防洪减灾，空天地一体化遥感监测如何发挥作用
发布时间：2023-04-26 浏览：667
我国地处东亚大陆，地形地势复杂，气候地区差异大，东部受季风气候和热带气旋影响，降雨量年内分布不均，暴雨洪涝灾害突出，大约2/3的国土面积有着不同类型和不同危害程度的洪涝灾害，是世界上洪涝灾害最严重的国家之一。据《中国水旱灾害防御公报2019》统计，我国每年因洪涝灾害遭受直接经济损失超过1500亿元。
新中国成立以来，我国建立了较为完善的防洪工程体系，同时也建立了洪水监测、预报、预警等非工程体系。但随着工业化、城镇化的发展和全球气候变化影响加剧，我国面临的防洪形势日趋严峻，亟须进一步强化科技引领，提升洪涝灾害防御能力。
遥感技术具有观测范围大、获取信息量大、速度快、实时性好、动态性强等优势，在防洪减灾中发挥着越来越重要的作用。在2021年全国水旱灾害防御工作视频会上，李国英部长提出要通过高分辨率航天、航空遥感技术和地面水文监测技术的有机结合，推进建立流域洪水“空天地”一体化监测系统，提高流域洪水监测体系的覆盖度、密度和精度。空天地一体化遥感监测技术已成为我国防洪减灾的重要支撑手段。
一、空天地一体化遥感监测技术
遥感技术是根据电磁波理论，应用各种航空、航天及地面遥感平台搭载的传感仪器，对远距离目标所辐射或反射的电磁波信息进行收集、处理，并最后成像，从而定性、定量地揭示出地面物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。
按工作平台的不同，遥感技术可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感，其中航天遥感把传感器设置在航天器上，如人造卫星、宇宙飞船、空间实验室等；航空遥感把传感器设置在航空器上，如气球、航模、飞机及其他航空器等；地面遥感把传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等。卫星遥感和无人机遥感分别是当前应用最多的航天遥感和航空遥感技术，地面遥感主要用于近距离测量地物波谱和摄取供试验研究用的地物细节影像，在洪涝灾害监测中应用相对较少。在洪涝灾害监测中应用较多的是卫星遥感技术、无人机遥感技术，以及洪涝灾害监测常规手段地面站网监测技术，三者共同构成洪水空天地一体化遥感监测技术。
1.卫星遥感技术
卫星遥感是以人造地球卫星作为遥感平台，对地球和低层大气进行光学和电子观测的一门新型技术。卫星遥感技术具有宏观、快速、动态、经济等优势，可实现对大范围的地表状态全天候全天时的动态监测。世界各国十分重视卫星遥感技术的发展和应用。1961年美国发射了第一颗气象卫星，标志着卫星遥感时代到来。其后，1972年和1978年美国又先后发射了第一颗陆地卫星和第一颗海洋卫星。当前美国仍然是卫星遥感技术最先进的国家，其世界观测卫星（WorldView）影像空间分辨率达到0.31m，为民用遥感卫星分辨率最高。
我国卫星遥感起步晚于欧美国家，1988年发射第一颗气象卫星“风云一号”（FY-1），1999年发射第一颗数字传输型资源卫星“中巴地球资源卫星01星”(CBERS-01)。进入21世纪后，我国遥感卫星发展迅速，先后成功发射了气象、资源、海洋、环境减灾、测绘等系列遥感卫星。特别是2010年以来，我国实施了高分辨率对地观测系统重大专项，先后发射高分一号到高分七号7颗卫星，在分辨率、重访能力、覆盖能力、载荷类型方面也有了长足进步，数据类型涵盖多光谱、高光谱、红外、雷达、立体测绘等，与世界领先国家的差距不断缩小。同时，我国商业遥感卫星如高景一号、北京二号、吉林一号、珠海一号等也纷纷升空。目前我国在轨光学卫星空间分辨率最高可达0.5m，雷达卫星分辨率可达1m，可在2～3天内实现对全国任意地区有效观测，对地观测能力大大增强，并已广泛应用于大范围洪涝灾害监测。
2.无人机遥感技术
