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防洪減災，空天地一體化遙感監(jiān)測如何發(fā)揮作用

日期：2023-03-22 09:22:04 瀏覽：1303

我國地處東亞大陸，地形地勢復雜，氣候地區(qū)差異大，東部受季風氣候和熱帶氣旋影響，降雨量年內分布不均，暴雨洪澇災害突出，大約2/3的國土面積有著不同類型和不同危害程度的洪澇災害，是世界上洪澇災害最嚴重的國家之一。據(jù)《中國水旱災害防御公報2019》統(tǒng)計，我國每年因洪澇災害遭受直接經(jīng)濟損失超過1500億元。
新中國成立以來，我國建立了較為完善的防洪工程體系，同時也建立了洪水監(jiān)測、預報、預警等非工程體系。但隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的發(fā)展和全球氣候變化影響加劇，我國面臨的防洪形勢日趨嚴峻，亟須進一步強化科技引領，提升洪澇災害防御能力。
遙感技術具有觀測范圍大、獲取信息量大、速度快、實時性好、動態(tài)性強等優(yōu)勢，在防洪減災中發(fā)揮著越來越重要的作用。在2021年全國水旱災害防御工作視頻會上，李國英部長提出要通過高分辨率航天、航空遙感技術和地面水文監(jiān)測技術的有機結合，推進建立流域洪水“空天地”一體化監(jiān)測系統(tǒng)，提高流域洪水監(jiān)測體系的覆蓋度、密度和精度。空天地一體化遙感監(jiān)測技術已成為我國防洪減災的重要支撐手段。
一、空天地一體化遙感監(jiān)測技術
遙感技術是根據(jù)電磁波理論，應用各種航空、航天及地面遙感平臺搭載的傳感儀器，對遠距離目標所輻射或反射的電磁波信息進行收集、處理，并最后成像，從而定性、定量地揭示出地面物體的特征性質及其變化的綜合性探測技術。
按工作平臺的不同，遙感技術可分為航天遙感、航空遙感和地面遙感，其中航天遙感把傳感器設置在航天器上，如人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間實驗室等；航空遙感把傳感器設置在航空器上，如氣球、航模、飛機及其他航空器等；地面遙感把傳感器設置在地面平臺上，如車載、船載、手提、固定或活動高架平臺等。衛(wèi)星遙感和無人機遙感分別是當前應用最多的航天遙感和航空遙感技術，地面遙感主要用于近距離測量地物波譜和攝取供試驗研究用的地物細節(jié)影像，在洪澇災害監(jiān)測中應用相對較少。在洪澇災害監(jiān)測中應用較多的是衛(wèi)星遙感技術、無人機遙感技術，以及洪澇災害監(jiān)測常規(guī)手段地面站網(wǎng)監(jiān)測技術，三者共同構成洪水空天地一體化遙感監(jiān)測技術。
1.衛(wèi)星遙感技術
衛(wèi)星遙感是以人造地球衛(wèi)星作為遙感平臺，對地球和低層大氣進行光學和電子觀測的一門新型技術。衛(wèi)星遙感技術具有宏觀、快速、動態(tài)、經(jīng)濟等優(yōu)勢，可實現(xiàn)對大范圍的地表狀態(tài)全天候全天時的動態(tài)監(jiān)測。世界各國十分重視衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展和應用。1961年美國發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星，標志著衛(wèi)星遙感時代到來。其后，1972年和1978年美國又先后發(fā)射了第一顆陸地衛(wèi)星和第一顆海洋衛(wèi)星。當前美國仍然是衛(wèi)星遙感技術最先進的國家，其世界觀測衛(wèi)星（WorldView）影像空間分辨率達到0.31m，為民用遙感衛(wèi)星分辨率最高。
