防汛抗旱中遙感技術(shù)的應(yīng)用

劉 宇

(子澄建設(shè)工程有限公司，沈陽(yáng) 11000)

0 引 言

遙感提供的技術(shù)支持和空間信息可為防汛抗旱工作提供科學(xué)依據(jù)，在水利工程及現(xiàn)代地球空間信息等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣泛。遙感較常規(guī)的信息獲取手段具有數(shù)據(jù)更新速度快、更短的監(jiān)測(cè)周期、更大的預(yù)測(cè)范圍及高精準(zhǔn)度等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的應(yīng)用于水利行業(yè)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用過(guò)程中不受惡劣天氣、災(zāi)害及地域等條件限制。航天技術(shù)和空間信息提取方法的快速發(fā)展，在很大程度上推動(dòng)了遙感技術(shù)的深入研究與廣泛應(yīng)用，為提供多相位、多平臺(tái)、高分辨率的防汛抗旱動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)條件和重要基礎(chǔ)[1-3]。

1 防洪減災(zāi)中遙感技術(shù)的應(yīng)用

1.1 洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)

1)洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)。實(shí)質(zhì)上對(duì)水域范圍的預(yù)測(cè)即為洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)，而受淹面積為水體正常狀態(tài)下的覆蓋范圍與發(fā)生澇災(zāi)時(shí)水域面積之差。遙感影像獲取水體的主要依據(jù)是水體反射率在可見(jiàn)光波段和紅外波段的變化規(guī)律，微波段后向反射少的電磁波由于水面鏡反射作用呈現(xiàn)出響應(yīng)特征。全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的微波影像、可見(jiàn)光影像主要用于洪災(zāi)時(shí)水體和本底水體的提取，當(dāng)前有亞米級(jí)、米級(jí)甚至幾百米級(jí)空間分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)可供水體提取，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的數(shù)據(jù)。實(shí)施監(jiān)測(cè)中具有更高自主性的無(wú)人機(jī)航空遙感，在地面調(diào)查中的應(yīng)用日趨廣泛。

按照不同的數(shù)據(jù)類型可將遙感提取水體的方法分為雷達(dá)影像和光學(xué)影像兩大類，其中決策樹(shù)法、光譜主成分分析、光譜特征變異法、差值法、水體指數(shù)法、閾值法及各種方法的組合為光學(xué)影像水體信息和識(shí)別的常用方法，也有研究報(bào)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(dá)遙感技術(shù)提取水體的方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于洪災(zāi)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。隨著國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)源和遙感影像的日趨完善，使得洪水災(zāi)害的全過(guò)程監(jiān)測(cè)已成為現(xiàn)實(shí)。因此，遙感監(jiān)測(cè)還應(yīng)包括受淹歷時(shí)這一重要參數(shù)。當(dāng)前，洪水曲面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自適應(yīng)改變利用水平集方法追蹤時(shí)易受淹沒(méi)范圍改變的影響，對(duì)此可利用遙感影像提取的多景或兩景水體模擬確定，為進(jìn)一步確定不同區(qū)域的受淹歷時(shí)提供更多的數(shù)據(jù)信息。

通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)模擬出厄爾尼諾、拉尼娜、臺(tái)風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)展與發(fā)生過(guò)程，不斷提升衛(wèi)星監(jiān)測(cè)降水的精度，以上過(guò)程均可對(duì)洪澇災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)生較為顯著的影響。

