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防洪減災(zāi)，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：909

我國地處東亞大陸，地形地勢復(fù)雜，氣候地區(qū)差異大，東部受季風(fēng)氣候和熱帶氣旋影響，降雨量年內(nèi)分布不均，暴雨洪澇災(zāi)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(zāi)害，是世界上洪澇災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。據(jù)《中國水旱災(zāi)害防御公報2019》統(tǒng)計，我國每年因洪澇災(zāi)害遭受直接經(jīng)濟(jì)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(yù)報、預(yù)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(yán)峻，亟須進(jìn)一步強(qiáng)化科技引領(lǐng)，提升洪澇災(zāi)害防御能力。
遙感技術(shù)具有觀測范圍大、獲取信息量大、速度快、實(shí)時性好、動態(tài)性強(qiáng)等優(yōu)勢，在防洪減災(zāi)中發(fā)揮著越來越重要的作用。在2021年全國水旱災(zāi)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(shù)和地面水文監(jiān)測技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，推進(jìn)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?？仗斓匾惑w化遙感監(jiān)測技術(shù)已成為我國防洪減災(zāi)的重要支撐手段。
一、空天地一體化遙感監(jiān)測技術(shù)
遙感技術(shù)是根據(jù)電磁波理論，應(yīng)用各種航空、航天及地面遙感平臺搭載的傳感儀器，對遠(yuǎn)距離目標(biāo)所輻射或反射的電磁波信息進(jìn)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(zhì)及其變化的綜合性探測技術(shù)。
按工作平臺的不同，遙感技術(shù)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(shè)置在航天器上，如人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間實(shí)驗(yàn)室等；航空遙感把傳感器設(shè)置在航空器上，如氣球、航模、飛機(jī)及其他航空器等；地面遙感把傳感器設(shè)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(jī)遙感分別是當(dāng)前應(yīng)用最多的航天遙感和航空遙感技術(shù)，地面遙感主要用于近距離測量地物波譜和攝取供試驗(yàn)研究用的地物細(xì)節(jié)影像，在洪澇災(zāi)害監(jiān)測中應(yīng)用相對較少。在洪澇災(zāi)害監(jiān)測中應(yīng)用較多的是衛(wèi)星遙感技術(shù)、無人機(jī)遙感技術(shù)，以及洪澇災(zāi)害監(jiān)測常規(guī)手段地面站網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)，三者共同構(gòu)成洪水空天地一體化遙感監(jiān)測技術(shù)。
1.衛(wèi)星遙感技術(shù)
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(jìn)行光學(xué)和電子觀測的一門新型技術(shù)。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀、快速、動態(tài)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，可實(shí)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(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。1961年美國發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星，標(biāo)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(dāng)前美國仍然是衛(wèi)星遙感技術(shù)最先進(jìn)的國家，其世界觀測衛(wèi)星（WorldView）影像空間分辨率達(dá)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(fēng)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(jìn)入21世紀(jì)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(zāi)、測繪等系列遙感衛(wèi)星。特別是2010年以來，我國實(shí)施了高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)，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(jìn)步，數(shù)據(jù)類型涵蓋多光譜、高光譜、紅外、雷達(dá)、立體測繪等，與世界領(lǐng)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(xué)衛(wèi)星空間分辨率最高可達(dá)0.5m，雷達(dá)衛(wèi)星分辨率可達(dá)1m，可在2～3天內(nèi)實(shí)現(xiàn)對全國任意地區(qū)有效觀測，對地觀測能力大大增強(qiáng)，并已廣泛應(yīng)用于大范圍洪澇災(zāi)害監(jiān)測。
2.無人機(jī)遙感技術(shù)
無人機(jī)遙感是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，自動化、智能化、專用化快速獲取資源、環(huán)境、災(zāi)害等空間遙感信息，并完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)。近十年來，隨著無人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，低空遙感成為衛(wèi)星遙感的重要補(bǔ)充并發(fā)揮獨(dú)特作用。無人機(jī)低空遙感具有云下作業(yè)、機(jī)動靈活、應(yīng)急調(diào)度和高分辨率數(shù)據(jù)獲取等獨(dú)特優(yōu)勢，可以彌補(bǔ)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(wù)定制成本高等應(yīng)用瓶頸，二者互相配合可更有效實(shí)現(xiàn)下墊面多元信息獲取與災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測。