我國衛(wèi)星遙感起步晚于歐美國家，1988年發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星“風云一號”（FY-1），1999年發(fā)射第一顆數(shù)字傳輸型資源衛(wèi)星“中巴地球資源衛(wèi)星01星”(CBERS-01)。進入21世紀后，我國遙感衛(wèi)星發(fā)展迅速，先后成功發(fā)射了氣象、資源、海洋、環(huán)境減災、測繪等系列遙感衛(wèi)星。特別是2010年以來，我國實施了高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項，先后發(fā)射高分一號到高分七號7顆衛(wèi)星，在分辨率、重訪能力、覆蓋能力、載荷類型方面也有了長足進步，數(shù)據(jù)類型涵蓋多光譜、高光譜、紅外、雷達、立體測繪等，與世界領先國家的差距不斷縮小。同時，我國商業(yè)遙感衛(wèi)星如高景一號、北京二號、吉林一號、珠海一號等也紛紛升空。目前我國在軌光學衛(wèi)星空間分辨率最高可達0.5m，雷達衛(wèi)星分辨率可達1m，可在2～3天內實現(xiàn)對全國任意地區(qū)有效觀測，對地觀測能力大大增強，并已廣泛應用于大范圍洪澇災害監(jiān)測。
2.無人機遙感技術
無人機遙感是利用先進的無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、遙測遙控技術、通信技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術，自動化、智能化、專用化快速獲取資源、環(huán)境、災害等空間遙感信息，并完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應用分析的應用技術。近十年來，隨著無人機技術迅猛發(fā)展，低空遙感成為衛(wèi)星遙感的重要補充并發(fā)揮獨特作用。無人機低空遙感具有云下作業(yè)、機動靈活、應急調度和高分辨率數(shù)據(jù)獲取等獨特優(yōu)勢，可以彌補衛(wèi)星遙感受云層影響大、數(shù)據(jù)獲取時效性難以保障、任務定制成本高等應用瓶頸，二者互相配合可更有效實現(xiàn)下墊面多元信息獲取與災害應急監(jiān)測。
我國的輕小型特別是消費級無人機技術水平國際領先，有大疆等知名品牌，國際市場占有率達到70%。隨著導航、操控、電池、材料等技術進步，輕小型無人機的成本大大降低，操作越來越簡便，攜帶和應用越來越便捷。同時航測相機、攝像機、紅外相機、多光譜相機、傾斜相機、Lidar等載荷發(fā)展快速，越來越小型化，可搭載在無人機上獲取多類型的洪澇災情信息。無人機遙感技術已成為洪澇災害應急監(jiān)測的重要手段。
3.地面水文站網(wǎng)
水文測站是在河流上或流域內設立的、按一定技術標準和頻率收集并提供水文要素的各種水文觀測現(xiàn)場的總稱，按觀測項目可分為水文站、水位站、雨量站等。水文站網(wǎng)是指按一定原則布設的水文測站體系。地面水文站網(wǎng)是雨情、水情監(jiān)測的重要基礎設施，在水旱災害防御中發(fā)揮著極其重要的作用。我國已基本建成水文監(jiān)測站網(wǎng)體系，現(xiàn)有各類水文測站12.1萬余處，實現(xiàn)了對大江大河及其主要支流，以及有防洪任務的中小河流水文監(jiān)測全面覆蓋。但與歐美發(fā)達國家相比，站網(wǎng)數(shù)量仍然不足，部分中小河流、小型水庫還存在空白，局部站網(wǎng)布局尚有待優(yōu)化，相當一部分水文站自動化程度低。
水文測站監(jiān)測洪水信息具有精度高、持續(xù)性好的特點，但大多只能監(jiān)測局部點或沿河線上的洪水信息。水文測站與衛(wèi)星、無人機相結合，由點到面，才能全面掌握洪澇災害總體情況，從而最大程度為防洪減災決策提供支撐。
二、洪澇災害遙感監(jiān)測進展
遙感技術應用于洪澇災害監(jiān)測可以追溯到20世紀70年代。1973年美國利用陸地衛(wèi)星監(jiān)測密西西比河的長距離泛濫，取得良好效果。我國洪澇災害遙感監(jiān)測始于20世紀80年代。1983年水利部遙感技術應用中心利用地球資源衛(wèi)星影像調查了發(fā)生在三江平原撓力河的洪水，成功獲取了受淹面積和河道變化的信息。其后，“七五”期間，水利部、中國科學院、國家測繪局、國家氣象局等部門合作，先后在永定河下游、黃河下游、長江荊江河段和洞庭湖區(qū)以及淮河干流開展了大規(guī)模的防洪遙感應用試驗，并首次建立了面向洪澇災害監(jiān)測的全天候和準實時航空遙感系統(tǒng)。