2)洪澇災(zāi)害評(píng)估。承災(zāi)體、孕災(zāi)環(huán)境和致災(zāi)因子組成了洪澇災(zāi)害評(píng)估體系，其功能體系具有脆弱性、風(fēng)險(xiǎn)性及危險(xiǎn)性等多重屬性。遙感技術(shù)提供的數(shù)據(jù)資料主要用于承災(zāi)體、淹沒(méi)歷時(shí)、受淹范圍等預(yù)測(cè)，若存在較高精度的數(shù)字高程資料也可用水深的監(jiān)測(cè)。承災(zāi)體在特定的水流速度、淹沒(méi)歷時(shí)和水深情況下的損失率選用脆弱性指標(biāo)描述，受數(shù)據(jù)資料局限性和影響因子復(fù)雜性等條件限制，準(zhǔn)確評(píng)判其脆弱性為當(dāng)前的薄弱環(huán)節(jié)。所以，盡管評(píng)估模型能夠較為系統(tǒng)的考慮脆弱性、承災(zāi)體、致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境等計(jì)算洪澇損失，由于難以準(zhǔn)確獲取損失率大小，在實(shí)際應(yīng)用中仍受到一定的限制。當(dāng)前，各行政區(qū)受淹面積和不同用地面積的計(jì)算為洪澇災(zāi)害評(píng)估的根本依據(jù)，尤其是考慮居民地和耕地面積，重點(diǎn)分析受淹公路與鐵路長(zhǎng)度、大型商場(chǎng)、學(xué)校、醫(yī)院、工礦企業(yè)、水深、影響人口、受淹歷時(shí)等[4]。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)在空間上的展布情況為洪災(zāi)預(yù)測(cè)的基本條件，由于行政界限與淹沒(méi)區(qū)域往往存在偏差，必須在空間尺度上展現(xiàn)統(tǒng)計(jì)的行政單位經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。通常情況下，淹沒(méi)區(qū)內(nèi)的交通、耕地、重要工礦企業(yè)比較容易確定，可以直接獲取此類數(shù)據(jù)，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(shù)和居住人口數(shù)在居民地面積上也不盡相同，應(yīng)在農(nóng)民居民地和城鎮(zhèn)面積上分?jǐn)偨y(tǒng)計(jì)年鑒中的農(nóng)村及城鎮(zhèn)人口數(shù)，不同地區(qū)的房屋類型和結(jié)構(gòu)存在各自的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)模擬情況來(lái)看估算的受淹房屋和戶籍人口具有較高準(zhǔn)確度。同時(shí)，實(shí)際居住和戶籍人口往往因較大的流動(dòng)而存在明顯的差別，采用一般的技術(shù)難以有效解決這一問(wèn)題[5]。

我國(guó)最早開(kāi)始遙感監(jiān)測(cè)洪災(zāi)的研究為1980年，通過(guò)一系列的重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目探索了遙感監(jiān)測(cè)洪災(zāi)的評(píng)估模式，有效解決了方法、模型、數(shù)據(jù)和軟件的綜合問(wèn)題。同時(shí)，建立了相應(yīng)的圖形庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、圖像庫(kù)等，這在很大程度上提高了遙測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并取得了較好的成效。

1.2 洪水預(yù)報(bào)預(yù)警

防汛工作中洪水預(yù)報(bào)預(yù)警發(fā)揮著巨大作用，且隨著計(jì)算機(jī)和衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，遙感技術(shù)作為一種非工程措施能夠提供用于模型參數(shù)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(kù)、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(fā)等。近年來(lái)，有學(xué)者將流域水文模型與遙感技術(shù)相耦合用于洪水預(yù)報(bào)預(yù)警；有關(guān)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(shù)提取的信息與這些模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)密切關(guān)系，這就為數(shù)據(jù)資料不足地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)提供了一種重要手段[6]。

1.3 洪水風(fēng)險(xiǎn)圖

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖現(xiàn)已引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，目前在防洪減災(zāi)領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛，它是一種非工程減災(zāi)措施并且為近年來(lái)研究的重要課題。在評(píng)價(jià)和分析洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，遙感技術(shù)獲取了大部分的數(shù)據(jù)信息，主要包括承災(zāi)體信息和孕災(zāi)環(huán)境信息兩大類。其中，孕災(zāi)環(huán)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(zāi)體主要信息。

2 旱情監(jiān)測(cè)評(píng)估中遙感技術(shù)的應(yīng)用

近年來(lái)，由于降水量時(shí)空分布不均衡以及水資源儲(chǔ)蓄量不足使得嚴(yán)重的干旱事件頻繁事件，一直以來(lái)干旱問(wèn)題嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展，旱災(zāi)作為一種自然災(zāi)害對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