我國的輕小型特別是消費(fèi)級無人機(jī)技術(shù)水平國際領(lǐng)先，有大疆等知名品牌，國際市場占有率達(dá)到70%。隨著導(dǎo)航、操控、電池、材料等技術(shù)進(jìn)步，輕小型無人機(jī)的成本大大降低，操作越來越簡便，攜帶和應(yīng)用越來越便捷。同時航測相機(jī)、攝像機(jī)、紅外相機(jī)、多光譜相機(jī)、傾斜相機(jī)、Lidar等載荷發(fā)展快速，越來越小型化，可搭載在無人機(jī)上獲取多類型的洪澇災(zāi)情信息。無人機(jī)遙感技術(shù)已成為洪澇災(zāi)害應(yīng)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(nèi)設(shè)立的、按一定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)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(shè)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(chǔ)設(shè)施，在水旱災(zāi)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(shí)現(xiàn)了對大江大河及其主要支流，以及有防洪任務(wù)的中小河流水文監(jiān)測全面覆蓋。但與歐美發(fā)達(dá)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(dāng)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(diǎn)，但大多只能監(jiān)測局部點(diǎn)或沿河線上的洪水信息。水文測站與衛(wèi)星、無人機(jī)相結(jié)合，由點(diǎn)到面，才能全面掌握洪澇災(zāi)害總體情況，從而最大程度為防洪減災(zāi)決策提供支撐。
二、洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測進(jìn)展
遙感技術(shù)應(yīng)用于洪澇災(zāi)害監(jiān)測可以追溯到20世紀(jì)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(zāi)害遙感監(jiān)測始于20世紀(jì)80年代。1983年水利部遙感技術(shù)應(yīng)用中心利用地球資源衛(wèi)星影像調(diào)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(xué)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(yīng)用試驗(yàn)，并首次建立了面向洪澇災(zāi)害監(jiān)測的全天候和準(zhǔn)實(shí)時航空遙感系統(tǒng)。
繼防汛遙感應(yīng)用試驗(yàn)之后，國家“八五”重大科技攻關(guān)和“863高技術(shù)”計劃又共同支持了全天候?qū)崟r航空遙感系統(tǒng)的研制。該系統(tǒng)的總體設(shè)計采用機(jī)—星—地模式，由航空遙感平臺分系統(tǒng)、雷達(dá)實(shí)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(shí)現(xiàn)了全天候工作、圖像實(shí)時傳輸、機(jī)動靈活應(yīng)用、大面積覆蓋以及災(zāi)情評估等功能。
“九五”期間，科技部國家重中之重科技攻關(guān)項(xiàng)目“遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)綜合應(yīng)用研究”列入“重大自然災(zāi)害監(jiān)測與評估業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)的建立”課題，按業(yè)務(wù)化和實(shí)用化的要求，開展水旱災(zāi)害遙感監(jiān)測與評估關(guān)鍵技術(shù)科技攻關(guān)，初步建成了以水旱災(zāi)害為重點(diǎn)的業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)，使我國洪澇災(zāi)害應(yīng)急反應(yīng)能力、災(zāi)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(zāi)害中，遙感技術(shù)首次得到了大規(guī)模應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中，無人機(jī)和國產(chǎn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)多次為救災(zāi)應(yīng)急決策提供重要依據(jù)。國家減災(zāi)中心等利用環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星和航空遙感數(shù)據(jù)，建立重、特大自然災(zāi)害實(shí)物量監(jiān)測業(yè)務(wù)體系，并取得了重大成果。依托“天—地—現(xiàn)場”一體化業(yè)務(wù)平臺，初步建立重、特大自然災(zāi)害范圍監(jiān)測和損失評估的技術(shù)方法，圓滿完成了汶川地震、玉樹地震和舟曲山洪泥石流災(zāi)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(xiàng)全面實(shí)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(zāi)害監(jiān)測對國外雷達(dá)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(zāi)害監(jiān)測研究大量涌現(xiàn)。進(jìn)入“十三五”后，隨著無人機(jī)技術(shù)成熟，無人機(jī)在洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用，同時無人機(jī)組網(wǎng)遙感觀測以及空天地協(xié)同應(yīng)急觀測受到更廣泛重視。
洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測由20世紀(jì)80年代的防汛遙感試驗(yàn)，到 90年代的應(yīng)用推廣，再到21世紀(jì)初步實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化，如今進(jìn)入空天地一體化監(jiān)測階段。在此期間，遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于洪澇災(zāi)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(zāi)害監(jiān)測未來展望
面對防洪減災(zāi)新形勢與新要求，遙感技術(shù)應(yīng)用于洪澇災(zāi)害監(jiān)測評估還存在著改進(jìn)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(jìn)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(zāi)害遙感監(jiān)測離工程化、業(yè)務(wù)化還有一定距離。空天地一體化洪澇災(zāi)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(zāi)害監(jiān)測能力
數(shù)據(jù)獲取能力是洪澇災(zāi)害遙感應(yīng)急監(jiān)測的靈魂。洪澇災(zāi)害發(fā)生時常伴隨著陰雨天氣，使得光學(xué)衛(wèi)星無法發(fā)揮作用，需要雷達(dá)衛(wèi)星來開展應(yīng)急監(jiān)測。目前我國在軌民用雷達(dá)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(zāi)害以及2021年河南鄭州、新鄉(xiāng)等地洪澇災(zāi)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(nèi)的多顆雷達(dá)衛(wèi)星，與高分三號組網(wǎng)觀測，建立面向洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測的虛擬衛(wèi)星星座，有望實(shí)現(xiàn)小時級別的重訪觀測能力。同時，推動建立洪澇災(zāi)害無人機(jī)監(jiān)測網(wǎng)，制定無人機(jī)洪澇監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)范無人機(jī)選型、載荷、安全飛行、應(yīng)用場景、數(shù)據(jù)格式與數(shù)據(jù)管理等，形成無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)體系。充分利用無人機(jī)社會資源，以縣為單位建設(shè)無人機(jī)監(jiān)測站，縮短無人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測響應(yīng)時間，有望實(shí)現(xiàn)應(yīng)急監(jiān)測2小時必達(dá)的目標(biāo)。虛擬衛(wèi)星星座、無人機(jī)監(jiān)測網(wǎng)以及地面水文站網(wǎng)相結(jié)合，形成空天地一體化的監(jiān)測，將大大提高我國的洪澇災(zāi)害應(yīng)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(zāi)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(shù)限制，衛(wèi)星遙感和無人機(jī)遙感洪澇災(zāi)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(zāi)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(gòu)數(shù)據(jù)融合與處理等技術(shù)的發(fā)展，洪澇災(zāi)害監(jiān)測中雨情—水情—險情—災(zāi)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(zāi)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(zhuǎn)變。基于衛(wèi)星、無人機(jī)、地面移動平臺搭載的合成孔徑雷達(dá)、探地雷達(dá)、激光雷達(dá)、多普勒雷達(dá)、熱紅外、可見光、視頻等傳感器，正逐步實(shí)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(zāi)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(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”工作的開展和防洪調(diào)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(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測關(guān)鍵指標(biāo)。目前，遙感領(lǐng)域進(jìn)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(jī)、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(gòu)洪澇災(zāi)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(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)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(zāi)害監(jiān)測快速應(yīng)急響應(yīng)的需求。未來，需要采用高性能計算技術(shù)，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(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)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(jìn)一步提升數(shù)據(jù)處理效率與質(zhì)量，為防洪減災(zāi)提供及時準(zhǔn)確的技術(shù)支撐。
隨著國內(nèi)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的逐漸增多，無人機(jī)技術(shù)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(shù)日益成熟，大范圍、高頻次、高精度、近實(shí)時的洪澇災(zāi)害監(jiān)測將成為現(xiàn)實(shí)。
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