防汛抗旱中遙感技術的應用

劉 宇

(子澄建設工程有限公司，沈陽 11000)

0 引 言

遙感提供的技術支持和空間信息可為防汛抗旱工作提供科學依據，在水利工程及現代地球空間信息等領域的應用前景十分廣泛。遙感較常規的信息獲取手段具有數據更新速度快、更短的監測周期、更大的預測范圍及高精準度等優點，被越來越多的應用于水利行業。該技術可實現連續不間斷的動態監測，應用過程中不受惡劣天氣、災害及地域等條件限制。航天技術和空間信息提取方法的快速發展，在很大程度上推動了遙感技術的深入研究與廣泛應用，為提供多相位、多平臺、高分辨率的防汛抗旱動態監測提供了技術條件和重要基礎[1-3]。

1 防洪減災中遙感技術的應用

1.1 洪澇災害監測

1)洪澇災害監測。實質上對水域范圍的預測即為洪澇災害監測，而受淹面積為水體正常狀態下的覆蓋范圍與發生澇災時水域面積之差。遙感影像獲取水體的主要依據是水體反射率在可見光波段和紅外波段的變化規律，微波段后向反射少的電磁波由于水面鏡反射作用呈現出響應特征。全天候實時監測的微波影像、可見光影像主要用于洪災時水體和本底水體的提取，當前有亞米級、米級甚至幾百米級空間分辨率遙感衛星數據可供水體提取，應結合實際情況選擇合適的數據。實施監測中具有更高自主性的無人機航空遙感，在地面調查中的應用日趨廣泛。

按照不同的數據類型可將遙感提取水體的方法分為雷達影像和光學影像兩大類，其中決策樹法、光譜主成分分析、光譜特征變異法、差值法、水體指數法、閾值法及各種方法的組合為光學影像水體信息和識別的常用方法，也有研究報道了目視直接判斷、考慮云層去除水體提取法、色度判別法等其它方法。因不受晝夜、云霧等條件限制，雷達遙感技術提取水體的方法現已廣泛應用于洪災監測領域。隨著國產數據源和遙感影像的日趨完善，使得洪水災害的全過程監測已成為現實。因此，遙感監測還應包括受淹歷時這一重要參數。當前，洪水曲面拓撲結構的自適應改變利用水平集方法追蹤時易受淹沒范圍改變的影響，對此可利用遙感影像提取的多景或兩景水體模擬確定，為進一步確定不同區域的受淹歷時提供更多的數據信息。

通過遙感監測模擬出厄爾尼諾、拉尼娜、臺風現象的發展與發生過程，不斷提升衛星監測降水的精度，以上過程均可對洪澇災害預警預報產生較為顯著的影響。

2)洪澇災害評估。承災體、孕災環境和致災因子組成了洪澇災害評估體系，其功能體系具有脆弱性、風險性及危險性等多重屬性。遙感技術提供的數據資料主要用于承災體、淹沒歷時、受淹范圍等預測，若存在較高精度的數字高程資料也可用水深的監測。承災體在特定的水流速度、淹沒歷時和水深情況下的損失率選用脆弱性指標描述，受數據資料局限性和影響因子復雜性等條件限制，準確評判其脆弱性為當前的薄弱環節。所以，盡管評估模型能夠較為系統的考慮脆弱性、承災體、致災因子、孕災環境等計算洪澇損失，由于難以準確獲取損失率大小，在實際應用中仍受到一定的限制。當前，各行政區受淹面積和不同用地面積的計算為洪澇災害評估的根本依據，尤其是考慮居民地和耕地面積，重點分析受淹公路與鐵路長度、大型商場、學校、醫院、工礦企業、水深、影響人口、受淹歷時等[4]。

社會經濟數據庫在空間上的展布情況為洪災預測的基本條件，由于行政界限與淹沒區域往往存在偏差，必須在空間尺度上展現統計的行政單位經濟數據。通常情況下，淹沒區內的交通、耕地、重要工礦企業比較容易確定，可以直接獲取此類數據，而受淹房屋、影響人口一般按照居民地受淹范圍估算。另外，房屋間數和居住人口數在居民地面積上也不盡相同，應在農民居民地和城鎮面積上分攤統計年鑒中的農村及城鎮人口數，不同地區的房屋類型和結構存在各自的特點，根據實驗點模擬情況來看估算的受淹房屋和戶籍人口具有較高準確度。同時，實際居住和戶籍人口往往因較大的流動而存在明顯的差別，采用一般的技術難以有效解決這一問題[5]。

