遙感技術(shù)在洪澇監(jiān)測中的應(yīng)用

陳德清

陳德清，水利部信息中心數(shù)據(jù)中心副主任，教授級高工。主要從事水利遙感應(yīng)用、水利信息系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)等研究。參與完成了高分辨率重大專項（民用部分）水利業(yè)務(wù)應(yīng)用示范系統(tǒng)、國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)、國家水資源監(jiān)控能力監(jiān)測項目等國家重點(diǎn)科技專項、國家重點(diǎn)工程、水利部以及省級以上項目50余項，出版專著5部，發(fā)表論文20余篇，獲省部級二等獎以上獎勵10次。

我國地域廣闊、自然條件復(fù)雜、洪澇災(zāi)害發(fā)生頻度高，損失嚴(yán)重。雖然我國已建立了比較完善的地面監(jiān)測和災(zāi)情統(tǒng)計體系，建立了上下聯(lián)通的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，但由于地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的覆蓋程度不夠，不能很好地滿足應(yīng)急指揮調(diào)度和精細(xì)化管理要求，因而衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用成為對常規(guī)手段的必要補(bǔ)充。通過衛(wèi)星遙感手段可填補(bǔ)無地面監(jiān)測站點(diǎn)的空白區(qū)的覆蓋，并且通過遙感衛(wèi)星對地面的掃描式全面地表信息采集，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測站點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)的對洪水范圍、淹沒面積、淹沒水深和影響評價等要素的監(jiān)測，補(bǔ)充地面監(jiān)測站的信息種類和范圍。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)資源及業(yè)務(wù)需求

（一）衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源

目前我國已經(jīng)基本形成由低、中、高分辨率，光學(xué)和雷達(dá)多種類型載荷組成的衛(wèi)星體系（圖1），可用于洪澇遙感監(jiān)測應(yīng)用。其中靜止軌道衛(wèi)星高分四號，一天數(shù)次對地進(jìn)行觀測，空間分辨率達(dá)50米，主要對水體動態(tài)以及地表植被狀況進(jìn)行觀測。中等分辨率的陸地資源衛(wèi)星，幾天到十幾天對關(guān)注地區(qū)觀測一次，空間分辨率從幾米到幾十米，主要解決對資源的普查和地表要素的觀測與反演問題。通過高分辨率觀測衛(wèi)星，需要數(shù)十天重復(fù)觀測一次，可完成對地表對象的詳查和大尺度的地表要素觀測。洪澇遙感監(jiān)測主要衛(wèi)星數(shù)據(jù)源見表1。

（二）洪澇監(jiān)測業(yè)務(wù)需求

衛(wèi)星遙感具有覆蓋面廣、時效性強(qiáng)等特點(diǎn)，與地面監(jiān)測站網(wǎng)數(shù)據(jù)的融合使用，能有效提升防汛工作的科學(xué)決策能力，提升突發(fā)水事件應(yīng)急處置能力，支撐水利常規(guī)業(yè)務(wù)工作。通過遙感技術(shù)手段快速定位災(zāi)害發(fā)生位置，提取洪澇范圍，分析淹沒水量和水深，評估和預(yù)測洪澇對耕地、居民地、城鎮(zhèn)、公路、鐵路和工礦企業(yè)的影響，估計受災(zāi)人口、受淹房屋數(shù)量等。通過水利遙感數(shù)據(jù)處理與服務(wù)平臺，完成多源數(shù)據(jù)的采集、快速處理、信息快速提取、融合分析和專題產(chǎn)品快速生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)對洪澇事件的快速響應(yīng)、持續(xù)監(jiān)測、及時上報和深入分析。衛(wèi)星遙感洪澇監(jiān)測業(yè)務(wù)需求如圖2所示。

