004；Thompson等，2004；Wahr等，2004）。盡管這種測(cè)量的空間分辨率很低，但是這種新方法為從流域尺度上研究地下水系統(tǒng)帶來(lái)了新契機(jī)，而且也有助于提高對(duì)全球水循環(huán)的認(rèn)識(shí)。GRACE甚至還可以在大尺度內(nèi)進(jìn)行水資源評(píng)價(jià)。四、遙感技術(shù)在水文地質(zhì)學(xué)中的發(fā)展前景衛(wèi)星遙感技術(shù)過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的發(fā)展，對(duì)水文地質(zhì)研究和應(yīng)用的影響表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。首先，衛(wèi)星觀測(cè)更精確地刻畫(huà)了地表特征，有助于進(jìn)行水文地質(zhì)研究，特別是從區(qū)域到全球尺度上的應(yīng)用研究得益于新型的調(diào)查和服務(wù)。SMOS和HYDROS衛(wèi)星將會(huì)對(duì)較大尺度上的水文地質(zhì)研究產(chǎn)生巨大的影響。大范圍的土壤濕度第一次從空間上并以較短的時(shí)間間隔得到觀測(cè)?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的理論模型最終要利用這些觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。其次，衛(wèi)星技術(shù)使建立更為復(fù)雜的水文地質(zhì)模型成為可能。較好的應(yīng)用實(shí)例就是DEM、土壤濕度和地面沉降，它們都得益于衛(wèi)星觀測(cè)對(duì)地表特征的刻畫(huà)。以衛(wèi)星資料為基礎(chǔ)的DEM，其實(shí)用性，地形信息的準(zhǔn)確性和詳細(xì)性已經(jīng)有了顯著的提高?，F(xiàn)在，出色的空間分辨率會(huì)逐漸提供更小尺度上的地形信息。這為濕地或泛濫平原的研究創(chuàng)造了新機(jī)遇。工作在L波段的InSAR測(cè)量方法已被用來(lái)測(cè)量大區(qū)域內(nèi)的水位動(dòng)態(tài)變化，如亞馬遜河流域（Alsdorf和Lettenmaier，2003）或美國(guó)的佛羅里達(dá)濕地（Wdowinski等，2004）。對(duì)裸地進(jìn)行觀測(cè)有時(shí)有助于這一描繪。在干旱區(qū)，特別是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的SAR傳感器可以監(jiān)測(cè)地表以下超過(guò)1米的地質(zhì)特征。這些特征可能與斷層或古河道有關(guān)，據(jù)此可以確定以前未能識(shí)別出的水資源（Robinson，2002）。最近幾年來(lái)，衛(wèi)星測(cè)量土壤濕度的技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。在較大的尺度范圍（幾十千米）內(nèi)，SMOS和HYDROS輻射計(jì)能很快提供精確而頻繁的測(cè)量。為了獲得能夠應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、洪澇和火災(zāi)減災(zāi)方面的更為詳細(xì)的信息，提出了幾種方法以便從SAR資料中獲取土壤濕度信息。一種方法是將反向散射強(qiáng)度與土壤濕度聯(lián)系起來(lái)，建立不同的模型（Dubois等，1995；Fung等，1992；Oh等，1992），另幾種方法則嘗試使用偏振信號(hào)（Hajnsek等，2003）或干涉測(cè)量法（Gabriel等，1989；Nolan和Fatland，2003）。無(wú)論是采用哪一種技術(shù)，都可以獲得可靠的高分辨率的土壤濕度信息，通過(guò)空間和時(shí)間上的詳細(xì)觀測(cè)最終可以解決一些目前具有爭(zhēng)議的帶有不確定性的問(wèn)題。如上文提及的一些傳感器，可以提供詳細(xì)的時(shí)空觀測(cè)資料，從而支持模型在定量和校正方面的發(fā)展。例如，較好的觀測(cè)資料可以確定區(qū)域地下水流動(dòng)模型的邊界條件，能夠減小水均衡預(yù)算中的不確定性，從而提高預(yù)測(cè)能力。衛(wèi)星測(cè)量方法對(duì)水文地質(zhì)模型的發(fā)展產(chǎn)生的影響是不可估量的。與水文地質(zhì)調(diào)查相關(guān)的其它地表參數(shù)，包括鹽化、凍結(jié)/解凍狀態(tài)和溫度等，將來(lái)也可以根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)資料獲得。促進(jìn)水文地質(zhì)發(fā)展的另一種遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品就是利用InSAR進(jìn)行地面形變監(jiān)測(cè)，這使得水文地質(zhì)學(xué)家再次對(duì)含水層的力學(xué)機(jī)制產(chǎn)生興趣。