我國最早開始遙感監測洪災的研究為1980年，通過一系列的重點科技攻關項目探索了遙感監測洪災的評估模式，有效解決了方法、模型、數據和軟件的綜合問題。同時，建立了相應的圖形庫、數據庫、圖像庫等，這在很大程度上提高了遙測技術的廣泛應用，并取得了較好的成效。

1.2 洪水預報預警

防汛工作中洪水預報預警發揮著巨大作用，且隨著計算機和衛星技術的快速發展，遙感技術作為一種非工程措施能夠提供用于模型參數率定、建模所需的信息。例如，基巖巖性、不透水面積、塘壩與小水庫、土壤類型、植被密度與類型、土壤含水量、地形、坡向坡度、地表溫度、蒸散發等。近年來，有學者將流域水文模型與遙感技術相耦合用于洪水預報預警；有關研究將熱量平衡與水量平衡相融合，從而建立了一系列的TOPUP、VIC、PEST-EW等水文模型，遙感技術提取的信息與這些模型的基礎數據密切關系，這就為數據資料不足地區的洪水預報提供了一種重要手段[6]。

1.3 洪水風險圖

洪水風險圖現已引起社會各界的廣泛關注，目前在防洪減災領域中的應用日趨廣泛，它是一種非工程減災措施并且為近年來研究的重要課題。在評價和分析洪水災害風險時，遙感技術獲取了大部分的數據信息，主要包括承災體信息和孕災環境信息兩大類。其中，孕災環境信息包括湖泊、水系、植被、地形、三角洲、沖積扇、河漫灘沼澤、舊河道、天然沖積堤等水體分布信息；鐵路、公路、居民地、耕地、土地利用等為承災體主要信息。

2 旱情監測評估中遙感技術的應用

近年來，由于降水量時空分布不均衡以及水資源儲蓄量不足使得嚴重的干旱事件頻繁事件，一直以來干旱問題嚴重威脅著農業的可持續健康發展，旱災作為一種自然災害對我國經濟發展構成嚴重的威脅。

截至目前，世界上還未形成普遍適用、統一的干旱定義，衡量干旱的指標因關注對象的不同而存在一定差異，如不平衡蒸發與降水引起的水分短缺為氣象干旱的定義，一般選用蒸散發量、氣溫、降水量等指標表征；農作物正常的生長發育受到植物體內水分虧缺的影響為農業干旱的內涵，通常采用農作物生長狀況、土壤含水量等參數反映；大氣降水與土壤水、地表與地下水之間的不均衡為水文干旱的基本概念，常選用地下水位、河道水位、土壤含水量、徑流量和蓄水量等指標描述。同時，有研究提出了社會經濟干旱、生態干旱的定義，衡量其干旱程度的參數較為復雜，評判指標體系還在完善中。

在空間上干旱存在以片分布的特征，其覆蓋范圍較為廣泛且存在一定的發展過程，不具備突發特性。在空間范圍上墑情觀測系統存在一定的局限，通常無法系統體現面上的真實狀況；另外，該系統具有較高的維護與建設成本，遙感監測干旱能夠充分發揮其優勢，且可以滿足監測格局的要求。用于干旱監測的數據精度要求不高，但對于時間分辨率有較高要求，多數情況下存在免費數據源，因此其成本較低。目前，較為常用的有風云系統衛星和MODIS衛星數據，其相關產品也已比較成熟。

2.1 干旱監測

遙感技術可以提供地表溫度、湖庫等水源地面積、大宗農作物種植空間分布、蒸散發、植被指數、土壤含水量等信息。其中，多種干旱均考慮的參數為土壤含水量，該指標與洪水預警預報、干旱程度等因素相關。另外，普遍關注的指標還包括植物生長形態，針對遙感模型和方法考慮從這兩方面信息提取的角度研究[6]。當前，墑情站實測數據為模型參數率定的主要來源，而發展迅速且更加有效的研究方法為陸面過程模型。