繼防汛遙感應用試驗之后，國家“八五”重大科技攻關和“863高技術”計劃又共同支持了全天候實時航空遙感系統(tǒng)的研制。該系統(tǒng)的總體設計采用機—星—地模式，由航空遙感平臺分系統(tǒng)、雷達實時成像分系統(tǒng)、航空衛(wèi)星通信分系統(tǒng)以及地面圖像信息處理分系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了全天候工作、圖像實時傳輸、機動靈活應用、大面積覆蓋以及災情評估等功能。
“九五”期間，科技部國家重中之重科技攻關項目“遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)綜合應用研究”列入“重大自然災害監(jiān)測與評估業(yè)務運行系統(tǒng)的建立”課題，按業(yè)務化和實用化的要求，開展水旱災害遙感監(jiān)測與評估關鍵技術科技攻關，初步建成了以水旱災害為重點的業(yè)務運行系統(tǒng)，使我國洪澇災害應急反應能力、災情信息快速提取能力和速報能力均大大提高。1998年長江、嫩江和松花江流域特大洪水災害中，遙感技術首次得到了大規(guī)模應用，并取得了顯著效果。
“十一五”期間，航空航天遙感大量投入實際應用中，無人機和國產(chǎn)北斗導航系統(tǒng)多次為救災應急決策提供重要依據(jù)。國家減災中心等利用環(huán)境減災衛(wèi)星和航空遙感數(shù)據(jù)，建立重、特大自然災害實物量監(jiān)測業(yè)務體系，并取得了重大成果。依托“天—地—現(xiàn)場”一體化業(yè)務平臺，初步建立重、特大自然災害范圍監(jiān)測和損失評估的技術方法，圓滿完成了汶川地震、玉樹地震和舟曲山洪泥石流災害的評估工作。
“十二五”期間，“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”重大專項全面實施，高分系列衛(wèi)星的升空，尤其是高分三號衛(wèi)星的成功發(fā)射，明顯改善了我國洪澇災害監(jiān)測對國外雷達衛(wèi)星的依賴，基于我國自主高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)的洪澇災害監(jiān)測研究大量涌現(xiàn)。進入“十三五”后，隨著無人機技術成熟，無人機在洪澇災害應急監(jiān)測中得到了廣泛應用，同時無人機組網(wǎng)遙感觀測以及空天地協(xié)同應急觀測受到更廣泛重視。
洪澇災害遙感監(jiān)測由20世紀80年代的防汛遙感試驗，到 90年代的應用推廣，再到21世紀初步實現(xiàn)業(yè)務化，如今進入空天地一體化監(jiān)測階段。在此期間，遙感技術廣泛應用于洪澇災害監(jiān)測中，如1998年長江松花江流域洪水、2000年西藏易貢山特大滑坡、2003年及2007年淮河流域洪水、2008年汶川地震唐家山堰塞湖、2013年黑龍江流域洪水、2016年及2020年長江中下游洪水等，發(fā)揮了重要作用。
三、空天地一體化洪澇災害監(jiān)測未來展望
面對防洪減災新形勢與新要求，遙感技術應用于洪澇災害監(jiān)測評估還存在著改進和提高空間，如我國遙感數(shù)據(jù)源仍顯不足、監(jiān)測要素總體單一、監(jiān)測頻次不足、監(jiān)測時效性需進一步提高、天空地立體監(jiān)測與數(shù)據(jù)融合不夠等，洪澇災害遙感監(jiān)測離工程化、業(yè)務化還有一定距離。空天地一體化洪澇災害監(jiān)測的未來發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
1.空天地一體化協(xié)同觀測提升洪澇災害監(jiān)測能力
