基于GIS和RS的蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展的技術(shù)路線

羅清元，劉麗娜，張成才

(1.河南省水文水資源局，河南 鄭州 450003；2.河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南 鄭州 450003；3.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001)

蓄滯洪區(qū)是江河防洪體系的重要組成部分[1-2]。我國(guó)蓄滯洪區(qū)的發(fā)展還存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：蓄滯洪區(qū)的建設(shè)滯后、配套工程不全、法規(guī)制度不完善，對(duì)區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)缺乏有效的管理與調(diào)節(jié)，區(qū)內(nèi)居民的生存環(huán)境、生產(chǎn)條件等有待提高。

針對(duì)蓄滯洪區(qū)存在的問(wèn)題，國(guó)家嘗試出臺(tái)和制定了一系列的政策進(jìn)行解決，一些專家也提出：“蓄滯洪區(qū)的土地管理，土地利用、開(kāi)發(fā)和各項(xiàng)建設(shè)必須符合防洪的要求，保證蓄洪滯洪容積，減少洪災(zāi)損失。要調(diào)整蓄滯洪區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，限制蓄滯洪區(qū)內(nèi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)活動(dòng)，鼓勵(lì)企業(yè)向低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)移或向外搬遷。要進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)內(nèi)的人口管理，適度控制區(qū)內(nèi)人口增長(zhǎng)?！钡炕?、系統(tǒng)化的研究較少。

本文從區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的角度，綜合經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源、人口、生態(tài)環(huán)境與防洪等多種重要因素，探尋蓄滯洪區(qū)在防洪風(fēng)險(xiǎn)下的合理利用方式，以解決蓄滯洪區(qū)安全運(yùn)用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等矛盾，實(shí)現(xiàn)蓄滯洪區(qū)各方面的和諧發(fā)展。通過(guò)研究建立一套適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)指標(biāo)體系來(lái)表征蓄滯洪區(qū)的和諧發(fā)展程度和蓄滯洪區(qū)現(xiàn)狀，進(jìn)而為蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展管理提供決策依據(jù)。

1 蓄滯洪區(qū)防洪和發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展就是要在協(xié)調(diào)防洪與區(qū)域經(jīng)濟(jì)之間尋找一種平衡發(fā)展。既能在發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，及時(shí)行蓄洪水，保護(hù)大局安全；又能在不啟用蓄滯洪區(qū)時(shí)發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)，改善群眾生活。蓄滯洪區(qū)的和諧發(fā)展涉及因素眾多，因此要從區(qū)域防洪安全與經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展的角度，針對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、生態(tài)環(huán)境、防洪這五類因素指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。對(duì)這些復(fù)雜因素進(jìn)行定量化研究，傳統(tǒng)的設(shè)備和手段很難滿足需要。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)能夠?qū)樗?jì)算模型、和諧發(fā)展模型、指標(biāo)評(píng)價(jià)體系中的基本要素進(jìn)行管理與分析，其較強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)管理能力，可以將以往的一維數(shù)據(jù)運(yùn)算擴(kuò)展為三維空間數(shù)據(jù)運(yùn)算，對(duì)蓄滯洪區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、人口分布、安全避水設(shè)施、居民撤退道路和土地利用等信息進(jìn)行有效的管理；通過(guò)地理信息系統(tǒng)的空間分析和模型功能，可以開(kāi)展居民撤退路線選擇、安全避水設(shè)施的合理性分析、洪水風(fēng)險(xiǎn)和保險(xiǎn)研究、洪水主流區(qū)的三維可視化等工作[3-4]。遙感(Remote Sensing，RS)技術(shù)具有快速、便捷、時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以定期(衛(wèi)星)和不定期(無(wú)人機(jī))進(jìn)行觀測(cè)，及時(shí)掌握地面的動(dòng)態(tài)信息，對(duì)蓄滯洪區(qū)的土地利用、工程建設(shè)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[5-6]。

