遥感技术在洪涝监测中的应用

陈德清

陈德清，水利部信息中心数据中心副主任，教授级高工。主要从事水利遥感应用、水利信息系统设计与建设等研究。参与完成了高分辨率重大专项（民用部分）水利业务应用示范系统、国家防汛抗旱指挥系统、国家水资源监控能力监测项目等国家重点科技专项、国家重点工程、水利部以及省级以上项目50余项，出版专著5部，发表论文20余篇，获省部级二等奖以上奖励10次。

我国地域广阔、自然条件复杂、洪涝灾害发生频度高，损失严重。虽然我国已建立了比较完善的地面监测和灾情统计体系，建立了上下联通的信息传输网络，但由于地面监测网络的覆盖程度不够，不能很好地满足应急指挥调度和精细化管理要求，因而卫星遥感技术的应用成为对常规手段的必要补充。通过卫星遥感手段可填补无地面监测站点的空白区的覆盖，并且通过遥感卫星对地面的扫描式全面地表信息采集，实现监测站点无法实现的对洪水范围、淹没面积、淹没水深和影响评价等要素的监测，补充地面监测站的信息种类和范围。

卫星遥感数据资源及业务需求

（一）卫星数据资源

目前我国已经基本形成由低、中、高分辨率，光学和雷达多种类型载荷组成的卫星体系（图1），可用于洪涝遥感监测应用。其中静止轨道卫星高分四号，一天数次对地进行观测，空间分辨率达50米，主要对水体动态以及地表植被状况进行观测。中等分辨率的陆地资源卫星，几天到十几天对关注地区观测一次，空间分辨率从几米到几十米，主要解决对资源的普查和地表要素的观测与反演问题。通过高分辨率观测卫星，需要数十天重复观测一次，可完成对地表对象的详查和大尺度的地表要素观测。洪涝遥感监测主要卫星数据源见表1。

（二）洪涝监测业务需求

卫星遥感具有覆盖面广、时效性强等特点，与地面监测站网数据的融合使用，能有效提升防汛工作的科学决策能力，提升突发水事件应急处置能力，支撑水利常规业务工作。通过遥感技术手段快速定位灾害发生位置，提取洪涝范围，分析淹没水量和水深，评估和预测洪涝对耕地、居民地、城镇、公路、铁路和工矿企业的影响，估计受灾人口、受淹房屋数量等。通过水利遥感数据处理与服务平台，完成多源数据的采集、快速处理、信息快速提取、融合分析和专题产品快速生产。实现对洪涝事件的快速响应、持续监测、及时上报和深入分析。卫星遥感洪涝监测业务需求如图2所示。

图1 对地观测卫星用于洪涝监测

表1 洪涝遥感监测主要卫星数据源

图2 卫星遥感洪涝监测业务需求

图3 洪涝水体提取技术流程图

洪涝水体快速提取

（一）洪涝水体提取

遥感影像是卫星上装载的传感器对地表扫描采集的电磁波数据，在洪涝灾监测业务中需要将这些影像数据快速转换为水体范围等业务信息。处理过程应尽量减少人的干预，在确保精度的前提下提高处理速度，降低误提错提概率。在天气晴好的条件下，主要应用光学影像，在阴雨有云覆盖条件下，主要采用可穿透云雨的雷达影像数据。

图4 2013年黑龙江大洪水肇兴镇堤防溃口淹没区和退水区分布图

光学影像中水体的影像特征明确，边界清晰，精度高。光学影像提取的方法很多，如单波段阈值法、比值法、植被指数法、水体指数法和面向对象法等。经过实际应用，采用自适应的水体指数阈值分割方法进行水体快速提取效果较好。雷达数据具有穿透云雨，可以全天候工作的特点，但是雷达数据会受地形影响，对于山区会将阴影误判为水体。应用雷达数据进行水体提取，一般同时需要同时加载地形数据作为辅助数据。洪涝水体提取技术流程如图3所示。

（二）洪水淹没区和退水区的区分

对于洪涝监测中还会遇到水势涨落，即涨水和退水的区分问题。在连续监测过程中，涨水形成淹没范围扩大是单方向的，而在退水期，洪水回退，地表水面面积减少，但是在地表经常还会存留一部分不连续的浅水和饱和土壤，而实际工作中需要将二者区分开来。2013年黑龙江大洪水肇兴镇堤防溃口淹没区和退水区分布如图4所示。

