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

中國是自然災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家之一。它也是世界上最嚴重、影響最大、受害者最多的國家之一。每年由于自然災(zāi)害和人為活動誘發(fā)的災(zāi)害造成嚴重的人員傷亡和五六百億元計的直接經(jīng)濟損失。在各種各樣的自然災(zāi)害中,洪澇災(zāi)害是威脅我國國民經(jīng)濟和人民生命財產(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,要進行洪澇災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報、救災(zāi)和安排災(zāi)后的重建需要對洪澇災(zāi)害相關(guān)信息進行及時、準確、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、過程與水平已經(jīng)很難滿足防洪抗?jié)车男枰?0世紀60年代發(fā)展起來的遙感技術(shù)因其具有觀測范圍大、獲取信息量大、速度快、實時性好、動態(tài)性強等優(yōu)點,在洪澇等自然災(zāi)害的研究中得到越來越多的應(yīng)用。遙感技術(shù)在自然災(zāi)害防治中的應(yīng)用在我國可以分為四個階段,即20世紀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年代以后的實際應(yīng)用階段。經(jīng)過三四十年的探索應(yīng)用和實踐,逐漸形成了貫穿災(zāi)前、災(zāi)中和災(zāi)后全過程的遙感應(yīng)用領(lǐng)域和方法。本文將對遙感技術(shù)在洪澇災(zāi)害中的作用,特別是在我國的研究現(xiàn)狀進行評述,并對存在的問題和未來的發(fā)展進行探討。1災(zāi)前背景數(shù)據(jù)庫洪澇災(zāi)害背景數(shù)據(jù)的建立是洪澇災(zāi)害預(yù)警預(yù)報、損失評估和救災(zāi)的基礎(chǔ)。背景數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容主要包括兩個方面。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;再是社會經(jīng)濟方面的數(shù)據(jù),包括人口分布,產(chǎn)業(yè)布局、經(jīng)濟發(fā)展狀況等。由于遙感圖像是自然環(huán)境綜合體的信息模型,通過對遙感數(shù)據(jù)的人工解譯分析或者計算機自動分類,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)前進行,強調(diào)的是數(shù)據(jù)的準確性和可靠性,因此對于遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率和光譜分辨率要求高,而對于時間分辨率的要求相對災(zāi)中的災(zāi)情監(jiān)測要低一些。常用的遙感數(shù)據(jù)包括美國的LANDSAT-TM、法國的SPOT-HRV、中國國土資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)、美國氣象衛(wèi)星NOAA-AVHRR和中國的風(fēng)云氣象衛(wèi)星,以及目前正在成為遙感熱點的合成孔徑雷達數(shù)據(jù)和成像光譜儀數(shù)據(jù)。NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)的時間分辨率高達6小時,但其空間分辨率較低(星下點為1.1km),主要應(yīng)用于大面積的洪澇災(zāi)害過程監(jiān)測。而在災(zāi)前背景數(shù)據(jù)庫的建設(shè)過程中主要應(yīng)用于氣象條件的研究,包括云量的估算、云性質(zhì)的分析、太陽輻射量的監(jiān)測等。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進行了積雪遙感的高效實用的制圖,及根據(jù)理論技術(shù)和數(shù)學(xué)模型,在引進溫度、消融量、風(fēng)速和地貌等修正系數(shù)后進行積雪量的估算,已經(jīng)取得滿意的結(jié)果。以氣象衛(wèi)星和多譜勒雷達數(shù)據(jù)在降雨定量預(yù)報和測定方面的研究也取得了新的進展,已經(jīng)接近實用化的水平。這些遙感手段可以將傳統(tǒng)的點雨量監(jiān)測轉(zhuǎn)變?yōu)槊嬗炅勘O(jiān)測,充分反映了降雨量在空間分布上的不均勻性,彌補了雨量監(jiān)測站稀少或者沒有的缺陷,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個光譜波段和16天的時間分辨率,適合于進行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建立洪水災(zāi)害背景數(shù)據(jù)庫。另外,通過TM數(shù)據(jù)也可進行河流系統(tǒng)和湖泊分布的解譯、甚至進行湖泊和水庫的庫容測定。