截至目前，世界上還未形成普遍適用、統(tǒng)一的干旱定義，衡量干旱的指標(biāo)因關(guān)注對(duì)象的不同而存在一定差異，如不平衡蒸發(fā)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(fā)量、氣溫、降水量等指標(biāo)表征；農(nóng)作物正常的生長(zhǎng)發(fā)育受到植物體內(nèi)水分虧缺的影響為農(nóng)業(yè)干旱的內(nèi)涵，通常采用農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況、土壤含水量等參數(shù)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(biāo)描述。同時(shí)，有研究提出了社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱、生態(tài)干旱的定義，衡量其干旱程度的參數(shù)較為復(fù)雜，評(píng)判指標(biāo)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(fā)展過(guò)程，不具備突發(fā)特性。在空間范圍上墑情觀測(cè)系統(tǒng)存在一定的局限，通常無(wú)法系統(tǒng)體現(xiàn)面上的真實(shí)狀況；另外，該系統(tǒng)具有較高的維護(hù)與建設(shè)成本，遙感監(jiān)測(cè)干旱能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，且可以滿足監(jiān)測(cè)格局的要求。用于干旱監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)精度要求不高，但對(duì)于時(shí)間分辨率有較高要求，多數(shù)情況下存在免費(fèi)數(shù)據(jù)源，因此其成本較低。目前，較為常用的有風(fēng)云系統(tǒng)衛(wèi)星和MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其相關(guān)產(chǎn)品也已比較成熟。

2.1 干旱監(jiān)測(cè)

遙感技術(shù)可以提供地表溫度、湖庫(kù)等水源地面積、大宗農(nóng)作物種植空間分布、蒸散發(fā)、植被指數(shù)、土壤含水量等信息。其中，多種干旱均考慮的參數(shù)為土壤含水量，該指標(biāo)與洪水預(yù)警預(yù)報(bào)、干旱程度等因素相關(guān)。另外，普遍關(guān)注的指標(biāo)還包括植物生長(zhǎng)形態(tài)，針對(duì)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(dāng)前，墑情站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為模型參數(shù)率定的主要來(lái)源，而發(fā)展迅速且更加有效的研究方法為陸面過(guò)程模型。

目前，通常采用地面墑情站具有較好代表性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定模型中的參數(shù)，而更為有效且發(fā)展迅速研究方法為陸面過(guò)程模型。

1)土壤含水量。因存在全天候與全天時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)于0-5cm土壤含水量的提取微波遙感技術(shù)具有最高的測(cè)量精度，有些模型的提取精度達(dá)到95%以上。主動(dòng)和被動(dòng)遙感為微波遙感的兩種主要類型，在時(shí)間與空間分布率上將兩者結(jié)合具有互不作用，在該方面上美國(guó)SMAP衛(wèi)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(shí)存在一定的局限性，即僅僅用于表層濕度的計(jì)算，而無(wú)法體現(xiàn)整個(gè)根系層或包氣帶的含稅情況。

土壤的介電參數(shù)對(duì)土壤含水量的提取較為敏感，0-40變化區(qū)間為介電參數(shù)從干到濕的取值，而土壤的熱慣量與介電參數(shù)間存在一定關(guān)聯(lián)。土壤的熱慣量反演基礎(chǔ)為遙感數(shù)據(jù)提取的地表溫度變化情況，最終達(dá)到土壤含水量監(jiān)測(cè)的目的。該方法是將地表植被與土壤作為整體來(lái)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(shù)。

2)植被生長(zhǎng)形態(tài)。植物的長(zhǎng)勢(shì)采用生長(zhǎng)形態(tài)來(lái)描述，對(duì)于農(nóng)業(yè)和生態(tài)來(lái)說(shuō)是指植物、農(nóng)作物。在紅波段植物葉片的吸收能力較強(qiáng)，而其高反射區(qū)間為紅外波段，為定量描述植被的密度、覆蓋度及生長(zhǎng)狀況等要素可有意擴(kuò)大其差別的模型結(jié)構(gòu)。歸一化植被指數(shù)NDVI為最為常見(jiàn)的參數(shù)，同時(shí)還有條件與距平植被指數(shù)等其它參數(shù)[7]。

