遙感技術(shù)在洪澇災(zāi)害防治體系建設(shè)中的應(yīng)用

遙感技術(shù)在洪澇災(zāi)害防治體系建設(shè)中的應(yīng)用

中國(guó)是自然災(zāi)害頻繁發(fā)生的國(guó)家之一。它也是世界上最嚴(yán)重、影響最大、受害者最多的國(guó)家之一。每年由于自然災(zāi)害和人為活動(dòng)誘發(fā)的災(zāi)害造成嚴(yán)重的人員傷亡和五六百億元計(jì)的直接經(jīng)濟(jì)損失。在各種各樣的自然災(zāi)害中,洪澇災(zāi)害是威脅我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的主要災(zāi)害之一。洪澇災(zāi)害的發(fā)生一般具有突發(fā)性特點(diǎn),要進(jìn)行洪澇災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)、救災(zāi)和安排災(zāi)后的重建需要對(duì)洪澇災(zāi)害相關(guān)信息進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的采集和反饋。而傳統(tǒng)基于人工為主的信息采集手段、過(guò)程與水平已經(jīng)很難滿足防洪抗?jié)车男枰?0世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的遙感技術(shù)因其具有觀測(cè)范圍大、獲取信息量大、速度快、實(shí)時(shí)性好、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在洪澇等自然災(zāi)害的研究中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。遙感技術(shù)在自然災(zāi)害防治中的應(yīng)用在我國(guó)可以分為四個(gè)階段,即20世紀(jì)70年代的起步階段,80年代的初步發(fā)展階段,90年代上半葉的快速發(fā)展階段和90年代以后的實(shí)際應(yīng)用階段。經(jīng)過(guò)三四十年的探索應(yīng)用和實(shí)踐,逐漸形成了貫穿災(zāi)前、災(zāi)中和災(zāi)后全過(guò)程的遙感應(yīng)用領(lǐng)域和方法。本文將對(duì)遙感技術(shù)在洪澇災(zāi)害中的作用,特別是在我國(guó)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)述,并對(duì)存在的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行探討。1災(zāi)前背景數(shù)據(jù)庫(kù)洪澇災(zāi)害背景數(shù)據(jù)的建立是洪澇災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、損失評(píng)估和救災(zāi)的基礎(chǔ)。背景數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面。一是自然數(shù)據(jù),包括地形圖、氣象條件、大氣環(huán)境、坡度、土壤、地表物質(zhì)組成、河流網(wǎng)絡(luò)和湖泊的分布及其特性;再是社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的數(shù)據(jù),包括人口分布,產(chǎn)業(yè)布局、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等。由于遙感圖像是自然環(huán)境綜合體的信息模型,通過(guò)對(duì)遙感數(shù)據(jù)的人工解譯分析或者計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類,能夠直接得到的主要是自然方面的數(shù)據(jù)。洪澇災(zāi)害背景數(shù)據(jù)的建設(shè)與更新一般在災(zāi)前進(jìn)行,強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性,因此對(duì)于遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率和光譜分辨率要求高,而對(duì)于時(shí)間分辨率的要求相對(duì)災(zāi)中的災(zāi)情監(jiān)測(cè)要低一些。常用的遙感數(shù)據(jù)包括美國(guó)的LANDSAT-TM、法國(guó)的SPOT-HRV、中國(guó)國(guó)土資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)、美國(guó)氣象衛(wèi)星NOAA-AVHRR和中國(guó)的風(fēng)云氣象衛(wèi)星,以及目前正在成為遙感熱點(diǎn)的合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)和成像光譜儀數(shù)據(jù)。NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率高達(dá)6小時(shí),但其空間分辨率較低(星下點(diǎn)為1.1km),主要應(yīng)用于大面積的洪澇災(zāi)害過(guò)程監(jiān)測(cè)。而在災(zāi)前背景數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)過(guò)程中主要應(yīng)用于氣象條件的研究,包括云量的估算、云性質(zhì)的分析、太陽(yáng)輻射量的監(jiān)測(cè)等。洪水的形成原因主要有降雨洪水,融水性洪水,工程失事型三種。利用NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)的復(fù)合提取積雪信息方法,結(jié)合監(jiān)督分類方法在地形復(fù)雜地區(qū)也取得理想的分類結(jié)果,并利用GIS進(jìn)行了積雪遙感的高效實(shí)用的制圖,及根據(jù)理論技術(shù)和數(shù)學(xué)模型,在引進(jìn)溫度、消融量、風(fēng)速和地貌等修正系數(shù)后進(jìn)行積雪量的估算,已經(jīng)取得滿意的結(jié)果。