我國的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10m(多波段為20m),而且具有立體觀測能力,可以應(yīng)用于更詳細的地面資料的采集和更新。一般對應(yīng)專題地圖的比例尺可為1∶25000~1∶50000。通過對其立體像對圖像進行立體重建,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行河道、河勢、河中灘島和植被的分布等影響洪水演進的因素進行研究。目前商用遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率越來越高,如美國空間圖像公司(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)為采集更加詳細和準確的洪澇災(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、不受時間限制的優(yōu)點,也是建設(shè)和更新洪澇災(zāi)害背景數(shù)據(jù)庫的一個重要途徑。2在洪澇災(zāi)害監(jiān)測、檢測的應(yīng)用在洪澇災(zāi)害的發(fā)生過程中,災(zāi)害承災(zāi)體的信息提取是進行災(zāi)害損失動態(tài)評估和安排救災(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)場調(diào)查。而專題地圖數(shù)據(jù)往往不具有較好的現(xiàn)勢性,現(xiàn)場調(diào)查的方法費時費工,加之在災(zāi)中也無法及時進行實地的現(xiàn)場調(diào)查。如果洪澇災(zāi)害背景數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性好、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)害的淹沒范圍以后,在GIS系統(tǒng)進行多個數(shù)據(jù)層的空間疊加操作(OVERLAY)即可進行承災(zāi)體的快速提取。例如在1998年全國洪水肆虐期間,中國科學(xué)院利用時間序列的遙感數(shù)據(jù)快速識別洪水及其動態(tài)信息,完成遙感監(jiān)測圖象、圖形70余幅,災(zāi)情分析報告和簡報50余份,并快速傳遞到國務(wù)院和有關(guān)部委,有力地支持了抗洪救災(zāi)工作。淹沒范圍一般利用多波段衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行圖像分類,提取水體信息和水體淹沒信息,除了常見的計算機圖像分類方法(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受到云量的影響,因此單純依靠水體的光譜特征還不能進行有效的水體信息的計算機自動提取。根據(jù)NOAA衛(wèi)星的可見光波段和熱紅外波段,進行自動判別云,利用周期相近的圖像資料相對變化率來反演替代云區(qū)的灰度值,可以保證淹沒的范圍連續(xù)性和客觀性。排除云量干擾的另一個途徑是采用雷達數(shù)據(jù)。雷達圖像由于具有全天候、全天時的特點,對于洪澇災(zāi)害的監(jiān)測更具有優(yōu)勢。我國利用機載SAR數(shù)據(jù)進行洪水監(jiān)測進行了大量的研究和實踐,在實時傳輸中等方面取得了新的進展。利用雷達數(shù)據(jù)提取洪澇災(zāi)害淹沒范圍也得到了實際應(yīng)用。配合淹沒范圍內(nèi)的數(shù)字地形模型,可以得到洪澇災(zāi)害淹沒區(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)庫建設(shè)不完善的情況下,直接對遙感數(shù)據(jù)進行分析是識別和提取洪澇受災(zāi)體空間分布信息的有效途徑。對遙感數(shù)據(jù)進行目視解譯來提取洪澇災(zāi)害承災(zāi)體時,需要專家經(jīng)驗和較長的時間,雖然不能進行日常性的災(zāi)中災(zāi)害承災(zāi)體的快速識別,但由于識別的精度較高,過去是、現(xiàn)在仍是一個行之有效的方法。承災(zāi)體的識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。這種方法具體實施時需要各種承災(zāi)體的訓(xùn)練樣本和先驗概率且認為數(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題和非線性問題的包容性,不要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的統(tǒng)計假設(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,類型個數(shù)與輸出層的神經(jīng)元個數(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)庫存儲的數(shù)據(jù)也將日漸豐富,從數(shù)據(jù)庫發(fā)掘知識并應(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)害信息的提取對遙感數(shù)據(jù)的時間分辨率要求很高,目前廣泛采用具有6小時的NOAA-AVHRR數(shù)據(jù),例如在1998年吉林省西部的洪水監(jiān)測中,通過使用NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)進行了洪水動態(tài)的監(jiān)測,并完成了以農(nóng)田損失為主的災(zāi)情評估。