基于多源遙感影像的堰塞湖應(yīng)急救援輔助信息提取*

譚龍飛

應(yīng)急管理部四川消防研究所 四川 成都 610036

1 堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急救援的挑戰(zhàn)

堰塞湖是指自然界中由于河流堵塞而形成的一種湖泊。火山噴發(fā)物、冰川堆積、滑坡、泥石流等是造成堰塞湖的主要原因。根據(jù)堰塞湖可能造成的災(zāi)害，將堰塞湖分為高危型堰塞湖、穩(wěn)態(tài)型堰塞湖和即生即消型堰塞湖。其中高危型堰塞湖通常會(huì)形成非常嚴(yán)重的次生洪水災(zāi)害，造成非常慘重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。同時(shí)其伴隨交通、信息、通信中斷，災(zāi)害中心區(qū)域與外界隔絕，應(yīng)急保障系統(tǒng)缺失和運(yùn)行不暢，給抗震救災(zāi)工作增加了難度，因此對(duì)高危型堰塞湖進(jìn)行研究是非常必要且有意義的一項(xiàng)工作[1]。

例如2018年10月10日晚22時(shí)6分，西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣和四川省甘孜藏族自治州白玉縣境內(nèi)發(fā)生山體滑坡，堵塞金沙江干流河道，形成大型堰塞湖（圖1）。2018年11月3日17時(shí)40分許，波羅鄉(xiāng)白格村原山體滑坡點(diǎn)發(fā)生二次滑坡，導(dǎo)致無法自然泄流。從形成堰塞湖到最終導(dǎo)流成功，最終耗費(fèi)了9天時(shí)間，利用無數(shù)人力和機(jī)具挖掘出泄流槽成功導(dǎo)流泄洪。

圖1 金沙江堰塞湖地理位置及應(yīng)急救援現(xiàn)場環(huán)境

本文提出了基于多源遙感影像的堰塞湖應(yīng)急救援輔助信息提取技術(shù)，通過三個(gè)方面分別介紹堰塞湖應(yīng)急救援的挑戰(zhàn)、堰塞湖災(zāi)害的多源遙感影像處理流程、基于多源遙感影像的堰塞湖信息提取指標(biāo)分析。結(jié)合金沙江堰塞湖和丹巴堰塞湖案例，從應(yīng)急救援角度分析了堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急救援特點(diǎn)，探討了目前堰塞湖災(zāi)害救援過程中信息化技術(shù)和難點(diǎn)。基于遙感和數(shù)據(jù)分析在災(zāi)情獲取分析方面體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)，如何基于多源遙感影像進(jìn)行應(yīng)急救援輔助信息提取，并有效形成應(yīng)急救援隊(duì)伍信息化作戰(zhàn)能力成為應(yīng)急領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[2]。

當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)于堰塞湖導(dǎo)流泄洪信息提取仍然停留于傳統(tǒng)人工階段，利用遙感影像開展應(yīng)急救援信息獲取仍然停留于傳統(tǒng)的階段，國內(nèi)目前還沒有一套專門應(yīng)用于堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急救援圖像數(shù)據(jù)收集、處理及救援相關(guān)信息提取的成熟方案。因此，基于多源影像的堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急救援可以滿足現(xiàn)實(shí)救援與管控需求，重點(diǎn)提供救援過程中救援道路通行能力、過流狀態(tài)、掘進(jìn)路徑和人員等重要信息保障，對(duì)堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急處置與救援提供了新的方法和手段，對(duì)于保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

2 堰塞湖災(zāi)害的多源遙感影像處理流程

面對(duì)突發(fā)堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急事件的快速響應(yīng)需求，重點(diǎn)面向消防救援一線應(yīng)急救援導(dǎo)流泄洪實(shí)際需求，建設(shè)導(dǎo)流應(yīng)急信息輔助決策系統(tǒng)，在充分利用光學(xué)高分?jǐn)?shù)據(jù)的同時(shí)，利用微波遙感技術(shù)和無人機(jī)低空遙感技術(shù)及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取四川多云、多雨地區(qū)的高分辨率多源數(shù)據(jù)，避免因突發(fā)災(zāi)害事件形成信息孤島，為應(yīng)急事件快速響應(yīng)和堰塞湖導(dǎo)流應(yīng)急信息輔助決策提供快速、可靠的技術(shù)手段[3]。

