基于遙感與GIS的三峽庫區(qū)淹沒影響分析技術(shù)及應(yīng)用
——以2020年長江5號(hào)洪水為例

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430010）

1 研究背景

長江流域作為我國最大流域，自古以來就承受著頻繁而嚴(yán)重的洪災(zāi)威脅。三峽工程作為長江綜合防洪體系的骨干工程，隨著其建成并投入使用，長江流域防洪形勢得到顯著改善，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水應(yīng)對(duì)的主動(dòng)性和靈活性顯著增加［1］。然而對(duì)于破壞力強(qiáng)、超防御標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)準(zhǔn)洪水，其防御應(yīng)對(duì)措施相對(duì)有限。一旦發(fā)生流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水，帶來的經(jīng)濟(jì)損失將是巨大的。因此，快速準(zhǔn)確地預(yù)測并評(píng)估超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒帶來的影響，是防洪研究工作的重中之重。

傳統(tǒng)的洪水淹沒影響分析通常是基于水文水動(dòng)力學(xué)，通過模型計(jì)算推求淹沒范圍等相關(guān)指標(biāo)，但是這種方法無法直觀反映洪水淹沒造成的影響。近幾十年來，隨著遙感和GIS技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用被越來越多引入至洪水淹沒影響分析中，綜合利用地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)組織管理、統(tǒng)計(jì)分析功能，以及遙感遠(yuǎn)距離、大范圍、快速獲取監(jiān)測信息的技術(shù)優(yōu)勢，在實(shí)現(xiàn)洪災(zāi)影響分析可視化、立體化的同時(shí)，也極大提高了洪災(zāi)損失評(píng)估的精度。例如曲麗英［2］將GIS技術(shù)應(yīng)用于水庫潰壩經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估中，分析了其在潰壩淹沒區(qū)的空間分析作用。孫君等［3］研究了洪水水位高程和淹沒面積之間的關(guān)系，并基于GIS系統(tǒng)進(jìn)行了淹沒過程的三維模擬。徐韌等［4］探索了基于遙感與GIS技術(shù)開展望江縣20 a一遇洪水災(zāi)情評(píng)估的方法。劉偉康等［5］利用空間展布的方式將社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息數(shù)據(jù)空間化并完成了淹沒區(qū)域經(jīng)濟(jì)損失的預(yù)測。

然而由于超標(biāo)準(zhǔn)洪水突發(fā)性強(qiáng)且非常規(guī)，加之時(shí)空屬性復(fù)雜，國內(nèi)目前基于RS及GIS開展超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害淹沒影響分析的技術(shù)尚不成熟，還沒有一套完整的、實(shí)用的技術(shù)體系或技術(shù)方法被普遍采用和推廣。三峽庫區(qū)獨(dú)特的地形地勢，加上庫區(qū)發(fā)生的超標(biāo)準(zhǔn)洪水具有影響河道長、持續(xù)時(shí)間久等特點(diǎn)，常規(guī)的監(jiān)測及淹沒分析手段難以滿足應(yīng)急救災(zāi)的需求。

為了解決上述問題，本文在提出超標(biāo)準(zhǔn)洪水天空地協(xié)同監(jiān)測體系［6］的基礎(chǔ)上，開展了超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒指標(biāo)提取和淹沒影響分析研究，形成天空地一體化數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測指標(biāo)快速提取和淹沒影響分析的超標(biāo)準(zhǔn)洪水監(jiān)測全過程的技術(shù)體系，并針對(duì)2020年長江5號(hào)洪水，開展了天空地協(xié)同監(jiān)測、淹沒區(qū)預(yù)測、淹沒影響分析的技術(shù)應(yīng)用，可為三峽庫區(qū)超標(biāo)準(zhǔn)洪水的災(zāi)害監(jiān)測、指標(biāo)提取及淹沒影響分析提供技術(shù)支撐和應(yīng)用示范。

2 超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害淹沒影響分析研究

2.1 超標(biāo)準(zhǔn)洪水遙感監(jiān)測指標(biāo)提取

為了有效評(píng)估超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒影響，在綜合考慮洪災(zāi)的自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響等方面因素［7-8］的前提下，結(jié)合遙感監(jiān)測技術(shù)手段的實(shí)際情況，提出了圖1所示的超標(biāo)準(zhǔn)洪水遙感監(jiān)測指標(biāo)體系。超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害遙感監(jiān)測指標(biāo)分為洪水危險(xiǎn)性指標(biāo)和洪水影響指標(biāo)兩大類，針對(duì)這兩大類指標(biāo)，綜合運(yùn)用遙感和GIS手段實(shí)現(xiàn)快速提取，是超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒影響分析的前提。超標(biāo)準(zhǔn)洪水遙感監(jiān)測指標(biāo)提取技術(shù)流程見圖2。