以氣象衛(wèi)星和多譜勒雷達(dá)數(shù)據(jù)在降雨定量預(yù)報(bào)和測(cè)定方面的研究也取得了新的進(jìn)展,已經(jīng)接近實(shí)用化的水平。這些遙感手段可以將傳統(tǒng)的點(diǎn)雨量監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嬗炅勘O(jiān)測(cè),充分反映了降雨量在空間分布上的不均勻性,彌補(bǔ)了雨量監(jiān)測(cè)站稀少或者沒(méi)有的缺陷,為分布式水文模型提供了輸入?yún)?shù)。LANDSAT-TM數(shù)據(jù)由于具有30m的空間分辨率、7個(gè)光譜波段和16天的時(shí)間分辨率,適合于進(jìn)行1∶50000~1∶200000比例尺的洪澇災(zāi)害背景數(shù)據(jù)采集和更新。其中對(duì)于土地利用和土地覆蓋的研究尤為普遍,雖然遙感土地利用研究的目的并不針對(duì)建立洪水災(zāi)害背景數(shù)據(jù)庫(kù)。另外,通過(guò)TM數(shù)據(jù)也可進(jìn)行河流系統(tǒng)和湖泊分布的解譯、甚至進(jìn)行湖泊和水庫(kù)的庫(kù)容測(cè)定。我國(guó)的TM數(shù)據(jù)最早起于1986年,在此以前,應(yīng)用較多的是具有79m空間分辨率的多波段MSS數(shù)據(jù)。SPOT-HRV數(shù)據(jù)的空間分辨率高達(dá)10m(多波段為20m),而且具有立體觀測(cè)能力,可以應(yīng)用于更詳細(xì)的地面資料的采集和更新。一般對(duì)應(yīng)專題地圖的比例尺可為1∶25000~1∶50000。通過(guò)對(duì)其立體像對(duì)圖像進(jìn)行立體重建,能夠得到研究區(qū)域的數(shù)字地形模型(DTM),在災(zāi)前的枯水期可用于進(jìn)行河道、河勢(shì)、河中灘島和植被的分布等影響洪水演進(jìn)的因素進(jìn)行研究。目前商用遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率越來(lái)越高,如美國(guó)空間圖像公司(SpaceImaging)的IKONOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和以色列的EROS數(shù)據(jù)為1m、俄羅斯的SPIN-2為2m、印度的BhasKara-2為2.5m等等。這些高分辨率的遙感數(shù)據(jù)為采集更加詳細(xì)和準(zhǔn)確的洪澇災(zāi)害背景數(shù)據(jù)提供了可能。例如,利用高分辨率數(shù)據(jù)調(diào)查蓄滯洪區(qū)的土地利用現(xiàn)狀。另一方面,航空遙感由于分辨率高,靈活性高、不受時(shí)間限制的優(yōu)點(diǎn),也是建設(shè)和更新洪澇災(zāi)害背景數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)重要途徑。2在洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、檢測(cè)的應(yīng)用在洪澇災(zāi)害的發(fā)生過(guò)程中,災(zāi)害承災(zāi)體的信息提取是進(jìn)行災(zāi)害損失動(dòng)態(tài)評(píng)估和安排救災(zāi)、減災(zāi)方案的前提。洪澇災(zāi)害承災(zāi)體主要是指淹沒(méi)區(qū)域內(nèi)的各種地物及其屬性,例如農(nóng)田、工礦、居民地、道路以及人口狀況等。承災(zāi)體的提取以前主要依靠利用專題地圖和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。而專題地圖數(shù)據(jù)往往不具有較好的現(xiàn)勢(shì)性,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)工,加之在災(zāi)中也無(wú)法及時(shí)進(jìn)行實(shí)地的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。如果洪澇災(zāi)害背景數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性好、內(nèi)容齊備的情況下,從災(zāi)中的遙感數(shù)據(jù)中得到洪澇災(zāi)害的淹沒(méi)范圍以后,在GIS系統(tǒng)進(jìn)行多個(gè)數(shù)據(jù)層的空間疊加操作(OVERLAY)即可進(jìn)行承災(zāi)體的快速提取。例如在1998年全國(guó)洪水肆虐期間,中國(guó)科學(xué)院利用時(shí)間序列的遙感數(shù)據(jù)快速識(shí)別洪水及其動(dòng)態(tài)信息,完成遙感監(jiān)測(cè)圖象、圖形70余幅,災(zāi)情分析報(bào)告和簡(jiǎn)報(bào)50余份,并快速傳遞到國(guó)務(wù)院和有關(guān)部委,有力地支持了抗洪救災(zāi)工作。淹沒(méi)范圍一般利用多波段衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分類,提取水體信息和水體淹沒(méi)信息,除了常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)圖像分類方法(如各種監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類方法)以外,現(xiàn)已發(fā)展了一些簡(jiǎn)單易行的新方法,如遙感波段譜間關(guān)系方法和水體判別函數(shù)法等。由于在洪澇災(zāi)害發(fā)生期間,得到的遙感影像一般會(huì)受到云量的影響,因此單純依靠水體的光譜特征還不能進(jìn)行有效的水體信息的計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取。根據(jù)NOAA衛(wèi)星的可見(jiàn)光波段和熱紅外波段,進(jìn)行自動(dòng)判別云,利用周期相近的圖像資料相對(duì)變化率來(lái)反演替代云區(qū)的灰度值,可以保證淹沒(méi)的范圍連續(xù)性和客觀性。排除云量干擾的另一個(gè)途徑是采用雷達(dá)數(shù)據(jù)。