2021年黃河秋汛洪水遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用

陳 亮，楊 ，申 源，張香娟，盧 欣

（水利部黃河水利委員會(huì)信息中心，450004，鄭州）

2021年8月下旬至10月底，黃河流域遭遇罕見華西秋雨，黃河流域中下游地區(qū)發(fā)生歷史罕見秋汛洪水。本次秋汛洪水防御過程中，水利部黃河水利委員會(huì)信息中心（簡(jiǎn)稱“黃委信息中心”）利用衛(wèi)星、無人機(jī)等天空地一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)，充分發(fā)揮其快速高效、大范圍動(dòng)態(tài)與局部精細(xì)并重、不受地面災(zāi)情影響等突出優(yōu)勢(shì)，動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)秋汛洪水發(fā)生、發(fā)展、消退變化過程，獲取了寶貴的空、天要素觀測(cè)資料，為黃河秋汛洪水防御決策滾動(dòng)會(huì)商提供重要技術(shù)手段。

一、洪水遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)體系

衛(wèi)星遙感技術(shù)可以從天空遠(yuǎn)距離對(duì)地面進(jìn)行觀測(cè)，能周期性獲取地表影像數(shù)據(jù)，具有快速高效、便捷客觀、范圍大、重復(fù)覆蓋、不受地面影響等特點(diǎn)，在洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。無人機(jī)技術(shù)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，已成為低空遙感重要數(shù)據(jù)采集手段。2021年黃河秋汛洪水防御過程中，利用衛(wèi)星、無人機(jī)等天空地一體化技術(shù)，對(duì)黃河下游河勢(shì)、重點(diǎn)水庫水面、支流洪水、河口濕地等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。洪水遙感監(jiān)測(cè)過程主要包括遙感影像采集、影像處理、信息解譯和監(jiān)測(cè)成果分析與發(fā)布，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 秋汛洪水遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

1.遙感影像采集

（1）衛(wèi)星遙感影像采集

不同類型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源在洪水監(jiān)測(cè)中具有各自優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，洪水監(jiān)測(cè)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源可分為光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)兩類。光學(xué)衛(wèi)星遙感影像具有衛(wèi)星資源豐富、影像波段多、圖像地物信息量大等優(yōu)勢(shì)，但是易受云雨等惡劣天氣影響，主要運(yùn)用于洪水前、洪水后以及洪水期天氣條件良好時(shí)的監(jiān)測(cè)。雷達(dá)衛(wèi)星遙感影像可以穿透云層，不受惡劣天氣影響，具有全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，但是衛(wèi)星資源較少、采集成本較高、覆蓋范圍較小，主要運(yùn)用于洪水期監(jiān)測(cè)。洪水遙感監(jiān)測(cè)中常常綜合利用多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。

秋汛洪水關(guān)鍵期，黃委信息中心與中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心等數(shù)據(jù)供應(yīng)單位密切溝通，及時(shí)聯(lián)系了解衛(wèi)星過境情況。充分考慮不利天氣因素，綜合研判當(dāng)前水情、工情和未來幾天天氣變化，統(tǒng)籌衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)資源，每日根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源情況滾動(dòng)制定數(shù)據(jù)采集計(jì)劃，動(dòng)態(tài)調(diào)整雷達(dá)衛(wèi)星影像編程采集方案，最大程度保障洪水監(jiān)測(cè)區(qū)域衛(wèi)星遙感影像覆蓋范圍和頻次。秋汛洪水期間，協(xié)調(diào)高分系列、資源系列、環(huán)境減災(zāi)系列、哨兵系列等10余種光學(xué)和雷達(dá)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)資源，共計(jì)采集遙感影像110余景。

（2）無人機(jī)影像采集

洪水期間，通過研判洪水發(fā)展態(tài)勢(shì)，攜帶便攜式無人機(jī)前往黃河下游防御重點(diǎn)河段開展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，采集高精度遙感影像、傾斜攝影影像和視頻等數(shù)據(jù)，為秋汛洪水局部精細(xì)化監(jiān)測(cè)與分析提供了影像資料，協(xié)同衛(wèi)星遙感影像全方位掌握洪水變化態(tài)勢(shì)。