目前，堰塞湖相關(guān)定量信息在災(zāi)害應(yīng)急救援中的重要性，以大觀測(cè)范圍、快速時(shí)間響應(yīng)、晝夜工作、高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，GIS、無線網(wǎng)絡(luò)傳感器為輔，提出并實(shí)現(xiàn)快速有效準(zhǔn)確的信息提取評(píng)估算法模型，為災(zāi)害應(yīng)急救援方案制定提供近實(shí)時(shí)/實(shí)時(shí)的定量信息，以及災(zāi)害預(yù)警、災(zāi)害動(dòng)態(tài)發(fā)展態(tài)勢(shì)等相關(guān)重要輔助信息。

其中，多源數(shù)據(jù)主要包括300～1000nm附近的可見光波段、1μm的中紅外波段、11、12μm附近的熱紅外波段遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及波長在1～1000mm的微波遙感數(shù)據(jù)，配套的多源遙感數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)對(duì)遙感信息進(jìn)行智能化處理，包括信息提取、多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析到最后的成果發(fā)布，從而全面提升災(zāi)情預(yù)警的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)監(jiān)控的有效性、態(tài)勢(shì)分析的可靠性與災(zāi)情評(píng)估的精確性，目的是打造從遙感多源數(shù)據(jù)獲取到信息化應(yīng)用和輔助決策的完整的智慧化運(yùn)行平臺(tái)，同時(shí)基于該平臺(tái)的建設(shè)形成較強(qiáng)的科研能力和原始創(chuàng)新能力。

堰塞湖災(zāi)害的多源遙感影像處理主要由支撐系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)三部分組成。支撐系統(tǒng)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)高分遙感影像、無人機(jī)遙感影像、GIS與DEM之間的位置匹配與存儲(chǔ)管理，以便于調(diào)用、顯示。處理系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)高分遙感影像、無人機(jī)遙感影像的處理；基于天-空-地基多源數(shù)據(jù)的信息提取與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。應(yīng)用系統(tǒng)面向用戶，實(shí)現(xiàn)基于高分遙感影像的指揮輔助決策系統(tǒng)；應(yīng)急指揮的災(zāi)情信息、應(yīng)急資源信息等的管理[4]。

圖2 堰塞湖多源遙感影像處理系統(tǒng)

基于多源影像的堰塞湖導(dǎo)流應(yīng)急信息系統(tǒng)工作流程主要是準(zhǔn)備、輸入、處理、顯示/存儲(chǔ)。準(zhǔn)備：平時(shí)維護(hù)時(shí)，準(zhǔn)備歷史數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到系統(tǒng)中。輸入：高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、無人機(jī)數(shù)據(jù)、地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等信息在使用時(shí)通過各種手段輸入到系統(tǒng)中。處理：對(duì)于輸入的數(shù)據(jù)，有針對(duì)性地進(jìn)行各種處理，得到的產(chǎn)品和結(jié)果可用來顯示和存儲(chǔ)。顯示：處理的結(jié)果，可通過系統(tǒng)顯示，作為系統(tǒng)指揮輔助決策的輔助手段。外部訪問：災(zāi)害處理時(shí)間長，需要協(xié)調(diào)、指揮的事情多，系統(tǒng)提供方便的外部訪問接口，滿足移動(dòng)指揮的需要。