采集的遙感影像、空間地理數(shù)據(jù)等信息，遙感技術(shù)和地面觀測(cè)站網(wǎng)獲取的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息，以及GIS支持下快速處理、系統(tǒng)分析、綜合評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將為蓄滯洪區(qū)的和諧發(fā)展研究提供有力的技術(shù)支持。

1.1 構(gòu)建基于GIS蓄滯洪區(qū)空間數(shù)據(jù)庫(kù)

利用RS技術(shù)對(duì)遙感影像進(jìn)行分析，獲取地面實(shí)況的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和研究區(qū)域統(tǒng)計(jì)資料獲取人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、防洪等信息，建立蓄滯洪區(qū)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)對(duì)蓄滯洪區(qū)內(nèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、生態(tài)環(huán)境和防洪信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析、顯示，并進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的可視化和空間分析(疊置分析、特征信息提取、居民最短撤退路線的選取等)等。蓄滯洪區(qū)的多種信息以GIS專題圖的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，如人口分布、避洪設(shè)施分布、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、道路、土地利用等專題圖，是蓄滯洪區(qū)分析研究的數(shù)據(jù)源。蓄滯洪區(qū)空間數(shù)據(jù)庫(kù)是指標(biāo)評(píng)價(jià)體系與和諧發(fā)展模型研究的數(shù)據(jù)源。

1.2 蓄滯洪區(qū)土地利用/覆被變化監(jiān)測(cè)

土地利用/覆被變化作為資源和生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要影響因素，利用遙感技術(shù)對(duì)蓄滯洪區(qū)土地利用/覆被變化(Land Use and Land Cover Chang，LUCC)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以各個(gè)時(shí)期不同分辨率的遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)遙感影像的提取和分析解譯，建立區(qū)域的土地利用/覆被遙感影像數(shù)據(jù)庫(kù)[7]。同時(shí)，使用GIS強(qiáng)大的空間分析功能，研究蓄滯洪區(qū)內(nèi)的人口分布、土地利用等監(jiān)測(cè)要素的變化情況[8]。

對(duì)蓄滯洪區(qū)內(nèi)的土地利用/覆被、避洪設(shè)施以及城鎮(zhèn)擴(kuò)展等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。采用不同時(shí)期、不同分辨率的遙感影像，首先進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的幾何校正，在校正時(shí)要注意地面控制點(diǎn)的選取，保證控制點(diǎn)的數(shù)目和精度的要求。然后采用最大似然和概率松弛相結(jié)合的分類方法，進(jìn)行專題信息提取。同時(shí)，應(yīng)用遙感影像的融合技術(shù)，將高分辨率遙感影像(如SPOT全色波段，2.5 m分辨率；IKONOS，1 m分辨率)與多光譜影像進(jìn)行融合，可以提供更加精準(zhǔn)的分析成果。依據(jù)不同地物對(duì)影像融合方法的敏感程度不同，來(lái)確定不同地物識(shí)別的影像融合方法。首先，應(yīng)用目前常用的幾種融合方式(如主成分分析法、HIS變換法、高通濾波法、Brovey變換法)；其次，對(duì)各種融合的影像進(jìn)行比較，通過(guò)提取各種地物相關(guān)參數(shù)，比較影像融合前后相關(guān)地物參數(shù)的變化，并對(duì)各種不同融合影像方法的地物判別精度進(jìn)行分析，確定地物識(shí)別方法，并融合影像。還要與實(shí)地調(diào)查資料相結(jié)合，抽取有調(diào)查資料的部分影像進(jìn)行對(duì)比分析，定量評(píng)價(jià)影像融合后數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度，必要時(shí)，改進(jìn)目前影像融合方法或研制新的影像融合方法。