目前，通常采用地面墑情站具有較好代表性的實測數據率定模型中的參數，而更為有效且發展迅速研究方法為陸面過程模型。

1)土壤含水量。因存在全天候與全天時監測的特點，對于0-5cm土壤含水量的提取微波遙感技術具有最高的測量精度，有些模型的提取精度達到95%以上。主動和被動遙感為微波遙感的兩種主要類型，在時間與空間分布率上將兩者結合具有互不作用，在該方面上美國SMAP衛星取得了成功探索。土壤含水量提取精度主要受地表植被和粗糙度的影響，同時存在一定的局限性，即僅僅用于表層濕度的計算，而無法體現整個根系層或包氣帶的含稅情況。

土壤的介電參數對土壤含水量的提取較為敏感，0-40變化區間為介電參數從干到濕的取值，而土壤的熱慣量與介電參數間存在一定關聯。土壤的熱慣量反演基礎為遙感數據提取的地表溫度變化情況，最終達到土壤含水量監測的目的。該方法是將地表植被與土壤作為整體來分析，所以一般適用于裸土，為考慮地表植被的影響此后又引入了植被指數。

2)植被生長形態。植物的長勢采用生長形態來描述，對于農業和生態來說是指植物、農作物。在紅波段植物葉片的吸收能力較強，而其高反射區間為紅外波段，為定量描述植被的密度、覆蓋度及生長狀況等要素可有意擴大其差別的模型結構。歸一化植被指數NDVI為最為常見的參數，同時還有條件與距平植被指數等其它參數[7]。

目前，用于干旱監測的方法較多，不同的監測模型其適用范圍存在差異。全天候和全天時監測為微波遙感技術的典型特征，所以云為影響可見光的主要參數。許多南方區域出現無云的情況很少，甚至要在全區域一旬內拼出無云的影像也存在較大困難，所以這些地區比較適用反演模型。

2.2 干旱評估

水分短缺并不一定產生直接的經濟損失和不利影響，干旱監測為旱情的重要基礎，主要考慮社會經濟領域受水分短缺的不利影響，該過程涉及顯著影響和無影響的多個方面，通常將其劃分為多個等級，當發展到一定程度時旱情就形成了旱災。前文介紹了多個干旱定義，不同干旱的評估指標和反映因素不同。旱情的嚴重程度并不完全是由水分短缺所決定的，例如農業干旱情況下，不同生長階段的農作物需水量存在一定差異，若農作物需水量在發生干旱時不多，那么該條件下為不嚴重旱情；另外，同樣的干旱情況下不同作物的徐曉輝量村子差異，可能會導致有的不缺水、有的很缺水現象。我國地域面積廣且南北氣候帶不同，在干旱程度和農作物相同的條件下，很可能出現北方不缺水而南方缺水的現象。所以，旱情評估應綜合考慮不同區域的時空差異和評估對象的不同，較監測而言更加復雜[8]。

旱情等級的面積與空間分布為旱情遙感評估主要內容，為持續獲取時間采取連續監測的方法。通常條件下，我國旱情分布圖需要每旬發布一次，特殊要求時可作加密處理。根據遙感監測旱情評估可知，在定性層面大部分人都認可其總體態勢，最旱、哪里干旱、哪里不旱與實際情況基本一致。然而，間接指標在物理上的聯系為遙感技術反映旱情的根本依據，如溫度、作物生長情況等，行業指標與提出的很多參數、許多模型并不存在聯系，其區域適用性和規律性仍需要不斷完善。旱情監測理念的變化在很大程度上取決于評估的巨大需求，既然在定性上可以接受旱情遙感監測結果，在應用層面上具有一定推廣價值，那么在應用過程中應逐步解決模型參數、區域適用性、定量指標分級等問題，而這些問題在實際應用中并未真正得以解決。在防汛抗旱二期指揮系統建設中納入了遙感技術，這對于旱情遙感的發展帶來了機遇，且全國與重點地區的旱情監測可選用已建呈的水利部遙測系統實現[9]。另外，從經濟效益的角度對比旱災損失及抗旱措施，對于推廣遙感技術的應用和抗旱減災具有重要意義。

3 結 論

1)隨著遙感技術、水利信息化和水利現代化的快速發展，在防汛抗洪中遙感技術的重要性地位日趨突出，在應用范圍也越來越廣泛，業務需求與應用深度逐漸接近。

2)應用需求為推動遙感技術發展的內在驅動，遙感技術的發展目標是為業務工作提供服務，通過在業務工作中的推廣應用能夠真正的為專業人員提供有效工具。

3)為更好的發揮遙感技術在防汛抗旱中的作用，應綜合應用專業模型、其它水利技術和遙感技術等。