基于遙感技術(shù)的公路洪水災(zāi)害監(jiān)測研究

范鑫東，任東風(fēng)，耿 晶

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測繪與地理科學(xué)學(xué)院，阜新 123000；2.北京理工大學(xué)計算機學(xué)院，北京 100081）

0 引言

遙感技術(shù)是20世紀60年代興起的高科技探測技術(shù)，其根據(jù)電磁波理論，利用雷達衛(wèi)星等硬件設(shè)備，通過傳感儀器對遠距離目標所輻射、反射的電磁波信息進行采集、處理、成像，這一技術(shù)應(yīng)用對地面、水面、景物有探測與識別功能。目前，雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集和處理已實現(xiàn)24小時響應(yīng)，一次成像獲取面積可達到10，000平方千米[1]，不僅有利于地圖測繪的更新?lián)Q代，也被納入國家或地區(qū)自然災(zāi)害應(yīng)急機制，輔助救災(zāi)、救援、防災(zāi)等高效開展。近年來，遙感技術(shù)應(yīng)用于公路洪水災(zāi)害監(jiān)測，已經(jīng)從理論研究層面邁入較為成熟的技術(shù)應(yīng)用層面。2003年交通部發(fā)布的《關(guān)于加強公路沿線地質(zhì)災(zāi)害防治工作的緊急通知（交公路發(fā)[2003]191號）》強調(diào)：采用航測、遙感等綜合勘察設(shè)計手段開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與評價工作，其中容易發(fā)生洪水的山區(qū)、低洼平原的公路是遙感監(jiān)測的重點，下文主要針對公路洪水災(zāi)害，特別是對大流域低洼平原的公路應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測洪災(zāi)進行探討。

1 公路洪水災(zāi)害的類型及影響

洪水是由于暴雨、融雪（冰）、潰壩等因素引起的水位上漲、水量劇增的自然現(xiàn)象，而洪水災(zāi)害是指洪水現(xiàn)象造成的損失[2]。洪水是因自然災(zāi)害引起的，因此，其類型也可以主要根據(jù)自然災(zāi)害成因來劃分。

1.1 暴雨洪災(zāi)

暴雨洪災(zāi)，俗稱雨洪，是由于強降雨引起的，如在雨季大范圍地區(qū)短期內(nèi)降雨達到數(shù)十毫米，導(dǎo)致江河湖泊水位暴漲，導(dǎo)致附近低洼地被洪水淹沒。暴雨洪災(zāi)不僅會淹沒低洼地區(qū)的公路，也會造成巨大經(jīng)濟損失，甚至?xí){人的生命安全。例如，2016年8月29日至9月1日，圖們江流域普降大暴雨，該流域中上游發(fā)生超百年一遇的大洪水，致使沿江各縣（市）遭受巨大洪澇災(zāi)害[3]。

1.2 冰凌洪災(zāi)

冰凌洪災(zāi)，又被稱為凌汛、冰排，在我國集中發(fā)生于北方地區(qū)，如黃河流域、黑龍江流域、松花江流域等，是由于初春時期氣候回暖，區(qū)域內(nèi)大量的冰雪開始融化，并且從河流上游向下游漂移，在地勢低洼河床地段形成冰塞或冰壩，而引發(fā)洪水泛濫。冰凌洪災(zāi)對公路的危害與雨洪相似，即淹沒低洼地區(qū)的公路，造成交通中斷為主。例如，2010年4月19日，松花江哈爾濱段出現(xiàn)凌汛預(yù)警，當(dāng)?shù)卣捎帽品绞绞柰ń?，避免洪水對城市、交通造成危害?/p>

1.3 山洪洪災(zāi)

山洪洪災(zāi)，是我國山區(qū)常見的自然災(zāi)害，主要是由于山區(qū)持續(xù)強降雨，山谷溪溝的水量聚集并且夾帶泥沙、石塊，向低處快速移動，具有強大的沖刷力、破壞力，有時呈現(xiàn)為泥石流、山體坍方等形態(tài)。山區(qū)公路在山洪暴發(fā)后，基本上會被沖毀，并且常規(guī)的監(jiān)測手段難以及時發(fā)現(xiàn)，不能被快速救援、修復(fù)。

