遙感技術在洪澇監測中的應用

陳德清

陳德清，水利部信息中心數據中心副主任，教授級高工。主要從事水利遙感應用、水利信息系統設計與建設等研究。參與完成了高分辨率重大專項（民用部分）水利業務應用示范系統、國家防汛抗旱指揮系統、國家水資源監控能力監測項目等國家重點科技專項、國家重點工程、水利部以及省級以上項目50余項，出版專著5部，發表論文20余篇，獲省部級二等獎以上獎勵10次。

我國地域廣闊、自然條件復雜、洪澇災害發生頻度高，損失嚴重。雖然我國已建立了比較完善的地面監測和災情統計體系，建立了上下聯通的信息傳輸網絡，但由于地面監測網絡的覆蓋程度不夠，不能很好地滿足應急指揮調度和精細化管理要求，因而衛星遙感技術的應用成為對常規手段的必要補充。通過衛星遙感手段可填補無地面監測站點的空白區的覆蓋，并且通過遙感衛星對地面的掃描式全面地表信息采集，實現監測站點無法實現的對洪水范圍、淹沒面積、淹沒水深和影響評價等要素的監測，補充地面監測站的信息種類和范圍。

衛星遙感數據資源及業務需求

（一）衛星數據資源

目前我國已經基本形成由低、中、高分辨率，光學和雷達多種類型載荷組成的衛星體系（圖1），可用于洪澇遙感監測應用。其中靜止軌道衛星高分四號，一天數次對地進行觀測，空間分辨率達50米，主要對水體動態以及地表植被狀況進行觀測。中等分辨率的陸地資源衛星，幾天到十幾天對關注地區觀測一次，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星，需要數十天重復觀測一次，可完成對地表對象的詳查和大尺度的地表要素觀測。洪澇遙感監測主要衛星數據源見表1。

（二）洪澇監測業務需求

衛星遙感具有覆蓋面廣、時效性強等特點，與地面監測站網數據的融合使用，能有效提升防汛工作的科學決策能力，提升突發水事件應急處置能力，支撐水利常規業務工作。通過遙感技術手段快速定位災害發生位置，提取洪澇范圍，分析淹沒水量和水深，評估和預測洪澇對耕地、居民地、城鎮、公路、鐵路和工礦企業的影響，估計受災人口、受淹房屋數量等。通過水利遙感數據處理與服務平臺，完成多源數據的采集、快速處理、信息快速提取、融合分析和專題產品快速生產。實現對洪澇事件的快速響應、持續監測、及時上報和深入分析。衛星遙感洪澇監測業務需求如圖2所示。

圖1 對地觀測衛星用于洪澇監測

表1 洪澇遙感監測主要衛星數據源

圖2 衛星遙感洪澇監測業務需求

圖3 洪澇水體提取技術流程圖

洪澇水體快速提取

（一）洪澇水體提取

遙感影像是衛星上裝載的傳感器對地表掃描采集的電磁波數據，在洪澇災監測業務中需要將這些影像數據快速轉換為水體范圍等業務信息。處理過程應盡量減少人的干預，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，主要應用光學影像，在陰雨有云覆蓋條件下，主要采用可穿透云雨的雷達影像數據。

圖4 2013年黑龍江大洪水肇興鎮堤防潰口淹沒區和退水區分布圖

光學影像中水體的影像特征明確，邊界清晰，精度高。光學影像提取的方法很多，如單波段閾值法、比值法、植被指數法、水體指數法和面向對象法等。經過實際應用，采用自適應的水體指數閾值分割方法進行水體快速提取效果較好。雷達數據具有穿透云雨，可以全天候工作的特點，但是雷達數據會受地形影響，對于山區會將陰影誤判為水體。應用雷達數據進行水體提取，一般同時需要同時加載地形數據作為輔助數據。洪澇水體提取技術流程如圖3所示。

（二）洪水淹沒區和退水區的區分

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

圖5 江西省鄱陽縣向紅聯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：一種是將發生洪澇災害后的影像提取的水體，與洪澇災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，根據用水防護設施，如堤防，以及事先劃定的本底水體做對比。這兩種方法對比，第二種方法在業務上更準確，但是需要事先做好基礎數據的準備。圖5為2016年6月22日發生的江西省鄱陽縣向紅聯圩堤潰決形成的淹沒范圍，該淹沒范圍靠近河道一側，是以堤防為邊界。

（二）洪澇要素提取

應用遙感影像的空間信息，可以利用地理信息系統工具的測量功能，量取水面寬度、水面長度等數量，這些數據對于搶險救災和洪水預測預報具有意義。結合地形數據，可以估算淹沒水量、淹沒水深等數據，如果堤防發生潰決還可以量算潰口寬度等重要數據。洪水淹沒范圍和專題要素提取技術流程如圖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、受災程度評估和經濟損失評估，見圖8。

影響評估主要估計淹沒范圍內的居民地（縣城、鄉鎮、村莊）、房屋、人口、耕地、交通線等受災體的數量及空間分布狀況。受災程度評估則計算不同損失程度受災體的數量及空間分布狀況。而經濟損失評估則以貨幣形式來表達損失值的大小。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系見圖9。

針對洪澇遙感監測特點，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測，是洪澇發生過程中的最主要的工作。進一步可以運用空間模型對洪澇期間的基于河道斷面的洪水預報結果進行拓展，根據水位預報，預報對應的淹沒區，基于精細地形數據對超大水體和河道外洪水水量估算，根據預報的淹沒范圍，預報村莊、房屋、交通線、耕地等淹沒標的物，運用疊置分析方法，實時統計洪水范圍內承災體的信息統計。2014年云南魯甸地震影響評價分析如圖10所示。

圖10 2014年云南魯甸地震影響評價分析示意圖（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

總結與展望

衛星遙感技術可以應用于洪澇災情的監測和評估，其主要優勢表現在其對災害發生區域進行大范圍掃描，有利于第一時間對災害事件進行響應，特別是災害發生范圍大、交通不便的情況下，衛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、受災體影響評估等多種要素，這些要素豐富了應急指揮決策的信息資源，也填補了地面監測無法獲取的空白信息。

在災害發生期間，災區往往是多云、降雨天氣，光學遙感衛星受限于天氣的影響，難以獲取高質量的遙感影像；而雷達成像則不受天氣影響，可以在應急響應中發揮更加重要的作用。在深度分析中，迫切需要高精度的基礎地形數據用于計算庫容曲線、堰塞體高程、堰塞湖水位等信息，但目前可以獲取的地形數據精度距離業務需求還有較大差距。另外可靠的本底數據，如災區的居民地和房屋分布、人口分布、道路等基礎設施分布數據也是進行洪澇遙感監測分析的有效保障。在高時效衛星遙感和高精度的基礎本底數據的支持下，遙感技術在洪澇監測評估和應急指揮工作中將發揮越來越大的作用。