雷達(dá)圖像由于具有全天候、全天時(shí)的特點(diǎn),對(duì)于洪澇災(zāi)害的監(jiān)測(cè)更具有優(yōu)勢(shì)。我國(guó)利用機(jī)載SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行洪水監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐,在實(shí)時(shí)傳輸中等方面取得了新的進(jìn)展。利用雷達(dá)數(shù)據(jù)提取洪澇災(zāi)害淹沒(méi)范圍也得到了實(shí)際應(yīng)用。配合淹沒(méi)范圍內(nèi)的數(shù)字地形模型,可以得到洪澇災(zāi)害淹沒(méi)區(qū)域的3維信息。這種方法在江漢平原的洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)中已經(jīng)得以應(yīng)用,取得了較好的效果。在洪澇災(zāi)害背景數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)不完善的情況下,直接對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是識(shí)別和提取洪澇受災(zāi)體空間分布信息的有效途徑。對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行目視解譯來(lái)提取洪澇災(zāi)害承災(zāi)體時(shí),需要專家經(jīng)驗(yàn)和較長(zhǎng)的時(shí)間,雖然不能進(jìn)行日常性的災(zāi)中災(zāi)害承災(zāi)體的快速識(shí)別,但由于識(shí)別的精度較高,過(guò)去是、現(xiàn)在仍是一個(gè)行之有效的方法。承災(zāi)體的識(shí)別和提取一般采用遙感圖像分類的做法,其中應(yīng)用最為普遍的是最大似然法。這種方法具體實(shí)施時(shí)需要各種承災(zāi)體的訓(xùn)練樣本和先驗(yàn)概率且認(rèn)為數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的假設(shè)。為了克服最大似然法的缺陷,近年來(lái)發(fā)展了許多新的承災(zāi)體提取方法,例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、證據(jù)推理方法等。其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有解決線性問(wèn)題和非線性問(wèn)題的包容性,不要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)假設(shè),是一種非參數(shù)方法,已被應(yīng)用于災(zāi)中承災(zāi)體的快速識(shí)別和提取。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以遙感各波段數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,應(yīng)提取災(zāi)害類型作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出,類型個(gè)數(shù)與輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)一致,選擇樣本訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以后,使用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)來(lái)提取承災(zāi)體的信息。另外,隨著GIS應(yīng)用的日漸普遍,GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也將日漸豐富,從數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)掘知識(shí)并應(yīng)用于提高遙感專題分類精度的方法也逐漸得以應(yīng)用。災(zāi)中災(zāi)害信息的提取對(duì)遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率要求很高,目前廣泛采用具有6小時(shí)的NOAA-AVHRR數(shù)據(jù),例如在1998年吉林省西部的洪水監(jiān)測(cè)中,通過(guò)使用NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)進(jìn)行了洪水動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè),并完成了以農(nóng)田損失為主的災(zāi)情評(píng)估。此外靈活性高的航空遙感數(shù)據(jù)也經(jīng)常應(yīng)用于受災(zāi)體的調(diào)查中。這樣即可在數(shù)小時(shí)之內(nèi)得到洪澇災(zāi)害的災(zāi)情狀況,實(shí)現(xiàn)對(duì)洪澇災(zāi)害的快速監(jiān)測(cè)。3遙感和gis一體化的洪澇災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)災(zāi)害現(xiàn)象主要是相對(duì)于人類來(lái)說(shuō)的,因此災(zāi)害的危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)不僅取決于自然災(zāi)害本身的嚴(yán)重程度,而且還取決于受災(zāi)區(qū)域內(nèi)人類活動(dòng)的程度和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。在利用遙感和GIS進(jìn)行災(zāi)害損失評(píng)估中,一方面需要準(zhǔn)確了解災(zāi)害本身的信息和災(zāi)害承受體的信息,另一方面掌握災(zāi)害發(fā)生前的背景數(shù)據(jù)作為對(duì)比。當(dāng)然數(shù)據(jù)的精度越高,得到的災(zāi)害評(píng)估結(jié)果也就越詳細(xì)和可靠。