2.遙感影像處理

洪水遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源具有多尺度、多傳感器、多平臺(tái)特點(diǎn)，采用遙感影像處理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要包括光學(xué)衛(wèi)星遙感影像處理、雷達(dá)衛(wèi)星遙感影像處理和無人機(jī)遙感影像處理。光學(xué)衛(wèi)星遙感影像處理主要包括正射校正、圖像增強(qiáng)、波段合成、圖像鑲嵌及裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理，生成光學(xué)衛(wèi)星遙感正射影像；雷達(dá)衛(wèi)星遙感影像處理主要包括多視處理、濾波、地理編碼、幾何精校正、圖像增強(qiáng)、圖像鑲嵌及裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理，生成雷達(dá)衛(wèi)星遙感正射影像；無人機(jī)遙感影像處理主要包括像控測(cè)量、空三處理、生成DEM、正射校正、三維模型生產(chǎn)、圖像鑲嵌及裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理，生成無人機(jī)正射影像和三維模型。

3.遙感影像信息解譯

根據(jù)2021年黃河秋汛洪水防汛會(huì)商決策需要，開展了黃河下游河勢(shì)、重點(diǎn)水庫水面、支流洪水、河口濕地等監(jiān)測(cè)。在遙感影像處理基礎(chǔ)上分析洪水特點(diǎn)及其在光學(xué)和雷達(dá)衛(wèi)星遙感影像上的表現(xiàn)特征，建立洪水遙感解譯標(biāo)志，統(tǒng)一作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。采用人機(jī)交互目視解譯方式進(jìn)行信息解譯，內(nèi)容有：①黃河下游水邊線、主溜線、心灘、入海流路等信息；②汾河、渭河、北洛河、伊洛河、沁河等支流工程決口和洪水淹沒水邊線等信息；③小浪底水庫、故縣水庫歷史高水位水邊線及回水區(qū)等信息；④黃河三角洲國(guó)家自然保護(hù)區(qū)補(bǔ)水區(qū)補(bǔ)水水面、自然植被等信息。

4.監(jiān)測(cè)成果分析與發(fā)布

根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)成果，持續(xù)跟蹤分析黃河下游河勢(shì)、支流洪水、重點(diǎn)水庫水面、河口濕地等發(fā)展變化態(tài)勢(shì)，進(jìn)行解譯成果統(tǒng)計(jì)、專題圖制作，編寫洪水遙感監(jiān)測(cè)報(bào)告，及時(shí)將監(jiān)測(cè)成果在黃河一張圖平臺(tái)發(fā)布，高效支撐黃委水旱災(zāi)害防御決策會(huì)商。

二、監(jiān)測(cè)成果應(yīng)用分析

1.黃河下游河勢(shì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用分析

黃河下游自河南孟津白鶴鎮(zhèn)至入?？诤拥篱L(zhǎng)878 km，灘區(qū)面積為4 000余km2，住有百余萬居民，河道橫貫華北平原，絕大部分河段靠堤防約束。下游大量泥沙淤積，河道抬高，河勢(shì)游蕩易變，是著名的“地上懸河”，也是黃河洪水防御關(guān)注的重點(diǎn)。利用洪水前、關(guān)鍵期、退水期遙感影像，動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)黃河下游河段水面展寬、河勢(shì)變化和入海流路變化等。

對(duì)比多期遙感監(jiān)測(cè)成果發(fā)現(xiàn)，本次秋汛過程下游工程對(duì)水流控制能力強(qiáng)，河勢(shì)平穩(wěn)、河道行洪能力提升。洪水期河道整體水面展寬，心灘消失或減小，河勢(shì)整體變得順直，工程靠水壩垛增加，局部畸形河彎消失。退水期河勢(shì)穩(wěn)定，工程靠水靠溜狀況良好，部分畸形河彎消失，主槽下切束窄。