數(shù)據(jù)獲取能力是洪澇災害遙感應急監(jiān)測的靈魂。洪澇災害發(fā)生時常伴隨著陰雨天氣，使得光學衛(wèi)星無法發(fā)揮作用，需要雷達衛(wèi)星來開展應急監(jiān)測。目前我國在軌民用雷達衛(wèi)星僅高分三號衛(wèi)星，該衛(wèi)星在2020年鄱陽湖、巢湖特大洪澇災害以及2021年河南鄭州、新鄉(xiāng)等地洪澇災害遙感監(jiān)測中都發(fā)揮了重要作用，但離大范圍、高頻次監(jiān)測需求還有差距。
“十四五”期間，我國將發(fā)射包括高分三號后續(xù)星在內的多顆雷達衛(wèi)星，與高分三號組網(wǎng)觀測，建立面向洪澇災害應急監(jiān)測的虛擬衛(wèi)星星座，有望實現(xiàn)小時級別的重訪觀測能力。同時，推動建立洪澇災害無人機監(jiān)測網(wǎng)，制定無人機洪澇監(jiān)測標準規(guī)范，規(guī)范無人機選型、載荷、安全飛行、應用場景、數(shù)據(jù)格式與數(shù)據(jù)管理等，形成無人機遙感監(jiān)測技術體系。充分利用無人機社會資源，以縣為單位建設無人機監(jiān)測站，縮短無人機應急監(jiān)測響應時間，有望實現(xiàn)應急監(jiān)測2小時必達的目標。虛擬衛(wèi)星星座、無人機監(jiān)測網(wǎng)以及地面水文站網(wǎng)相結合，形成空天地一體化的監(jiān)測，將大大提高我國的洪澇災害應急監(jiān)測能力，有力保障人民的生命財產(chǎn)安全。
2.由洪澇災害單一要素監(jiān)測向多要素綜合監(jiān)測發(fā)展
受遙感觀測手段和數(shù)據(jù)信息挖掘技術限制，衛(wèi)星遙感和無人機遙感洪澇災害監(jiān)測主要是洪澇淹沒范圍單一要素監(jiān)測，難以滿足洪澇災害全鏈路中多要素多尺度監(jiān)測需求。
隨著空天地一體化協(xié)同觀測、空天地多源異構數(shù)據(jù)融合與處理等技術的發(fā)展，洪澇災害監(jiān)測中雨情—水情—險情—災情信息鏈的要素信息感知能力已得到大幅提升，面向洪澇災害的單一要素監(jiān)測正在向全天候、全天時、全要素的監(jiān)測轉變。基于衛(wèi)星、無人機、地面移動平臺搭載的合成孔徑雷達、探地雷達、激光雷達、多普勒雷達、熱紅外、可見光、視頻等傳感器，正逐步實現(xiàn)雨情（降水）、水情（水位、流速、流量、冰凌情、水溫、含沙量）、險情（堤壩滲流、管涌、裂縫、滑坡等）以及災情（淹沒歷時、淹沒面積、淹沒損失等）多要素多層次信息的感知，打破單一要素感知的局限，為預報、預警、預演、預案“四預”工作的開展和防洪調度指揮決策提供支撐。
3.遙感大數(shù)據(jù)快速處理與洪澇信息智能提取
時效性是洪澇災害應急監(jiān)測關鍵指標。目前，遙感領域進入了以高精度、全天候信息獲取和自動化快速處理為特征的新時代，衛(wèi)星、無人機、地面監(jiān)測站網(wǎng)站形成的空天地一體化的協(xié)同觀測體系，提供了多維度和高頻次的多源異構洪澇災害觀測數(shù)據(jù)，涉及不同成像方式、不同波段、不同分辨率、不同觀測尺度，以及災前、災中、災后等不同時段，數(shù)據(jù)量呈爆發(fā)式增長。傳統(tǒng)的遙感影像分析處理耗時長、效率低，難以滿足洪澇災害監(jiān)測快速應急響應的需求。未來，需要采用高性能計算技術，研發(fā)遙感影像處理、多源數(shù)據(jù)融合的高效算法；深度學習等人工智能技術快速發(fā)展，也將推動遙感數(shù)據(jù)信息的深層次挖掘、洪澇信息智能化提取，進一步提升數(shù)據(jù)處理效率與質量，為防洪減災提供及時準確的技術支撐。
隨著國內外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的逐漸增多，無人機技術快速發(fā)展，地面站網(wǎng)日趨完善，空天地一體化監(jiān)測技術日益成熟，大范圍、高頻次、高精度、近實時的洪澇災害監(jiān)測將成為現(xiàn)實。
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