洪澇災(zāi)害具有時(shí)效短的特點(diǎn),因此需要在精度和速度兩個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡利弊。遙感數(shù)據(jù)、往往是具有較高時(shí)間分辨率的遙感數(shù)據(jù)作為一個(gè)快速提取災(zāi)害信息和承災(zāi)體信息的數(shù)據(jù)源,結(jié)合洪澇災(zāi)害的背景數(shù)據(jù)庫(kù),利用洪澇災(zāi)害本身的專業(yè)模型,例如洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)模型、洪水演進(jìn)模型、危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型、洪水淹沒(méi)范圍計(jì)算模型、洪澇災(zāi)害淹沒(méi)損失評(píng)價(jià)模型等等。在GIS系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算,以期快速得到各種評(píng)價(jià)結(jié)果,為安排災(zāi)中救災(zāi)和災(zāi)后重建工作提供科學(xué)的決策支持。遙感數(shù)據(jù)在于獲取信息的速度快,是這些模型計(jì)算的主要驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)之一;而GIS為模型計(jì)算中其它數(shù)據(jù)的快速獲取提供了保證,GIS強(qiáng)大的空間分析方法也大大縮短了以往手工信息處理的時(shí)間,GIS豐富的數(shù)據(jù)表達(dá)能力有助于以直觀形象的形式表達(dá)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)結(jié)果。遙感和GIS一體化的洪澇災(zāi)害災(zāi)情快速評(píng)估系統(tǒng)在我國(guó)幾次特大洪水災(zāi)害中得到了應(yīng)用,2天內(nèi)提供災(zāi)情的初步分析報(bào)告,大大提高了對(duì)洪澇災(zāi)害應(yīng)急反應(yīng)的技術(shù)能力。例如在1998年全國(guó)特大洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)中,建立在遙感、GIS和分析模型基礎(chǔ)之上的洪水速報(bào)系統(tǒng),能夠快速地進(jìn)行洪水地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物損失地評(píng)估、防洪工程的有效性分析、長(zhǎng)江洪水蓄洪分洪的必要性分析、防洪減災(zāi)的決策建議以及災(zāi)后的重建規(guī)劃等等。需要指出的是,應(yīng)用模型是關(guān)鍵,要提高遙感洪澇災(zāi)害模型計(jì)算中的精度和可靠性,一方面需要進(jìn)一步探索洪澇災(zāi)害中的各種應(yīng)用模型。另外,從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā),還需要建立遙感洪澇災(zāi)害模型計(jì)算的技術(shù)規(guī)范,繼承已有研究成果,促進(jìn)不同評(píng)價(jià)單位之間的協(xié)同工作。4在洪水災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估中的應(yīng)用要了解洪澇災(zāi)害發(fā)生發(fā)展過(guò)程、進(jìn)行災(zāi)害損失和災(zāi)害的預(yù)測(cè),并為進(jìn)一步的救災(zāi)和減災(zāi)決策提供科學(xué)依據(jù),必須將遙感技術(shù)和GIS結(jié)合起來(lái),將遙感作為快速獲取災(zāi)害背景數(shù)據(jù)、孕災(zāi)環(huán)境數(shù)據(jù)、致災(zāi)因子和災(zāi)害承受體信息的一個(gè)重要手段,實(shí)現(xiàn)效率和效益并重的目的,將信息接收、傳輸、處理和分析全過(guò)程壓縮到動(dòng)態(tài)中,實(shí)現(xiàn)對(duì)洪澇災(zāi)害實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。我國(guó)對(duì)于這方面的建設(shè)比較重視,目前已經(jīng)建成了洪澇災(zāi)情遙感速報(bào)系統(tǒng)并在1998年的洪水中發(fā)揮了顯著作用。針對(duì)黃河流域洪澇災(zāi)害的衛(wèi)星遙感災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)也于2000年進(jìn)入試運(yùn)行的階段?；贕IS和遙感的災(zāi)害應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)雖然各個(gè)地方的軟硬件環(huán)境有所不同,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)有所差別,但系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)一般都可以用圖1簡(jiǎn)要表達(dá)。GIS的空間分析工具可以幫助制定出優(yōu)化的減災(zāi)和救災(zāi)方案,例如是否啟用分洪區(qū)、分洪區(qū)的選擇、災(zāi)民疏散的最佳路徑、災(zāi)后重建的功能分區(qū)等等。5加強(qiáng)預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè),提高預(yù)報(bào)結(jié)果的生物基遙感技術(shù)在洪澇災(zāi)害的災(zāi)前預(yù)警預(yù)報(bào)、災(zāi)中的災(zāi)情監(jiān)測(cè)和損失評(píng)估和安排救災(zāi)、災(zāi)后減災(zāi)與重建中都具有很大的應(yīng)用潛力。遙感尤其和GIS結(jié)合后將有助于解決洪澇災(zāi)害減災(zāi)的兩個(gè)核心問(wèn)題,即快速而準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)致災(zāi)事件,對(duì)災(zāi)