2021年汛前入海流路水流分三股入海，將攔門沙切割得較為零散，向東汊流為入海主流，向北汊流河道淤積明顯、心灘發(fā)育，且有向西擺動(dòng)趨勢(shì)。2021年秋汛洪水退水期，由汛前的三股水流入海調(diào)整為流向北與東兩汊，攔門沙也由零散變得規(guī)整，流向北股汊流發(fā)育為主流，且有向東擺動(dòng)趨勢(shì)；流向東汊流與汛前相比向南擺動(dòng)。

2.支流洪水監(jiān)測(cè)應(yīng)用分析

受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，黃河支流渭河、汾河、北洛河、伊洛河、沁河河道均遭遇歷史較大洪水。通過對(duì)比洪水前和洪水期衛(wèi)星遙感影像，監(jiān)測(cè)各支流水面、工程偎水和工程變化情況，分析洪水淹沒、工程決口等信息。

3.重點(diǎn)水庫水面監(jiān)測(cè)應(yīng)用分析

2021年秋汛洪水期間，黃河重點(diǎn)水庫實(shí)施精細(xì)化調(diào)度，充分運(yùn)用小浪底、故縣、陸渾、河口村等干支流水庫攔洪削峰，小浪底、故縣水庫水位達(dá)到歷史最高。為掌握水庫歷史高水位運(yùn)行庫區(qū)狀況，編程采集2021年秋汛洪水影響區(qū)域重點(diǎn)水庫雷達(dá)衛(wèi)星遙感影像，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)水庫庫區(qū)水面面積、回水區(qū)變化等，關(guān)注滑坡、塌岸等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況，為水庫科學(xué)調(diào)度與安全運(yùn)行提供寶貴資料。

4.河口濕地監(jiān)測(cè)應(yīng)用分析

2021年秋汛洪水期間，大洪水對(duì)黃河三角洲國(guó)家自然保護(hù)區(qū)東部保護(hù)區(qū)進(jìn)行了補(bǔ)水。利用衛(wèi)星遙感影像對(duì)比監(jiān)測(cè)補(bǔ)水區(qū)洪水前后水面變化，分析年際植被變化情況，為評(píng)估補(bǔ)水生態(tài)效果和生態(tài)環(huán)境變化提供數(shù)據(jù)。

三、結(jié)論與展望

2021年黃河秋汛洪水遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用主要成效：①根據(jù)洪水遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)特點(diǎn)并充分考慮不利天氣因素，綜合研判水、雨、工情發(fā)展變化，多方協(xié)調(diào)遙感影像資源，及時(shí)、快速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、信息解譯、應(yīng)用分析、成果發(fā)布，為全面取得秋汛洪水防御勝利提供強(qiáng)有力支撐。②通過持續(xù)動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)，獲取了本次長(zhǎng)時(shí)間、大流量洪水過程遙感監(jiān)測(cè)資料，全程記錄了秋汛洪水發(fā)生、發(fā)展、消退時(shí)空變化過程，為黃河流域水旱災(zāi)害防御積累寶貴的空、天要素觀測(cè)資料。

立足于防大汛、抗大災(zāi)，未來黃河洪水遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用應(yīng)主要圍繞以下方面開展：①加強(qiáng)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)供應(yīng)單位溝通，完善遙感數(shù)據(jù)應(yīng)急采集機(jī)制，全面加強(qiáng)無人機(jī)洪水遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用和完善遙感數(shù)據(jù)資源，進(jìn)一步

提升天空地一體化洪水遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集能力。②加快遙感影像處理等遙感作業(yè)基礎(chǔ)環(huán)境能力建設(shè)提升，提高遙感影像數(shù)據(jù)處理、解譯自動(dòng)化、智能化水平，提高遙感監(jiān)測(cè)成果時(shí)效性。③建設(shè)洪水遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，強(qiáng)化遙感監(jiān)測(cè)成果長(zhǎng)時(shí)序、智能化分析預(yù)警應(yīng)用，促進(jìn)與防汛業(yè)務(wù)深入融合應(yīng)用，提升遙感技術(shù)對(duì)防汛減災(zāi)“四預(yù)”的支撐能力。 ■