圖1 超標(biāo)準(zhǔn)洪水遙感監(jiān)測指標(biāo)體系

2.1.1 超標(biāo)準(zhǔn)洪水危險(xiǎn)性指標(biāo)

根據(jù)洪澇災(zāi)害所反映的不同自然特征，超標(biāo)準(zhǔn)洪水危險(xiǎn)性指標(biāo)可分為空間特征指標(biāo)、時(shí)間特征指標(biāo)和嚴(yán)重程度特征指標(biāo)［9］。其中，空間特征指標(biāo)包括洪災(zāi)發(fā)生位置和淹沒范圍，時(shí)間特征指標(biāo)包括淹沒歷時(shí)和發(fā)展變化，嚴(yán)重程度特征指標(biāo)主要是指洪災(zāi)的淹沒水深。這些反映洪災(zāi)不同方面特征的指標(biāo)是洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測的對(duì)象，同時(shí)也是進(jìn)行影響評(píng)估的基礎(chǔ)。

（1）超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生的地理位置或區(qū)域。用經(jīng)緯度或平面坐標(biāo)、所屬行政區(qū)劃、所屬水系等形式表示。經(jīng)緯度或平面坐標(biāo)可從遙感影像上直接提取坐標(biāo)信息得到，所屬行政區(qū)劃、所屬水系等可通過與行政區(qū)域矢量、水系矢量疊加分析得到。監(jiān)測結(jié)果在遙感監(jiān)測背景圖上標(biāo)注洪災(zāi)發(fā)生位置。

（2）超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒范圍。根據(jù)洪災(zāi)發(fā)生的不同階段可分為淹沒前預(yù)測與淹沒后監(jiān)測。淹沒預(yù)測需要運(yùn)用水力學(xué)模型確定洪水發(fā)生時(shí)的最高水位［10］，在此基礎(chǔ)上結(jié)合研究區(qū)域的數(shù)字高程模型，基于空間分析提取淹沒范圍因子。淹沒后監(jiān)測是通過對(duì)比淹沒前后遙感影像水體范圍提取淹沒范圍，實(shí)際上是遙感影像變化檢測技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，可以通過分類后比較或光譜直接比較［11］兩種方法來實(shí)現(xiàn)。其中光譜直接比較法需要先對(duì)不同時(shí)相的遙感影像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)和輻射校正，再通過逐像元比較，提取變化區(qū)域，進(jìn)而得到洪水災(zāi)害淹沒范圍。

（3）超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒歷時(shí)。超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒歷時(shí)是反映洪水危險(xiǎn)性時(shí)間特征的重要指標(biāo)。在已知洪災(zāi)發(fā)生過程中水深序列值的前提下，通過定義臨界水深，將超過臨界水深的時(shí)間定義為淹沒歷時(shí)［12］。

（4）超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)展變化。采用遙感手段監(jiān)測超標(biāo)準(zhǔn)洪水影像范圍的變化、監(jiān)測淹沒水深等隨時(shí)間的變化，可以反映洪災(zāi)的發(fā)展變化，以洪澇災(zāi)害遙感水深變化監(jiān)測專題圖及淹沒范圍變化專題圖來綜合表達(dá)。

（5）超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒水深。洪水淹沒水深指受淹地區(qū)的積水深度，是評(píng)估洪水災(zāi)害損失的一個(gè)重要因子［13］。超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒水深計(jì)算以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，利用GIS空間分析功能，通過與淹沒范圍疊加來提取淹沒水深數(shù)據(jù)，即水深由淹沒區(qū)水面高程與地形共同決定。

2.1.2 超標(biāo)準(zhǔn)洪水影響指標(biāo)

超標(biāo)準(zhǔn)洪水影響指標(biāo)包括對(duì)受到洪水影響的社會(huì)經(jīng)濟(jì)載體、生態(tài)環(huán)境載體等的監(jiān)測。在洪災(zāi)發(fā)生過程中，洪水影響指標(biāo)提取是進(jìn)行災(zāi)害損失動(dòng)態(tài)評(píng)估和安排救災(zāi)、減災(zāi)方案的前提。