3 基于多源遙感影像的堰塞湖信息提取指標(biāo)分析

針對(duì)堰塞湖搶險(xiǎn)救援的實(shí)際任務(wù)，首先是獲取險(xiǎn)情進(jìn)行判斷和全天時(shí)監(jiān)測(cè)。遙感作為一種技術(shù)手段，能經(jīng)濟(jì)快速地提供觀測(cè)區(qū)域的地物信息，因此非常適合于地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估與預(yù)測(cè)。光學(xué)遙感衛(wèi)星能夠提供高分辨率圖像，解譯比較簡單，然而受天氣影響較大，陰雨云霧天氣成像質(zhì)量較差。由于大多數(shù)滑坡發(fā)生期間常常伴隨著地震和暴雨，因此光學(xué)衛(wèi)星一般很難快速獲取新發(fā)生滑坡圖像。與光學(xué)傳感器不同的是，合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）基于電磁波與物體間相互作用的散射信息對(duì)地表進(jìn)行測(cè)量，屬于主動(dòng)式微波傳感器。SAR不僅能全天時(shí)全天候的工作，同時(shí)擁有穿透部分植被和遮蓋物的能力。因此在惡劣氣候條件下，同傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器相比，SAR有著尤其重要的意義[5]。SAR不僅可用于農(nóng)作物生長監(jiān)測(cè)與產(chǎn)量預(yù)估、森林植被覆蓋面積監(jiān)控、海冰融化檢測(cè)、地形沉降、災(zāi)害控制等方面，同時(shí)也可用于道路、機(jī)場、橋梁、車輛等目標(biāo)識(shí)別，因此在民用和軍事偵察方面，SAR都具有特殊的重要性。利用微波遙感手段提取堰塞湖關(guān)鍵參數(shù)，定量評(píng)估堰塞湖危害具有經(jīng)濟(jì)有效、正確率高、范圍廣等特點(diǎn)，提取結(jié)果能夠快速應(yīng)用于后續(xù)災(zāi)害評(píng)估和救災(zāi)指導(dǎo)，因此基于遙感影像的堰塞湖信息提取具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

以2020年四川丹巴堰塞湖應(yīng)急救援為例，相較于2018年金沙江堰塞湖應(yīng)急救援，主要已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并提高的指標(biāo)如下：

第一，堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急指信息定量提取：從突發(fā)應(yīng)急事件從數(shù)據(jù)獲取后，數(shù)據(jù)處理和堰塞湖災(zāi)情專題信息提取的響應(yīng)時(shí)間在3小時(shí)以內(nèi)，特殊復(fù)雜狀況的突發(fā)應(yīng)急事件響應(yīng)時(shí)間不大于6小時(shí)。

第二，堰塞湖過水與水體邊界動(dòng)態(tài)變化：相對(duì)誤差不超過9%，以及變化檢測(cè)精度優(yōu)于90%。

第三，堰塞湖信息專題數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)速度和質(zhì)量比常規(guī)方式提高10%。

第四，現(xiàn)場能夠支持超過TB海量影像及其他多源空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、訪問與漫游。

第五，多源遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)精度：對(duì)于西藏、四川等地的地形起伏較大、地貌復(fù)雜的區(qū)域，同源遙感圖像自動(dòng)配準(zhǔn)精度優(yōu)于2個(gè)像元，異源遙感圖像配準(zhǔn)精度優(yōu)于3個(gè)像元。

第六，集成堰塞湖導(dǎo)流相關(guān)信息，并提供導(dǎo)流點(diǎn)位周邊敏感區(qū)域輔助信息，形成導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)影像格式。

第七，復(fù)雜地形條件下，高分辨率影像缺少控制點(diǎn)的幾何校正精度：平原地區(qū)優(yōu)于2個(gè)像元，山區(qū)優(yōu)于3-5個(gè)像元[6]。

4 結(jié)束語

針對(duì)復(fù)雜地形的堰塞湖應(yīng)急救援，可以通過多源遙感影像研究適用于消防一線救援隊(duì)伍的應(yīng)急信息提取技術(shù)，可為堰塞湖應(yīng)急救援指揮提供準(zhǔn)確、可靠的信息和有效的應(yīng)急救援輔助決策方案，有助于減少消防人員傷亡。多源遙感影像將巨大地節(jié)約救災(zāi)成本，為重大突發(fā)應(yīng)急事件提供快速、準(zhǔn)確、及時(shí)的信息獲取、處理和決策分析手段，完善和滿足特殊突發(fā)應(yīng)急事件的服務(wù)響應(yīng)需求。同時(shí)對(duì)多種災(zāi)情應(yīng)急區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和科學(xué)評(píng)估，為應(yīng)急指揮提供決策依據(jù)，全面提升應(yīng)急救援信息化建設(shè)水平。