无人机遥感是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，自动化、智能化、专用化快速获取资源、环境、灾害等空间遥感信息，并完成遥感数据处理、建模和应用分析的应用技术。近十年来，随着无人机技术迅猛发展，低空遥感成为卫星遥感的重要补充并发挥独特作用。无人机低空遥感具有云下作业、机动灵活、应急调度和高分辨率数据获取等独特优势，可以弥补卫星遥感受云层影响大、数据获取时效性难以保障、任务定制成本高等应用瓶颈，二者互相配合可更有效实现下垫面多元信息获取与灾害应急监测。
我国的轻小型特别是消费级无人机技术水平国际领先，有大疆等知名品牌，国际市场占有率达到70%。随着导航、操控、电池、材料等技术进步，轻小型无人机的成本大大降低，操作越来越简便，携带和应用越来越便捷。同时航测相机、摄像机、红外相机、多光谱相机、倾斜相机、Lidar等载荷发展快速，越来越小型化，可搭载在无人机上获取多类型的洪涝灾情信息。无人机遥感技术已成为洪涝灾害应急监测的重要手段。
3.地面水文站网
水文测站是在河流上或流域内设立的、按一定技术标准和频率收集并提供水文要素的各种水文观测现场的总称，按观测项目可分为水文站、水位站、雨量站等。水文站网是指按一定原则布设的水文测站体系。地面水文站网是雨情、水情监测的重要基础设施，在水旱灾害防御中发挥着极其重要的作用。我国已基本建成水文监测站网体系，现有各类水文测站12.1万余处，实现了对大江大河及其主要支流，以及有防洪任务的中小河流水文监测全面覆盖。但与欧美发达国家相比，站网数量仍然不足，部分中小河流、小型水库还存在空白，局部站网布局尚有待优化，相当一部分水文站自动化程度低。
水文测站监测洪水信息具有精度高、持续性好的特点，但大多只能监测局部点或沿河线上的洪水信息。水文测站与卫星、无人机相结合，由点到面，才能全面掌握洪涝灾害总体情况，从而最大程度为防洪减灾决策提供支撑。
二、洪涝灾害遥感监测进展
遥感技术应用于洪涝灾害监测可以追溯到20世纪70年代。1973年美国利用陆地卫星监测密西西比河的长距离泛滥，取得良好效果。我国洪涝灾害遥感监测始于20世纪80年代。1983年水利部遥感技术应用中心利用地球资源卫星影像调查了发生在三江平原挠力河的洪水，成功获取了受淹面积和河道变化的信息。其后，“七五”期间，水利部、中国科学院、国家测绘局、国家气象局等部门合作，先后在永定河下游、黄河下游、长江荆江河段和洞庭湖区以及淮河干流开展了大规模的防洪遥感应用试验，并首次建立了面向洪涝灾害监测的全天候和准实时航空遥感系统。
继防汛遥感应用试验之后，国家“八五”重大科技攻关和“863高技术”计划又共同支持了全天候实时航空遥感系统的研制。该系统的总体设计采用机—星—地模式，由航空遥感平台分系统、雷达实时成像分系统、航空卫星通信分系统以及地面图像信息处理分系统组成，实现了全天候工作、图像实时传输、机动灵活应用、大面积覆盖以及灾情评估等功能。
“九五”期间，科技部国家重中之重科技攻关项目“遥感、地理信息系统、全球定位系统综合应用研究”列入“重大自然灾害监测与评估业务运行系统的建立”课题，按业务化和实用化的要求，开展水旱灾害遥感监测与评估关键技术科技攻关，初步建成了以水旱灾害为重点的业务运行系统，使我国洪涝灾害应急反应能力、灾情信息快速提取能力和速报能力均大大提高。1998年长江、嫩江和松花江流域特大洪水灾害中，遥感技术首次得到了大规模应用，并取得了显著效果。
“十一五”期间，航空航天遥感大量投入实际应用中，无人机和国产北斗导航系统多次为救灾应急决策提供重要依据。国家减灾中心等利用环境减灾卫星和航空遥感数据，建立重、特大自然灾害实物量监测业务体系，并取得了重大成果。依托“天—地—现场”一体化业务平台，初步建立重、特大自然灾害范围监测和损失评估的技术方法，圆满完成了汶川地震、玉树地震和舟曲山洪泥石流灾害的评估工作。
“十二五”期间，“高分辨率对地观测系统”重大专项全面实施，高分系列卫星的升空，尤其是高分三号卫星的成功发射，明显改善了我国洪涝灾害监测对国外雷达卫星的依赖，基于我国自主高分系列卫星数据的洪涝灾害监测研究大量涌现。进入“十三五”后，随着无人机技术成熟，无人机在洪涝灾害应急监测中得到了广泛应用，同时无人机组网遥感观测以及空天地协同应急观测受到更广泛重视。