超標(biāo)準(zhǔn)洪水影響指標(biāo)的提取分為洪災(zāi)發(fā)生前的本底調(diào)查和洪災(zāi)發(fā)生中以及發(fā)生之后的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。其中，本底調(diào)查是洪災(zāi)影響指標(biāo)提取分析的基礎(chǔ)和依據(jù)［14］。如果本底數(shù)據(jù)庫的時(shí)效性滿足要求且數(shù)據(jù)內(nèi)容齊備，那么從遙感數(shù)據(jù)得到洪災(zāi)的淹沒范圍后，通過多個(gè)數(shù)據(jù)層的空間疊加分析即可快速獲取洪水影響指標(biāo)，即在對(duì)淹沒范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新的前提下，就可完成洪水影響指標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

洪水影響指標(biāo)的識(shí)別和提取方法，目前主要有目視解譯法和計(jì)算機(jī)圖像分類法［15］。目視解譯法精度高，但是耗時(shí)較長且需要專家經(jīng)驗(yàn)。圖像分類法包括監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，信息提取速度快，適合應(yīng)急情況下大范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)測指標(biāo)的提取。

圖2 超標(biāo)準(zhǔn)洪水遙感監(jiān)測指標(biāo)提取技術(shù)流程

2.2 超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒影響分析

超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害遙感監(jiān)測指標(biāo)提取完成之后，得到各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)的空間和屬性信息。超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒影響分析是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行淹沒影響區(qū)預(yù)測、淹沒指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，并分析淹沒預(yù)測的主要影響因素。淹沒影響區(qū)預(yù)測，即在監(jiān)測指標(biāo)提取中洪災(zāi)發(fā)生前淹沒范圍的提取。淹沒指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，是將淹沒范圍、各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)圖層和行政區(qū)圖層進(jìn)行空間疊加分析，統(tǒng)計(jì)各行政區(qū)內(nèi)的各項(xiàng)洪災(zāi)監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)，以圖表、專題圖的形式進(jìn)行表達(dá)與呈現(xiàn)［16］。淹沒影響因素分析是指對(duì)可能影響淹沒預(yù)測準(zhǔn)確性的相關(guān)因素進(jìn)行分析與明確，指導(dǎo)淹沒影響預(yù)測的調(diào)整與修正，為庫區(qū)超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急救災(zāi)提供更全面、精準(zhǔn)地?cái)?shù)據(jù)支撐。針對(duì)三峽庫區(qū)的實(shí)際情況，影響淹沒預(yù)測的因素主要有新建堤防工程、預(yù)測采用的地形與實(shí)際地形存在差異、預(yù)測采用的水位與實(shí)際水位存在差異等。超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒影響分析技術(shù)流程見圖3。

圖3 超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒影響分析技術(shù)流程

3 長江5號(hào)超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒影響分析

2020年8月中下旬，受強(qiáng)降雨影響，長江上游多流域多江段集中發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，8月17日，2020年長江第5號(hào)洪水在長江上游形成。為了掌握三峽庫區(qū)及其上游重慶地區(qū)洪水淹沒影響情況，對(duì)此次超標(biāo)準(zhǔn)洪水開展了淹沒影響分析。

3.1 超標(biāo)準(zhǔn)洪水天空地協(xié)同監(jiān)測

為了多維度掌握超標(biāo)準(zhǔn)洪水影響情況，基于天空地協(xié)同超標(biāo)準(zhǔn)洪水監(jiān)測體系架構(gòu)，對(duì)三峽庫區(qū)及上游重慶地區(qū)開展了天空地協(xié)同監(jiān)測，重點(diǎn)掌握庫區(qū)175 m土地征收線以上區(qū)域的受災(zāi)情況。

利用天基衛(wèi)星采集了庫區(qū)及上游重慶地區(qū)全覆蓋遙感影像，作為流域級(jí)洪災(zāi)影響分析的基礎(chǔ)。同時(shí)，采用低空無人機(jī)遙感技術(shù)開展重點(diǎn)監(jiān)測斷面區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。另外，配合地面測量手段完成淹沒水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)跟蹤采集，作為天基及空基監(jiān)測的補(bǔ)充。

