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遥感技术在防汛抗旱中的应用

李纪人
责任编辑:范江涛 来源:

  遥感技术作为现代地球空间信息的重要手段,在水利行业具有广泛的应用前景,特别是能为防汛抗旱减灾提供有效的空间信息与技术支持。与常规信息获取手段相比,遥感具有监测范围大、监测周期短、获取资料及时、可全天候工作以及经济、客观等优势。不受地域、灾害和恶劣天气限制的特点使其有能力进行连续不断的动态监测。随着航天技术和地球空间数据获取手段的不断发展,遥感技术正在进入一个全新的飞速发展阶段,已具备全方位为防汛抗旱提供动态、快速、多平台、多时相、高分辨率监测的平台基础和技术条件。

遥感技术在防洪减灾中的应用

  洪涝灾害监测评估

  洪涝灾害的监测在本质上是对水体面积的监测,灾害发生时水体面积与水体本底面积(正常状态时的面积)之差就是受淹面积。水体提取是基于水体在可见光波段的反射率随着波长的增大而急剧下降,在红外波段反射率降到最低,在微波段则是由于水面镜面反射导致后向反射少的电磁波响应特征,这是遥感影像提取水体的主要依据。本底水体主要用可见光影像提取,而灾害发生时的水体主要依靠可全天候全天时监测的微波影像提取。目前,可供水体提取的遥感卫星数据有很多种,空间分辨率从几百米到米级甚至亚米级,可视实际需要选用。航空遥感,尤其是无人机具有更高的自主性,是实时监测的重要手段。

  由于遥感数据,尤其是国产数据源的不断丰富,实现洪涝灾害全过程监测是可行和必要的,以利于防洪救灾的决策。

  目前洪涝灾害评估的主要内容是各行政单元内受淹总面积和各类土地利用的面积,特别是耕地和居民地面积,重要工矿企业、大型商场、医院、学校、受淹历时、水深、影响人口、受淹铁路和公路的长度。

  洪涝灾害评估一个很重要的基础是空间展布的社会经济数据库,受淹范围与行政界线是不一致的,以行政单位统计的社会经济数据必须展布到空间上。受淹范围内的耕地、交通、重要工矿企业等一般比较明显,可直接提取。但受淹房屋间数和受影响人口要通过受淹居民地面积估算。同样的居民地面积上,居住的人口和房屋间数是不一样的,因此首先要根据统计年鉴上的城镇人口和农村人口分别分摊到城镇和农村居民地面积上,各个地区农村的房屋结构和类型都有一定的特点,因此从居民地面积估算户籍人口和房屋间数从多个实验点的计算结果来看是可行的。当然,当前人口的流动性非常大,户籍人口和实际居住人口的差别非常大,但这也不是一般技术方法能够解决的。

  我国洪涝灾害遥感监测兴起于20世纪80年代,通过国家“六五”“七五”“八五”重点科技攻关项目,对洪涝灾害遥感监测评估的业务化运行模式进行了长期不懈的探索,解决了软件、数据、模型与方法的集成问题,建成了一些试点区的基础背景数据库、图形库和图像库,使洪涝灾害的遥感监测评估水平提高了一大步,在国内外已有较大影响。

  水利工程安全监测

  遥感技术可用于水利工程的全生命周期管理,在规划、设计、施工、运行各环节都能发挥作用,水利工程安全与防洪减灾关系密切。涉及安全监测的典型应用有以下5个方面:大坝安全监测,主要是通过侧视合成孔径雷达观测坝体的水平和垂直方向的位移、变形;库容曲线测量和修正,通过多时相的不同水位下的遥感影像提取出来的水面面积,配合实测水位就可以得到库容曲线;库区滑坡监测,可以根据多种因素分析确定的滑坡危险区的位移并发出预警,以便采取措施防止滑坡的发展与产生或确定应对方案;大坝和堤防溃决监测,提供视野更宽阔的动态和定量监测;强震对水利工程影响的监测,特别是对于边远地区的水利工程,遥感是一个迅速获取裂缝、断裂等具体信息的有效手段,在实际工作中的应用也得到了肯定。

  洪水预报预警

  洪水预报预警是防汛的重要非工程措施之一。随着遥感技术和洪水预报技术的发展,遥感技术能为洪水预报模型的建立、模型参数的率定提供越来越多的信息,例如:地形、土壤含水量、蒸散发、地表温度、坡度、坡向、土壤类型、植被类型和密度、土地利用、小水库和塘坝、不透水面积、基岩岩性等,有可能成为解决无资料或者少资料地区洪水预报的技术途径之一。

  洪水风险图

  洪水风险图作为一种重要的非工程减灾措施,已引起世界各国的高度重视,目前已广泛应用于防洪减灾之中,是我国近年来开展的一项重要工作。在洪水灾害风险分析和评价中,很多信息都是通过遥感手段获取的。这些信息主要包括两大类:一是孕灾环境信息;二是承灾体信息。孕灾环境信息包括地形、地貌、植被、水系和湖泊等水体分布信息等;承灾体信息包括土地利用、居民地、耕地、公路、铁路等信息。

  防洪规划

  制定防洪规划需要很多资料,遥感技术提供的数据主要包括以下3个方面:流域和保护区的自然地理概况;重点保护对象,即洪水可能造成重大经济损失、毁灭性灾害的地区,如重要城市、工矿企业、交通干线、文物古迹或大面积农田等;历史大洪水发生时受淹范围的遥感影像,能提供最直观、最客观和最综合的规划依据。