1.4 臺風(fēng)洪災(zāi)

臺風(fēng)洪災(zāi)是由強風(fēng)和強降雨構(gòu)成，多發(fā)生在沿海、近海區(qū)域，其對城鄉(xiāng)地區(qū)都有一定的摧毀性破壞。例如，2018年8月末，受臺風(fēng)“摩羯”“溫比亞”的疊加影響，山東濰坊地區(qū)遭受歷史罕見洪災(zāi)，很多公路被淹沒或沖毀，并且造成9人開車途中溺亡。

2 公路洪水災(zāi)害風(fēng)險評價指標

當(dāng)前，基于遙感技術(shù)的風(fēng)險評價指標體系更加細化，但應(yīng)用于公路系統(tǒng)的風(fēng)險評價指標建設(shè)，是根據(jù)公路洪水災(zāi)害的特點和致災(zāi)機理[4]，主要有三個方面。

2.1 沿河公路水毀風(fēng)險評價指標

根據(jù)公路洪水危害影響因素和沿河公路的水毀特點[5]，選取風(fēng)險評價指標，包括日平均降雨量、降雨天數(shù)、地表切割密度、河網(wǎng)密度、季節(jié)性凌汛等。一是區(qū)域日降雨量大于等于50 mm 是大暴雨，連續(xù)降多日降大暴雨，要利于雷達衛(wèi)星重點監(jiān)測；二是地形低洼的沿河公路，尤其是城市重點公路、高速公路，在雨季、凌汛期需加強監(jiān)測；三是河流密集的區(qū)域，河水徑流量大，也需要利用遙感技術(shù)重點監(jiān)測，河流密度的計算公式為：

A=1/B

式中，A 代表河流密度（km/km2）；n 代表水系總長度（km）；B 代表區(qū)域內(nèi)總面積（km2）。依據(jù)計算結(jié)果劃分風(fēng)險等級。

2.2 平原公路水淹風(fēng)險評價指標

在海拔低、河網(wǎng)密集的平原地區(qū)，日降雨量大于等于25 mm，連續(xù)多日降大暴雨、地形坡度、河流分布等對公路安全有重大影響。在降雨、地形坡度、河網(wǎng)密度指標與公路洪水災(zāi)害風(fēng)險等級的關(guān)系中（如表1所示），海拔在100 m 以下、河網(wǎng)密集且地形坡度小于20°，公路被洪水淹沒的風(fēng)險會越來越高。

表1 平原地區(qū)公路水淹風(fēng)險評價指標

2.3 山區(qū)公路塌方風(fēng)險評價指標

2006年10月，國務(wù)院批復(fù)《全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃報告》，這是中國第一部由國務(wù)院多部門聯(lián)合組織編制完成的防治山洪災(zāi)害的專項規(guī)劃，對山洪風(fēng)險評估有指導(dǎo)意義。結(jié)合政策和洪水災(zāi)害的影響因素，建立山區(qū)公路的風(fēng)險評價指標（如表2所示），包括日降雨大于等于25 mm，地形坡度、巖土類型和植被覆蓋率等。其中，日降雨大于25 mm，脆弱路段風(fēng)險系數(shù)高；坡度對坡面徑流量影響較大[6]，公路因洪水沖刷而塌方的風(fēng)險增加。

表2 山區(qū)公路塌方風(fēng)險評價指標

3 遙感技術(shù)在公路洪水災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測汛期流域災(zāi)情