一些研究已經(jīng)證明，地面形變與地下水開(kāi)發(fā)之間具有密切的關(guān)系，并且可以從空間上進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量（如Galloway等，1998；Hoffmann等，2001；Watson等，2002）。根據(jù)地球物理模型可以求解水文地質(zhì)參數(shù)，如儲(chǔ)水系數(shù)（Hoffmann等，2003a），這一參數(shù)能夠改進(jìn)地下水流動(dòng)和含水層壓實(shí)模型。在某些地區(qū)，地面沉降已經(jīng)成為限制地下水開(kāi)發(fā)的因素之一，同時(shí)也是地下水管理比較關(guān)注的問(wèn)題（Wilson和Gorelick，1996）。監(jiān)測(cè)和模擬技術(shù)的提高，有助于優(yōu)化管理方法。根據(jù)詳細(xì)的衛(wèi)星地圖獲得的其它參數(shù)，也有助于改進(jìn)地質(zhì)力學(xué)模型，促進(jìn)對(duì)含水層壓實(shí)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。例如，與沉積物壓實(shí)有關(guān)的地面水平變形，通常都被忽略了（例如Hoffmann等，2003b）。一些研究者認(rèn)為這樣可能會(huì)造成解譯的偏差（Burbey，2001）。目前，還沒(méi)有將含水層系統(tǒng)的基本性質(zhì)與形變觀測(cè)聯(lián)系起來(lái)的成熟的理論模型，因?yàn)槿詿o(wú)法得到能約束其它模型參數(shù)的形變觀測(cè)資料?？梢詫?duì)將來(lái)的一些發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。雖然一些自然因素最終會(huì)影響從衛(wèi)星上獲取地表和地下條件的信息，但是技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)不斷提高遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的數(shù)量、質(zhì)量和多樣性。光學(xué)傳感器的高分辨率和多頻率觀測(cè)會(huì)越來(lái)越普遍；雷達(dá)傳感器將會(huì)獲得完全極化的圖像。這些觀測(cè)方法對(duì)產(chǎn)生新認(rèn)識(shí)和促進(jìn)實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的意義。將會(huì)越來(lái)越普及的“高水平”的數(shù)據(jù)產(chǎn)品有助于促進(jìn)這些新認(rèn)識(shí)和新應(yīng)用。所謂“高水平”數(shù)據(jù)產(chǎn)品，是指從一次或多次衛(wèi)星觀測(cè)中得到的信息層。這些信息由空間機(jī)構(gòu)和國(guó)家數(shù)據(jù)中心進(jìn)行發(fā)布。這就使得科學(xué)家們能夠?qū)Ｗ⒂谧约褐饕难芯款I(lǐng)域，只需利用衛(wèi)星觀測(cè)資料即可，而無(wú)需關(guān)注許多細(xì)節(jié)問(wèn)題，例如如何從原始信號(hào)中獲取土壤濕度或地面沉降信息。這一進(jìn)步使得衛(wèi)星數(shù)據(jù)得以更加廣泛的應(yīng)用，同時(shí)更多的科學(xué)家能夠使用這些數(shù)據(jù)，尤其是那些從事應(yīng)用科學(xué)研究的科學(xué)家們。例如，針對(duì)大區(qū)域的不同觀測(cè)結(jié)果，對(duì)支持地下水管理實(shí)踐已經(jīng)是非常必要的了。隨著應(yīng)用手段和模型越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)于更高分辨率的空間觀測(cè)的需求也在逐漸增加。水文地質(zhì)學(xué)家最為關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題就是未來(lái)地下水資源的貧乏。優(yōu)化利用、可持續(xù)管理和解決不同用戶或國(guó)家在地下水資源共享中的利益沖突，是今后幾十年內(nèi)科學(xué)家和政治家面臨的主要挑戰(zhàn)。前文已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了衛(wèi)星遙感技術(shù)在建立地下水流動(dòng)模型中的重要性，而衛(wèi)星遙感技術(shù)在協(xié)議執(zhí)行時(shí)同樣也具有重要意義。例如，限制地下水開(kāi)采量的協(xié)議可能要通過(guò)監(jiān)測(cè)沉降量或灌溉面積、農(nóng)作物類型才能得以執(zhí)行。類似的方法也可以在全國(guó)范圍內(nèi)加以采用，執(zhí)行限制地下水開(kāi)采量的協(xié)議，以保護(hù)水資源。除了目前這些現(xiàn)有的發(fā)展之外，衛(wèi)星遙感技術(shù)還有其他一些尚未發(fā)現(xiàn)的用途。新的觀測(cè)技術(shù)帶來(lái)了令人興奮的新發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了許多在以前認(rèn)為是根本不可能的發(fā)展。SAR