圖1 對地觀測衛(wèi)星用于洪澇監(jiān)測

表1 洪澇遙感監(jiān)測主要衛(wèi)星數(shù)據(jù)源

圖2 衛(wèi)星遙感洪澇監(jiān)測業(yè)務(wù)需求

圖3 洪澇水體提取技術(shù)流程圖

洪澇水體快速提取

（一）洪澇水體提取

遙感影像是衛(wèi)星上裝載的傳感器對地表掃描采集的電磁波數(shù)據(jù)，在洪澇災(zāi)監(jiān)測業(yè)務(wù)中需要將這些影像數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換為水體范圍等業(yè)務(wù)信息。處理過程應(yīng)盡量減少人的干預(yù)，在確保精度的前提下提高處理速度，降低誤提錯提概率。在天氣晴好的條件下，主要應(yīng)用光學(xué)影像，在陰雨有云覆蓋條件下，主要采用可穿透云雨的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)。

圖4 2013年黑龍江大洪水肇興鎮(zhèn)堤防潰口淹沒區(qū)和退水區(qū)分布圖

光學(xué)影像中水體的影像特征明確，邊界清晰，精度高。光學(xué)影像提取的方法很多，如單波段閾值法、比值法、植被指數(shù)法、水體指數(shù)法和面向?qū)ο蠓ǖ取＝?jīng)過實(shí)際應(yīng)用，采用自適應(yīng)的水體指數(shù)閾值分割方法進(jìn)行水體快速提取效果較好。雷達(dá)數(shù)據(jù)具有穿透云雨，可以全天候工作的特點(diǎn)，但是雷達(dá)數(shù)據(jù)會受地形影響，對于山區(qū)會將陰影誤判為水體。應(yīng)用雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行水體提取，一般同時需要同時加載地形數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)。洪澇水體提取技術(shù)流程如圖3所示。

（二）洪水淹沒區(qū)和退水區(qū)的區(qū)分

對于洪澇監(jiān)測中還會遇到水勢漲落，即漲水和退水的區(qū)分問題。在連續(xù)監(jiān)測過程中，漲水形成淹沒范圍擴(kuò)大是單方向的，而在退水期，洪水回退，地表水面面積減少，但是在地表經(jīng)常還會存留一部分不連續(xù)的淺水和飽和土壤，而實(shí)際工作中需要將二者區(qū)分開來。2013年黑龍江大洪水肇興鎮(zhèn)堤防潰口淹沒區(qū)和退水區(qū)分布如圖4所示。

圖5 江西省鄱陽縣向紅聯(lián)圩堤潰決淹沒范圍圖（2016年6月22日）

洪澇范圍識別和要素提取

（一）洪澇范圍識別

針對遙感影像獲取的水體范圍，下一步需要做的就是洪澇范圍的識別。這方面主要解決的就是哪些是被水淹沒的，哪些原來就是水體范圍。處理方式主要有兩種：一種是將發(fā)生洪澇災(zāi)害后的影像提取的水體，與洪澇災(zāi)害前的遙感影像提取的水體做減法，獲取水體的變化部分。另一種，根據(jù)用水防護(hù)設(shè)施，如堤防，以及事先劃定的本底水體做對比。這兩種方法對比，第二種方法在業(yè)務(wù)上更準(zhǔn)確，但是需要事先做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。圖5為2016年6月22日發(fā)生的江西省鄱陽縣向紅聯(lián)圩堤潰決形成的淹沒范圍，該淹沒范圍靠近河道一側(cè)，是以堤防為邊界。

（二）洪澇要素提取

應(yīng)用遙感影像的空間信息，可以利用地理信息系統(tǒng)工具的測量功能，量取水面寬度、水面長度等數(shù)量，這些數(shù)據(jù)對于搶險救災(zāi)和洪水預(yù)測預(yù)報具有意義。結(jié)合地形數(shù)據(jù)，可以估算淹沒水量、淹沒水深等數(shù)據(jù)，如果堤防發(fā)生潰決還可以量算潰口寬度等重要數(shù)據(jù)。洪水淹沒范圍和專題要素提取技術(shù)流程如圖6所示。2013年黑龍江大洪水洪澇要素提取如圖7所示。