20世紀70年代，美國利用陸地衛(wèi)星獲取遙感資料應(yīng)對密西西比河洪水泛濫，對災(zāi)情預(yù)報、監(jiān)測和救災(zāi)防災(zāi)上取得顯著成效。1983年，我國水利部遙感技術(shù)應(yīng)用中心利用地球資源衛(wèi)星的TM 影像調(diào)查三江平原凌汛洪水，成功獲得大范圍的水災(zāi)面積和河道變化信息；1984年，水利部又利用極軌氣象衛(wèi)星調(diào)查遼河洪水；1998年，嫩江－松花江流域發(fā)生歷史上罕見的特大洪水，在抗洪救災(zāi)中遙感技術(shù)應(yīng)用和地理信息系統(tǒng)發(fā)揮了檢測和評估的重大作用。從國家治理洪災(zāi)層面來看，遙感技術(shù)的應(yīng)用價值是有目共睹的，而應(yīng)用遙感技術(shù)對公路洪水災(zāi)害監(jiān)測還是一個新領(lǐng)域。我國“十一五”和“十二五”期間，在遙感技術(shù)領(lǐng)域取得了巨大成果，建成重大、特大自然災(zāi)害的“天–空–地–現(xiàn)場”遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)體系與平臺，交通管理部門在汛期利用遙感技術(shù)進行監(jiān)測，對保障公路暢通具有廣闊的發(fā)展前景。

3.2 應(yīng)用雷達衛(wèi)星攝像獲取洪水災(zāi)害數(shù)據(jù)

遙感在公路洪水災(zāi)害的應(yīng)用是一門新興技術(shù)，它具有視野寬闊、數(shù)據(jù)采集客觀和及時等特點，已成為大范圍、快速獲取和掌握公路災(zāi)情信息一種新的手段[7]。我國長江中下游平原、東北松嫩平原、華北黃淮平原都是海拔低、地勢平坦、河流密集的區(qū)域，以前氣象衛(wèi)星、雷達衛(wèi)星等先進檢測技術(shù)主要是為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)的，隨著我國商業(yè)發(fā)展，公路經(jīng)濟動脈的作用日趨突顯。在公路洪水災(zāi)害上應(yīng)用遙感技術(shù)，可以獲取平原地區(qū)被水淹沒的面積，預(yù)測公路中斷情況。雷達衛(wèi)星的監(jiān)測范圍廣泛，通過對整個河流流域的全面監(jiān)測，獲取降水量、徑流量等數(shù)據(jù)信息，結(jié)合平原公路水淹風(fēng)險評價指標，當(dāng)洪水達到預(yù)警值時，可以及時采取救援、救災(zāi)的應(yīng)急措施。另外，針對山區(qū)公路因山洪而塌方的風(fēng)險，可以結(jié)合山區(qū)公路塌方風(fēng)險評價指標，利用遙感技術(shù)獲取的資料來進行分析處理。例如，2007 年意大利開發(fā)出COSMO-SkyMed 星座，它由4顆X 波段合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星組成，是一種軍民兩用觀測系統(tǒng)，能夠提供分辨率高達1 m 的雷達數(shù)據(jù)，具有全球范圍、全天候、全天時的對地觀測能力。該系統(tǒng)也有科學(xué)與商業(yè)用途，為平原、山區(qū)的公路洪水災(zāi)害的預(yù)警和監(jiān)測提供服務(wù)，是全球遙感技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的重點。

4 結(jié)束語

洪澇災(zāi)害具有突發(fā)性強、危害性大、持續(xù)時間短等特征[8]，遙感技術(shù)綜合了衛(wèi)星、雷達、物理、數(shù)學(xué)、地質(zhì)、氣象、環(huán)境、互聯(lián)網(wǎng)等多學(xué)科的知識，具有宏觀、綜合、動態(tài)、快速等特點。在公路洪水災(zāi)害中應(yīng)用遙感技術(shù)，提高了洪水災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)防、救災(zāi)、救援的效率，節(jié)約了成本投入和減少管理難度。在當(dāng)今信息時代，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等開發(fā)出更加先進的技術(shù)應(yīng)用模型和管理軟件，是未來遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個重要方向。