图5 江西省鄱阳县向红联圩堤溃决淹没范围图（2016年6月22日）

洪涝范围识别和要素提取

（一）洪涝范围识别

针对遥感影像获取的水体范围，下一步需要做的就是洪涝范围的识别。这方面主要解决的就是哪些是被水淹没的，哪些原来就是水体范围。处理方式主要有两种：一种是将发生洪涝灾害后的影像提取的水体，与洪涝灾害前的遥感影像提取的水体做减法，获取水体的变化部分。另一种，根据用水防护设施，如堤防，以及事先划定的本底水体做对比。这两种方法对比，第二种方法在业务上更准确，但是需要事先做好基础数据的准备。图5为2016年6月22日发生的江西省鄱阳县向红联圩堤溃决形成的淹没范围，该淹没范围靠近河道一侧，是以堤防为边界。

（二）洪涝要素提取

应用遥感影像的空间信息，可以利用地理信息系统工具的测量功能，量取水面宽度、水面长度等数量，这些数据对于抢险救灾和洪水预测预报具有意义。结合地形数据，可以估算淹没水量、淹没水深等数据，如果堤防发生溃决还可以量算溃口宽度等重要数据。洪水淹没范围和专题要素提取技术流程如图6所示。2013年黑龙江大洪水洪涝要素提取如图7所示。

图6 洪水淹没范围和专题要素提取技术流程图

图7 2013年黑龙江大洪水洪涝专题要素提取

图8 洪涝评估的三个层次

图9 多层次洪涝评估相互关系示意图

洪涝影响评价分析

从洪涝影响评估的角度，洪涝的评估可以分为三个层次，即影响评估、受灾程度评估和经济损失评估，见图8。

影响评估主要估计淹没范围内的居民地（县城、乡镇、村庄）、房屋、人口、耕地、交通线等受灾体的数量及空间分布状况。受灾程度评估则计算不同损失程度受灾体的数量及空间分布状况。而经济损失评估则以货币形式来表达损失值的大小。不同评估层次的选择主要依赖于资料状况和评估时间要求。不同评估层次的相互关系见图9。

针对洪涝遥感监测特点，开展影响评估速度快，可以为决策支持部分快速提供信息的洪涝遥感监测，是洪涝发生过程中的最主要的工作。进一步可以运用空间模型对洪涝期间的基于河道断面的洪水预报结果进行拓展，根据水位预报，预报对应的淹没区，基于精细地形数据对超大水体和河道外洪水水量估算，根据预报的淹没范围，预报村庄、房屋、交通线、耕地等淹没标的物，运用叠置分析方法，实时统计洪水范围内承灾体的信息统计。2014年云南鲁甸地震影响评价分析如图10所示。

图10 2014年云南鲁甸地震影响评价分析示意图（a ）遥感影像图；（b）淹没面积、容积回水分析；（c）最大影响范围分析

总结与展望

卫星遥感技术可以应用于洪涝灾情的监测和评估，其主要优势表现在其对灾害发生区域进行大范围扫描，有利于第一时间对灾害事件进行响应，特别是灾害发生范围大、交通不便的情况下，卫星遥感几乎是唯一的手段。通过遥感手段可以获取洪涝水体范围、淹没范围、淹没水量水深、受灾体影响评估等多种要素，这些要素丰富了应急指挥决策的信息资源，也填补了地面监测无法获取的空白信息。

在灾害发生期间，灾区往往是多云、降雨天气，光学遥感卫星受限于天气的影响，难以获取高质量的遥感影像；而雷达成像则不受天气影响，可以在应急响应中发挥更加重要的作用。在深度分析中，迫切需要高精度的基础地形数据用于计算库容曲线、堰塞体高程、堰塞湖水位等信息，但目前可以获取的地形数据精度距离业务需求还有较大差距。另外可靠的本底数据，如灾区的居民地和房屋分布、人口分布、道路等基础设施分布数据也是进行洪涝遥感监测分析的有效保障。在高时效卫星遥感和高精度的基础本底数据的支持下，遥感技术在洪涝监测评估和应急指挥工作中将发挥越来越大的作用。