圖6 洪水淹沒范圍和專題要素提取技術(shù)流程圖

圖7 2013年黑龍江大洪水洪澇專題要素提取

圖8 洪澇評估的三個層次

圖9 多層次洪澇評估相互關(guān)系示意圖

洪澇影響評價分析

從洪澇影響評估的角度，洪澇的評估可以分為三個層次，即影響評估、受災(zāi)程度評估和經(jīng)濟(jì)損失評估，見圖8。

影響評估主要估計淹沒范圍內(nèi)的居民地（縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊）、房屋、人口、耕地、交通線等受災(zāi)體的數(shù)量及空間分布狀況。受災(zāi)程度評估則計算不同損失程度受災(zāi)體的數(shù)量及空間分布狀況。而經(jīng)濟(jì)損失評估則以貨幣形式來表達(dá)損失值的大小。不同評估層次的選擇主要依賴于資料狀況和評估時間要求。不同評估層次的相互關(guān)系見圖9。

針對洪澇遙感監(jiān)測特點(diǎn)，開展影響評估速度快，可以為決策支持部分快速提供信息的洪澇遙感監(jiān)測，是洪澇發(fā)生過程中的最主要的工作。進(jìn)一步可以運(yùn)用空間模型對洪澇期間的基于河道斷面的洪水預(yù)報結(jié)果進(jìn)行拓展，根據(jù)水位預(yù)報，預(yù)報對應(yīng)的淹沒區(qū)，基于精細(xì)地形數(shù)據(jù)對超大水體和河道外洪水水量估算，根據(jù)預(yù)報的淹沒范圍，預(yù)報村莊、房屋、交通線、耕地等淹沒標(biāo)的物，運(yùn)用疊置分析方法，實(shí)時統(tǒng)計洪水范圍內(nèi)承災(zāi)體的信息統(tǒng)計。2014年云南魯?shù)榈卣鹩绊懺u價分析如圖10所示。

圖10 2014年云南魯?shù)榈卣鹩绊懺u價分析示意圖（a ）遙感影像圖；（b）淹沒面積、容積回水分析；（c）最大影響范圍分析

總結(jié)與展望

衛(wèi)星遙感技術(shù)可以應(yīng)用于洪澇災(zāi)情的監(jiān)測和評估，其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在其對災(zāi)害發(fā)生區(qū)域進(jìn)行大范圍掃描，有利于第一時間對災(zāi)害事件進(jìn)行響應(yīng)，特別是災(zāi)害發(fā)生范圍大、交通不便的情況下，衛(wèi)星遙感幾乎是唯一的手段。通過遙感手段可以獲取洪澇水體范圍、淹沒范圍、淹沒水量水深、受災(zāi)體影響評估等多種要素，這些要素豐富了應(yīng)急指揮決策的信息資源，也填補(bǔ)了地面監(jiān)測無法獲取的空白信息。

在災(zāi)害發(fā)生期間，災(zāi)區(qū)往往是多云、降雨天氣，光學(xué)遙感衛(wèi)星受限于天氣的影響，難以獲取高質(zhì)量的遙感影像；而雷達(dá)成像則不受天氣影響，可以在應(yīng)急響應(yīng)中發(fā)揮更加重要的作用。在深度分析中，迫切需要高精度的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)用于計算庫容曲線、堰塞體高程、堰塞湖水位等信息，但目前可以獲取的地形數(shù)據(jù)精度距離業(yè)務(wù)需求還有較大差距。另外可靠的本底數(shù)據(jù)，如災(zāi)區(qū)的居民地和房屋分布、人口分布、道路等基礎(chǔ)設(shè)施分布數(shù)據(jù)也是進(jìn)行洪澇遙感監(jiān)測分析的有效保障。在高時效衛(wèi)星遙感和高精度的基礎(chǔ)本底數(shù)據(jù)的支持下，遙感技術(shù)在洪澇監(jiān)測評估和應(yīng)急指揮工作中將發(fā)揮越來越大的作用。