3.2 淹沒影響區(qū)預(yù)測

在洪峰到達(dá)前，為了評(píng)估此次超標(biāo)準(zhǔn)洪水對(duì)土地征用線以上范圍的淹沒影響，基于一維水動(dòng)力學(xué)模型水面線計(jì)算成果和三峽庫區(qū)2008年1：10 000DEM數(shù)據(jù)，利用GIS空間分析技術(shù)，開展了洪峰對(duì)三峽庫區(qū)及上游重慶段的淹沒影響范圍分析，結(jié)果如圖4所示。預(yù)測此次洪水影響土地征用線以上范圍涉及重慶市的渝中區(qū)、江北區(qū)、南岸區(qū)、九龍坡區(qū)、大渡口區(qū)、江津區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū)、長壽區(qū)、涪陵區(qū)等10個(gè)區(qū)縣，面積共約15 km2。

3.3 監(jiān)測指標(biāo)提取及統(tǒng)計(jì)

圖4 長江5號(hào)洪水淹沒影響區(qū)域預(yù)測

此次超標(biāo)準(zhǔn)洪水的應(yīng)急重點(diǎn)監(jiān)測指標(biāo)包括實(shí)時(shí)淹沒水位、土地征用線以上淹沒范圍、淹沒面積、承災(zāi)體數(shù)量及面積等。利用洪災(zāi)發(fā)生前不久的覆蓋監(jiān)測區(qū)域的衛(wèi)星影像和洪災(zāi)現(xiàn)場無人機(jī)航飛采集的影像數(shù)據(jù)，采用人機(jī)交互方式勾繪出監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的房屋、耕地、水利設(shè)施、交通及林地草地等土地利用類型；淹沒水位采用RTK現(xiàn)場測量水陸邊界點(diǎn)高程值的方式獲取。

將淹沒范圍、土地利用類型圖層和行政區(qū)圖層進(jìn)行GIS空間疊加，統(tǒng)計(jì)各行政區(qū)內(nèi)的各項(xiàng)洪災(zāi)監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)，得到各區(qū)縣各類監(jiān)測指標(biāo)淹沒影響數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 各行政區(qū)各地類淹沒面積

3.4 淹沒影響因素分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測情況，預(yù)測淹沒影響與實(shí)際發(fā)生情況總體一致，部分區(qū)域差異較明顯，存在的差異主要受到以下幾個(gè)方面的影響。

（1）地形地貌變化的影響。實(shí)際地形與預(yù)測淹沒使用的地形狀況已發(fā)生變化，導(dǎo)致淹沒影響范圍改變。如圖6所示，2008年至今，該處經(jīng)歷明顯開挖，導(dǎo)致5號(hào)洪峰過境時(shí)淹沒面積增加。

（2）堤防工程建設(shè)的影響。沿江堤防或擋墻的修建，較為顯著地減少了淹沒影響，如圖7所示。

圖6 地形地貌變化影響（紅線為預(yù)測淹沒線）

圖7 堤防工程建設(shè)影響（紅線為預(yù)測淹沒線）

（3）實(shí)際水位與預(yù)測水位不一致的影響。實(shí)際水位高于預(yù)測水位，使得淹沒影響增大。在地形變化平緩、無堤防防護(hù)的區(qū)域尤為明顯，如圖8所示（該處實(shí)際水位183.50 m，預(yù)測水位181.84 m）。

圖8 預(yù)測水位與實(shí)際差別影響（紅線為預(yù)測淹沒線）

（4）土地征用線下建設(shè)影響。在現(xiàn)場監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域土地征用線下有成規(guī)模的工程建設(shè)，增加了淹沒損失影響，如圖9所示。

圖9 土地征用線下建設(shè)影響（黃線為土地征用線）

4 結(jié)語

本文以2020年長江5號(hào)洪水為案例，開展了基于遙感與GIS技術(shù)的三峽庫區(qū)淹沒影響分析技術(shù)研究，提出了超標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒影響分析技術(shù)，并在長江5號(hào)洪水中進(jìn)行了應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明：該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)洪水淹沒范圍較準(zhǔn)確的預(yù)測和淹沒指標(biāo)的快速提取，有效縮小了防災(zāi)救災(zāi)范圍，為制定搶險(xiǎn)救災(zāi)最佳方案提供了快速、準(zhǔn)確、直觀的數(shù)據(jù)支撐，提高了災(zāi)情應(yīng)急處理能力和效率。