土壤水分遙感監測的工程技術應用案例

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土壤水分遙感監測的工程技術應用案例水文地質調查和評價在鐵路、公路、水利、工程建設等行業具有重要作用，隨着國外和艱險山區鐵路項目明顯增多，在這些地區進行水文地質調查存在諸多問題，如井泉調查困難，容易產生遺漏；取樣點有限，不能反映區域整體特徵，很難進行水文地質單元分區；單次調查結果，很難反映水文地質的動態變化情況；工程項目如鐵路沿線井泉、斷頭河、地下水溢出帶等水體的識別僅靠踏勘完成，耗費大量人力，且很多區域無法到達，傳統預測湧水量的方法難以全面反映其複雜的地質環境，準確率低。

目錄

一、應用場景

水文地質調查和評價在鐵路、公路、水利、工程建設等行業具有重要作用，隨着國外和艱險山區鐵路項目明顯增多，在這些地區進行水文地質調查存在諸多問題，如井泉調查困難，容易產生遺漏；取樣點有限，不能反映區域整體特徵，很難進行水文地質單元分區；單次調查結果，很難反映水文地質的動態變化情況；工程項目如鐵路沿線井泉、斷頭河、地下水溢出帶等水體的識別僅靠踏勘完成，耗費大量人力，且很多區域無法到達，傳統預測湧水量的方法難以全面反映其複雜的地質環境，準確率低。面對鐵路勘察工作標準升高、周期縮短、人力資源成本變大等形勢，亟需新的技術手段彌補傳統水文地質勘察工作的不足。該技術於2018年至2020年間，應用於川藏、汕汕、廣清永等新建鐵路的水文地質勘察項目中，進行水文地質特徵的識別，大幅降低了水文地質調查工作物化投入和對環境的影響。

二、主要解決的問題

本技術基於定量遙感技術實現了土壤含水量大面積估算，根據土壤含水量的結果，進行水文地質特徵的識別，提高了地下水溢出帶、斷頭河等水體遙感識別精度，解決了隧道湧水量預測精度低的難題。

三、技術要點

1、前期調查在調查項目區或研究區域通過隨機布設樣點的方法，設置臨時樣地，用GPS記錄樣地坐標，並採集表層土壤樣品，進行土壤含水量、土壤地質以及水文地質特徵以及地物反射光譜等信息的調查和採集工作。

2、遙感數據的準備獲取項目區全覆蓋的高光譜遙感數據、高空間分辨率遙感數據、並對其進行輻射定標、大氣校正、幾何校正等必要預處理。如若沒有滿足條件的衛星數據，可以採用無人機搭載傳感器的形式進行現場採集項目區必須遙感數據。

3、建立土壤含水量遙感定量反演模型基於非線性機器學習算法的定量遙感土壤含水量反演技術，創新性提出了一種基於高斯誤差激活函數的前饋神經網絡，構建了多源遙感數據的土壤含水量非線性估算模型，實現了大面積土壤含水量遙感反演。

4、基於含水量異常的水文要素特徵篩查根據遙感反演的土壤含水量空間分布特徵，篩選土壤含水量異常區域，並結合高空間分辨率遙感數據進行水文地質特徵的識別和判斷。確定井泉、地下水溢出帶、暗河出入口等信息。

5、現場勘查校驗將通過遙感和GIS相結合採集的水文地質特徵點建立調查數據集，並結合野外調查，核實水文地質特徵，實現井泉、地下水溢出帶、暗河出入口等水文地質特徵的快速診斷，為工程的順利開展提供科學可靠的數據基礎。

四、應用成效

該技術成功應用於川藏、汕汕、廣清永等新建鐵路的水文地質勘察項目中，2018年—2020年間，共計完成水文地質遙感解譯、隧道富水評價和湧水預測共計56000km2，單就節約勘察工作量和節約工作效率測算，節約物化投入1120萬元，經濟效益及社會效益顯著。

以大張鐵路大梁山隧道為例，大梁山隧道穿越大同盆地東北部陰山山系大梁山，總長度為13395米。基於定量遙感及數值模擬等技術手段，劃分了隧址區水文邊界，確定了地下水類型，綜合考慮了地形地貌、地質構造、氣象水文等因素的影響。分析大梁山隧道無需進行改線，亦不需進行防止水庫滲漏相關設計，目前大梁山隧道採用該結論，未發生水庫滲漏災害。根據初步估算，大梁山隧道節省投資約500萬元。

社會效益分析：

1.縮短勘察周期效益：在地形、地質複雜的山區進行水文地質勘察，需耗費大量的人力物力，勘察周期長，成本高，複雜地區人力無法到達。定量遙感及三維遙感技術實現了井泉等小型水體的識別，實現了大面積土壤含水量遙感反演，大幅降低水文地質調查工作物化投入，提高工作效率，縮短勘察周期。

2.提高勘察質量效益：本技術創新提出的一種基於高斯誤差激活函數的前饋神經網絡，構建了多源遙感數據的土壤含水量非線性估算模型，提高了預測精度。構建了基於遙感與GIS技術的隧道富水程度評價系統，提高了隧道富水程度分區評價準確率，實現了裂隙水和岩溶水隧道湧水定量預測，提升了水文地質勘察質量。

四、適用範圍

適宜在工程水文地質調查中使用，特別是大型鐵路、公路等施工中水文地質調查過程中的大面積推廣，目前已經在川藏、汕汕、廣清、雄新等新建鐵路的水文地質勘察項目中得到推廣應用。此外，該技術也適用於地表土壤含水量的相關的墒情、作物長勢等資源監測與調查研究應用中。