遥感技术在旱情监测评估中的应用

  我国水资源总量上的不丰富与时空分布上的不均匀决定了我国大范围干旱的频繁发生。干旱一直是农业发展最主要的制约因素之一,旱灾也一直是我国造成经济损失最大的自然灾害之一。

  干旱至今还没有一个统一的定义,出于不同的关注对象有不同的衡量指标,如气象干旱是指降水和蒸发不平衡造成的水分短缺,常用降水量、气温、蒸散发量等指标反映;农业干旱是指作物体内水分亏缺已影响作物正常生长发育,常以土壤含水量和农作物生长状态等指标反映;水文干旱是降水与地表水、土壤水及地下水收支不平衡造成的水分短缺,常用径流量、蓄水量、土壤含水量、河道水位、地下水位等指标反映。另外,生态干旱、社会经济干旱的概念也提出了一段时间,其衡量指标相对比较复杂,反映指标的确定也在不断完善中。

  干旱在空间分布上是以片为主要特征的,范围比较大,其发生也不是突发性的,有个发展过程。常用的墒情观测系统一是其空间代表性不足,不能反映面上的情况;二是建设和维护成本较高。用遥感监测干旱则符合其监测的格局要求,可以充分发挥其优势。

  干旱监测

  遥感技术可以提供的信息包括土壤含水量、能反映植物生长形态的植被指数、湖库等水源地的面积、地表温度、蒸散发、大宗农作物种植的空间分布。

  土壤含水量是多种干旱要考虑的指标,不但与干旱有关,与洪水预警预报也有关系。此外,植物生长形态也是普遍关注的指标,本文主要介绍这两方面信息的遥感提取模型和方法。目前,模型中的参数通常用具有较好代表性的地面墒情站的实测数据率定,陆面过程模型是目前发展迅速的更为有效的方法。

  微波遥感具有全天时和全天候的优势,是目前提取地表0~5厘米土壤含水量的精度最高的技术途径,有的反演模型能达到与实测值相关系数高达0.95的精度。微波遥感可分为被动微波遥感和主动微波遥感两种,两者结合可在空间和时间分辨率上互补。地表粗糙度和植被是影响其精度的主要因素。另外,其局限性是只能反演表层的湿度,而真正需要的整个包气带或作物根系层的土壤含水量无法反演。

  土壤含水量与土壤的介电参数有较敏感的关系,土壤从干到湿介电参数有从0到40的变化,而介电参数与土壤的热惯量有密切的关系。通过遥感数据获取的地表温度的变化可以反演土壤的热惯量,从而实现监测土壤含水量的目的。此法把土壤和地表的植被作为一个整体来考虑,因此只适合裸土,为此后来又加入了植被指数以考虑地表植被的影响。

  植物生长形态

  植物生长形态是指植物的长势,对农业来说是农作物,对生态来说是植物。植物叶片在红波段有强吸收,在近红外波段有高反射,通过有意扩大其差别的模型结构可定量描述反映植被的生长状况乃至覆盖度、密度等要素。

  干旱监测的模型很多,但必须考虑区域的适用性。微波遥感具有全天时和全天候的优势,而可见光则受云的影响。在南方很多地区,整个区域内都无云的可能性很小,即使要在一旬内拼出一幅全区域无云的影像也不容易,因此必须考虑反演模型的适用性。

  旱情评估

  水分短缺,即干旱不一定直接造成不利影响和损失。旱情以干旱监测为基础,是侧重考虑水分短缺对经济社会相关领域造成的影响情况,从无影响直到严重影响,可以有多个等级,旱情严重到一定程度就会发生旱灾。不同定义的干旱,其反映因素不同,评估指标自然不同。而水分短缺也不一定就是旱情严重。以农业干旱为例,农作物在不同的生长阶段其需水量是不同的,如在干旱发生时,农作物需水量不多,则旱情并不严重;此外,不同的农作物需水量不同,同样的干旱情况下,有的可能缺水有的则不缺水。我国幅员辽阔,南北跨多个气候带,同样的农作物和同样的干旱情况下,可能南方缺水而北方不缺水。因此,相对于监测而言,旱情评估更为复杂,要考虑到评估对象和时空的差异性。

  从旱情遥感监测评估干旱的结果来说,大部分人对其总的态势在定性上是认可的。从应用角度上看是有余地发挥作用的,定量和指标分级以及区域的模型适用性及参数等问题可以在应用中逐步解决。旱情遥感监测评估系统纳入了国家防汛抗旱指挥系统二期,应该说是旱情遥感发展的极好的机遇和挑战,且目前已经建成了水利部旱情遥感监测系统,能够实现全国和重点区域的旱情监测。同时,旱灾损失评估以及各种抗旱措施的经济效益比较分析对抗旱减灾也是十分重要的,遥感技术可以发挥应有的作用。

  随着水利现代化,尤其是水利信息化与遥感技术的发展,遥感在防汛抗旱中发挥的作用越来越大,应用范围在不断扩大,应用深度与业务需求不断接近。遥感应用技术的发展必须以应用需求为驱动,以实现为业务工作提供服务为发展的目标,加强在业务工作中的推广应用,使遥感技术真正成为专业人员的常用工具。


发布时间:2017年07月04日
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