洪涝灾害遥感监测由20世纪80年代的防汛遥感试验，到 90年代的应用推广，再到21世纪初步实现业务化，如今进入空天地一体化监测阶段。在此期间，遥感技术广泛应用于洪涝灾害监测中，如1998年长江松花江流域洪水、2000年西藏易贡山特大滑坡、2003年及2007年淮河流域洪水、2008年汶川地震唐家山堰塞湖、2013年黑龙江流域洪水、2016年及2020年长江中下游洪水等，发挥了重要作用。
三、空天地一体化洪涝灾害监测未来展望
面对防洪减灾新形势与新要求，遥感技术应用于洪涝灾害监测评估还存在着改进和提高空间，如我国遥感数据源仍显不足、监测要素总体单一、监测频次不足、监测时效性需进一步提高、天空地立体监测与数据融合不够等，洪涝灾害遥感监测离工程化、业务化还有一定距离。空天地一体化洪涝灾害监测的未来发展趋势主要体现在以下几个方面。
1.空天地一体化协同观测提升洪涝灾害监测能力
数据获取能力是洪涝灾害遥感应急监测的灵魂。洪涝灾害发生时常伴随着阴雨天气，使得光学卫星无法发挥作用，需要雷达卫星来开展应急监测。目前我国在轨民用雷达卫星仅高分三号卫星，该卫星在2020年鄱阳湖、巢湖特大洪涝灾害以及2021年河南郑州、新乡等地洪涝灾害遥感监测中都发挥了重要作用，但离大范围、高频次监测需求还有差距。
“十四五”期间，我国将发射包括高分三号后续星在内的多颗雷达卫星，与高分三号组网观测，建立面向洪涝灾害应急监测的虚拟卫星星座，有望实现小时级别的重访观测能力。同时，推动建立洪涝灾害无人机监测网，制定无人机洪涝监测标准规范，规范无人机选型、载荷、安全飞行、应用场景、数据格式与数据管理等，形成无人机遥感监测技术体系。充分利用无人机社会资源，以县为单位建设无人机监测站，缩短无人机应急监测响应时间，有望实现应急监测2小时必达的目标。虚拟卫星星座、无人机监测网以及地面水文站网相结合，形成空天地一体化的监测，将大大提高我国的洪涝灾害应急监测能力，有力保障人民的生命财产安全。
2.由洪涝灾害单一要素监测向多要素综合监测发展
受遥感观测手段和数据信息挖掘技术限制，卫星遥感和无人机遥感洪涝灾害监测主要是洪涝淹没范围单一要素监测，难以满足洪涝灾害全链路中多要素多尺度监测需求。
随着空天地一体化协同观测、空天地多源异构数据融合与处理等技术的发展，洪涝灾害监测中雨情—水情—险情—灾情信息链的要素信息感知能力已得到大幅提升，面向洪涝灾害的单一要素监测正在向全天候、全天时、全要素的监测转变。基于卫星、无人机、地面移动平台搭载的合成孔径雷达、探地雷达、激光雷达、多普勒雷达、热红外、可见光、视频等传感器，正逐步实现雨情（降水）、水情（水位、流速、流量、冰凌情、水温、含沙量）、险情（堤坝渗流、管涌、裂缝、滑坡等）以及灾情（淹没历时、淹没面积、淹没损失等）多要素多层次信息的感知，打破单一要素感知的局限，为预报、预警、预演、预案“四预”工作的开展和防洪调度指挥决策提供支撑。
3.遥感大数据快速处理与洪涝信息智能提取
时效性是洪涝灾害应急监测关键指标。目前，遥感领域进入了以高精度、全天候信息获取和自动化快速处理为特征的新时代，卫星、无人机、地面监测站网站形成的空天地一体化的协同观测体系，提供了多维度和高频次的多源异构洪涝灾害观测数据，涉及不同成像方式、不同波段、不同分辨率、不同观测尺度，以及灾前、灾中、灾后等不同时段，数据量呈爆发式增长。传统的遥感影像分析处理耗时长、效率低，难以满足洪涝灾害监测快速应急响应的需求。未来，需要采用高性能计算技术，研发遥感影像处理、多源数据融合的高效算法；深度学习等人工智能技术快速发展，也将推动遥感数据信息的深层次挖掘、洪涝信息智能化提取，进一步提升数据处理效率与质量，为防洪减灾提供及时准确的技术支撑。
随着国内外卫星数据的逐渐增多，无人机技术快速发展，地面站网日趋完善，空天地一体化监测技术日益成熟，大范围、高频次、高精度、近实时的洪涝灾害监测将成为现实。
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