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)小時之內(nèi)得到洪澇災(zāi)害的災(zāi)情狀況,實現(xiàn)對洪澇災(zāi)害的快速監(jiān)測。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)象主要是相對于人類來說的,因此災(zāi)害的危險程度評價不僅取決于自然災(zāi)害本身的嚴重程度,而且還取決于受災(zāi)區(qū)域內(nèi)人類活動的程度和社會經(jīng)濟發(fā)展水平。在利用遙感和GIS進行災(zāi)害損失評估中,一方面需要準確了解災(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)作為對比。當然數(shù)據(jù)的精度越高,得到的災(zāi)害評估結(jié)果也就越詳細和可靠。洪澇災(zāi)害具有時效短的特點,因此需要在精度和速度兩個方面進行權(quán)衡利弊。遙感數(shù)據(jù)、往往是具有較高時間分辨率的遙感數(shù)據(jù)作為一個快速提取災(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,利用洪澇災(zāi)害本身的專業(yè)模型,例如洪澇災(zāi)害預(yù)報模型、洪水演進模型、危險度評價模型、洪水淹沒范圍計算模型、洪澇災(zāi)害淹沒損失評價模型等等。在GIS系統(tǒng)中進行實時的計算,以期快速得到各種評價結(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,是這些模型計算的主要驅(qū)動數(shù)據(jù)之一;而GIS為模型計算中其它數(shù)據(jù)的快速獲取提供了保證,GIS強大的空間分析方法也大大縮短了以往手工信息處理的時間,GIS豐富的數(shù)據(jù)表達能力有助于以直觀形象的形式表達數(shù)據(jù)和預(yù)測結(jié)果。遙感和GIS一體化的洪澇災(zāi)害災(zāi)情快速評估系統(tǒng)在我國幾次特大洪水災(zāi)害中得到了應(yīng)用,2天內(nèi)提供災(zāi)情的初步分析報告,大大提高了對洪澇災(zāi)害應(yīng)急反應(yīng)的技術(shù)能力。例如在1998年全國特大洪澇災(zāi)害監(jiān)測中,建立在遙感、GIS和分析模型基礎(chǔ)之上的洪水速報系統(tǒng),能夠快速地進行洪水地動態(tài)監(jiān)測、農(nóng)作物損失地評估、防洪工程的有效性分析、長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)害模型計算中的精度和可靠性,一方面需要進一步探索洪澇災(zāi)害中的各種應(yīng)用模型。另外,從實際應(yīng)用的角度出發(fā),還需要建立遙感洪澇災(zāi)害模型計算的技術(shù)規(guī)范,繼承已有研究成果,促進不同評價單位之間的協(xié)同工作。4在洪水災(zāi)害監(jiān)測與評估中的應(yīng)用要了解洪澇災(zāi)害發(fā)生發(fā)展過程、進行災(zāi)害損失和災(zāi)害的預(yù)測,并為進一步的救災(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,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重要手段,實現(xiàn)效率和效益并重的目的,將信息接收、傳輸、處理和分析全過程壓縮到動態(tài)中,實現(xiàn)對洪澇災(zāi)害實時、準確的監(jiān)測。我國對于這方面的建設(shè)比較重視,目前已經(jīng)建成了洪澇災(zāi)情遙感速報系統(tǒng)并在1998年的洪水中發(fā)揮了顯著作用。針對黃河流域洪澇災(zāi)害的衛(wèi)星遙感災(zāi)害監(jiān)測與評估系統(tǒng)也于2000年進入試運行的階段?；贕IS和遙感的災(zāi)害應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)雖然各個地方的軟硬件環(huán)境有所不同,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計也會有所差別,但系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)一般都可以用圖1簡要表達。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加強預(yù)報和監(jiān)測,提高預(yù)報結(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、災(zāi)中的災(zāi)情監(jiān)測和損失評估和安排救災(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)的兩個核心問題,即快速而準確地預(yù)報致災(zāi)事件,對災(zāi)