應(yīng)用高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)土地利用/覆被進(jìn)行識(shí)別。依據(jù)不同地物具有不同波譜的特性，探索區(qū)分地物的方法，對(duì)土地覆蓋的高光譜影響進(jìn)行分類判別，進(jìn)而提高識(shí)別不同地物的精度。在高光譜遙感數(shù)據(jù)獲取上，搭載于美國(guó)EOS系列terra和aqua衛(wèi)星之上的MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜輻射計(jì))是一個(gè)重要的遙感傳感器，在我國(guó)有多個(gè)MODIS地面接收站，而且數(shù)據(jù)是共享的。MODIS有36個(gè)波段，覆蓋0.4～14.5μm的光譜范圍，具有探測(cè)大氣、云、水汽、臭氧、海洋、冰雪、陸地表面等的光譜特性[9]。其他高光譜遙感數(shù)據(jù)的獲取，從獲取方式和價(jià)格上有一定困難[10]。

1.3 研制蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展模型

以蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展復(fù)合系統(tǒng)為研究對(duì)象，在對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、生態(tài)環(huán)境和防洪進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展指標(biāo)體系。通過(guò)對(duì)致災(zāi)因子和承災(zāi)體的分析，研究蓄滯洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題；通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)土地利用情況和生態(tài)環(huán)境的分析，研究土地的承載能力；進(jìn)一步采用灰色系統(tǒng)和模糊數(shù)學(xué)理論，建立蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展模型。對(duì)蓄滯洪區(qū)和諧狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，明確蓄滯洪區(qū)內(nèi)的非和諧因素，通過(guò)參數(shù)的調(diào)整，使和諧發(fā)展模型目標(biāo)最大化。

2 蓄滯洪區(qū)防洪和發(fā)展研究路線

2.1 基于Geodatabase模型的蓄滯洪區(qū)空間數(shù)據(jù)庫(kù)

采用Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)作為GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)，因?yàn)樗捎昧嗣嫦驅(qū)ο蠹夹g(shù)，其對(duì)象類均由現(xiàn)實(shí)世界抽象而來(lái)，每個(gè)對(duì)象類有相關(guān)聯(lián)系，但又有各自的規(guī)則和屬性等特點(diǎn)。用戶可以依據(jù)現(xiàn)有的地理數(shù)據(jù)模型來(lái)擴(kuò)展符合自己需求的功能[11]。與其他數(shù)據(jù)庫(kù)相比，Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)在支持要素類之間的關(guān)聯(lián)、支持更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)等方面都有更大優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)蓄滯洪區(qū)多格式、巨量的數(shù)據(jù)，能夠更加便捷地存儲(chǔ)、快速地處理，還可以將這些數(shù)據(jù)的屬性有機(jī)地結(jié)合，這為蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展模型的分析與計(jì)算以及對(duì)不同數(shù)據(jù)格式的可視化提供了技術(shù)手段。

為保證蓄滯洪區(qū)數(shù)據(jù)的開(kāi)放性、一致性、安全性和標(biāo)準(zhǔn)化，還能滿足快速、高效空間分析和可視化的需要，采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML(Unified Model Language)和Case工具來(lái)建立Geodatabase模型。具體步驟是：①利用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML設(shè)計(jì)對(duì)象模型；②將模型輸出到知識(shí)庫(kù)；③使用ArcCatalog的Schema(方案)生成向?qū)ВM(jìn)而建立基于Geodatabase的蓄滯洪區(qū)空間數(shù)據(jù)庫(kù)[12]。利用這種方法的好處是，原來(lái)使用ARCGIS創(chuàng)建的地理信息系統(tǒng)專題圖層，也能夠便捷地導(dǎo)入蓄滯洪區(qū)空間數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 RS影像解譯的自動(dòng)化和智能化

在解譯遙感影像時(shí)采用最大似然和概率松弛相結(jié)合的監(jiān)督分類方法，來(lái)獲取蓄滯洪區(qū)內(nèi)不同時(shí)期的土地利用、城鎮(zhèn)、道路和避洪設(shè)施等的變化情況。采用遙感影像的融合技術(shù)，根據(jù)不同影像融合方法對(duì)不同地物的敏感性，確定不同地物判識(shí)的融合影像和方法。研究高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)與多光譜數(shù)據(jù)融合時(shí)，由于數(shù)據(jù)分辨率差別大，引起的光譜和地物特征缺失問(wèn)題，應(yīng)用分形理論，通過(guò)分形插值來(lái)獲取高分辨率多光譜影像[13]。借助于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析和人工智能等工具，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化和智能化的地物識(shí)別與提取系統(tǒng)。