目前，用于干旱監(jiān)測(cè)的方法較多，不同的監(jiān)測(cè)模型其適用范圍存在差異。全天候和全天時(shí)監(jiān)測(cè)為微波遙感技術(shù)的典型特征，所以云為影響可見(jiàn)光的主要參數(shù)。許多南方區(qū)域出現(xiàn)無(wú)云的情況很少，甚至要在全區(qū)域一旬內(nèi)拼出無(wú)云的影像也存在較大困難，所以這些地區(qū)比較適用反演模型。

2.2 干旱評(píng)估

水分短缺并不一定產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)損失和不利影響，干旱監(jiān)測(cè)為旱情的重要基礎(chǔ)，主要考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域受水分短缺的不利影響，該過(guò)程涉及顯著影響和無(wú)影響的多個(gè)方面，通常將其劃分為多個(gè)等級(jí)，當(dāng)發(fā)展到一定程度時(shí)旱情就形成了旱災(zāi)。前文介紹了多個(gè)干旱定義，不同干旱的評(píng)估指標(biāo)和反映因素不同。旱情的嚴(yán)重程度并不完全是由水分短缺所決定的，例如農(nóng)業(yè)干旱情況下，不同生長(zhǎng)階段的農(nóng)作物需水量存在一定差異，若農(nóng)作物需水量在發(fā)生干旱時(shí)不多，那么該條件下為不嚴(yán)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(huì)導(dǎo)致有的不缺水、有的很缺水現(xiàn)象。我國(guó)地域面積廣且南北氣候帶不同，在干旱程度和農(nóng)作物相同的條件下，很可能出現(xiàn)北方不缺水而南方缺水的現(xiàn)象。所以，旱情評(píng)估應(yīng)綜合考慮不同區(qū)域的時(shí)空差異和評(píng)估對(duì)象的不同，較監(jiān)測(cè)而言更加復(fù)雜[8]。

旱情等級(jí)的面積與空間分布為旱情遙感評(píng)估主要內(nèi)容，為持續(xù)獲取時(shí)間采取連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法。通常條件下，我國(guó)旱情分布圖需要每旬發(fā)布一次，特殊要求時(shí)可作加密處理。根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)旱情評(píng)估可知，在定性層面大部分人都認(rèn)可其總體態(tài)勢(shì)，最旱、哪里干旱、哪里不旱與實(shí)際情況基本一致。然而，間接指標(biāo)在物理上的聯(lián)系為遙感技術(shù)反映旱情的根本依據(jù)，如溫度、作物生長(zhǎng)情況等，行業(yè)指標(biāo)與提出的很多參數(shù)、許多模型并不存在聯(lián)系，其區(qū)域適用性和規(guī)律性仍需要不斷完善。旱情監(jiān)測(cè)理念的變化在很大程度上取決于評(píng)估的巨大需求，既然在定性上可以接受旱情遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，在應(yīng)用層面上具有一定推廣價(jià)值，那么在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)逐步解決模型參數(shù)、區(qū)域適用性、定量指標(biāo)分級(jí)等問(wèn)題，而這些問(wèn)題在實(shí)際應(yīng)用中并未真正得以解決。在防汛抗旱二期指揮系統(tǒng)建設(shè)中納入了遙感技術(shù)，這對(duì)于旱情遙感的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇，且全國(guó)與重點(diǎn)地區(qū)的旱情監(jiān)測(cè)可選用已建呈的水利部遙測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[9]。另外，從經(jīng)濟(jì)效益的角度對(duì)比旱災(zāi)損失及抗旱措施，對(duì)于推廣遙感技術(shù)的應(yīng)用和抗旱減災(zāi)具有重要意義。

3 結(jié) 論

1)隨著遙感技術(shù)、水利信息化和水利現(xiàn)代化的快速發(fā)展，在防汛抗洪中遙感技術(shù)的重要性地位日趨突出，在應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，業(yè)務(wù)需求與應(yīng)用深度逐漸接近。

2)應(yīng)用需求為推動(dòng)遙感技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)，遙感技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是為業(yè)務(wù)工作提供服務(wù)，通過(guò)在業(yè)務(wù)工作中的推廣應(yīng)用能夠真正的為專業(yè)人員提供有效工具。

3)為更好的發(fā)揮遙感技術(shù)在防汛抗旱中的作用，應(yīng)綜合應(yīng)用專業(yè)模型、其它水利技術(shù)和遙感技術(shù)等。