2.3 RS與GIS的無(wú)縫集成

蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展模型的開(kāi)發(fā)是基于GIS平臺(tái)將遙感數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入模型中，作為模型的主要信息源。多時(shí)相、多種分辨率的影像經(jīng)過(guò)融合將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需應(yīng)用影像存儲(chǔ)的金字塔技術(shù)，解決海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索問(wèn)題。在RS與GIS集成時(shí)，采用無(wú)縫集成技術(shù)，將遙感影像數(shù)據(jù)存入GIS的影像庫(kù)中，在進(jìn)行影像的查詢檢索操作時(shí)，建立快速的索引機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)的安全和GIS空間分析的高效快速進(jìn)行。

2.4 蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展模型的建立

蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展模型應(yīng)包括經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源、人口、生態(tài)環(huán)境、防洪等子系統(tǒng)。為了讓各子系統(tǒng)在相互依存的基礎(chǔ)上和諧共發(fā)展，就必須先建立一套蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展指標(biāo)體系。這個(gè)指標(biāo)體系應(yīng)具有以下作用：首先，要能夠反映蓄滯洪區(qū)各個(gè)時(shí)期各子系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀；其次，要能夠反映蓄滯洪區(qū)各個(gè)時(shí)期不同要素的變化率和變化趨勢(shì)；最后，要能夠反映蓄滯洪區(qū)各方面發(fā)展的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)程度?；谶@些原則，采用自下而上的方法，建立蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。先設(shè)計(jì)單個(gè)因素的指標(biāo)，再把整個(gè)系統(tǒng)歸類為社會(huì)系統(tǒng)和自然系統(tǒng)兩類指標(biāo)，最后復(fù)合為蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)[14]。蓄滯洪區(qū)空間數(shù)據(jù)庫(kù)是建立蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)，所有數(shù)據(jù)(包括遙感數(shù)據(jù))都存放在該數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用GIS的空間分析和可視化功能，可以直觀、準(zhǔn)確地分析指標(biāo)體系的合理性[15]。

就和諧發(fā)展模型而言，由于評(píng)價(jià)指標(biāo)和子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)狀態(tài)的程度不明確，因此采用灰色系統(tǒng)方法進(jìn)行建模。系統(tǒng)分目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)體系層3個(gè)層次。目標(biāo)層，用來(lái)衡量蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展水平；準(zhǔn)則層，用于評(píng)價(jià)和諧發(fā)展?fàn)顟B(tài)；指標(biāo)體系層，反映5個(gè)子系統(tǒng)及其之間相互關(guān)系的指標(biāo)。通過(guò)和諧發(fā)展模型，對(duì)蓄滯洪區(qū)的和諧發(fā)展程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，研究技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 研究技術(shù)路線

3 結(jié) 語(yǔ)

蓄滯洪區(qū)的和諧發(fā)展涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、生態(tài)環(huán)境和防洪等眾多方面。近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)蓄滯洪區(qū)的發(fā)展已經(jīng)取得不少的研究成果，可持續(xù)發(fā)展與蓄滯洪區(qū)管理研究有了初步結(jié)合。但是對(duì)防洪減災(zāi)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等各方面關(guān)系的研究定性分析多，定量研究少；對(duì)蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展模型的研究目前還比較少。本文把GIS和RS等技術(shù)應(yīng)用到蓄滯洪區(qū)和諧發(fā)展研究中，提出了研究的主要內(nèi)容，設(shè)計(jì)了技術(shù)路線，為蓄滯洪區(qū)的科學(xué)管理和可持續(xù)發(fā)展提供一種思路，也為進(jìn)一步深入研究蓄滯洪區(qū)的和諧發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。