遥感与水灾监测

1、遥感与洪灾遥感与洪灾郭锴郭锴2011年年12月月31日日Page 2 洪水灾害是世界上最严重的灾害之一。快速评估洪水灾害对于减轻洪水造成的损失是非常重要的。遥感和为快速评估洪水灾害提供了先进的技术。洪水淹没范围的数据和土地利用数据能从多颗卫星的遥感影像中获得。在洪水发生时Landsant TM 要得到无云的影像是很困难的。要得到无云的NOAA AVHRR影像则比较容易, 因为它具有较高的时间分辨率, 但是它却不能用来监视和评估洪水的细节, 因为它的空间分辨率比较低。通常用SAR影像来获取洪水淹没范围的细节。这种方法甚至在恶劣气候的情况下或晚上也适用。评估98年中国大洪水的案例表明, 这种技术对

2、于估计洪水灾害是个非常有用的工具。水灾监测水灾监测洪水灾害特征描述洪水灾害特征描述洪水灾害的监测洪水灾害的监测洪水监测的不同方法洪水监测的不同方法结束语结束语主要内容主要内容Page 4水灾监测水灾监测 洪水灾害是一种骤发性的自然灾害，短者数日，最长者也仅12月，从灾害发生的过程看，洪水灾害监测可分为灾前的孕灾环境监测，包括雨情、水情及工情的监测，主要服务于灾害预测预报；灾中灾情监测，侧重于洪灾淹没范围、严重程度、险情等监测，主要服务于抗灾抢险；灾后监测，偏重于灾后环境破坏及其影响监测，主要服务于救灾与家园重建规划。Page 5洪水灾害特征描述洪水灾害特征描述n 为了能有效地监测和评估洪水灾害

3、，这里从洪灾的自然、为了能有效地监测和评估洪水灾害，这里从洪灾的自然、社会经济和环境影响三方面，阐述如下社会经济和环境影响三方面，阐述如下n （1）洪水灾害的自然特征：）洪水灾害的自然特征：n 洪水灾害的自然特征偏重于从洪水角度来分析。洪水淹没范围、洪水灾害的自然特征偏重于从洪水角度来分析。洪水淹没范围、淹没历时和水深是描述某一场洪灾自然特征的最基本要素，综合淹没历时和水深是描述某一场洪灾自然特征的最基本要素，综合地反映洪灾之严重程度。另外洪水冲击力场可用于刻划洪水的推地反映洪灾之严重程度。另外洪水冲击力场可用于刻划洪水的推毁力，常由数值模拟计算分析得出。洪水频率和洪灾风险常用于毁力，常由数值

4、模拟计算分析得出。洪水频率和洪灾风险常用于刻划某一区域洪灾发生的总体趋势及其空间分布状况，多根据历刻划某一区域洪灾发生的总体趋势及其空间分布状况，多根据历史资料的分析而计算得出，并用于区域规划。洪水最高水位、警史资料的分析而计算得出，并用于区域规划。洪水最高水位、警戒水位等常用于描述河道洪水的严重性。戒水位等常用于描述河道洪水的严重性。Page 6n （2）洪水灾害的社会经济特征：）洪水灾害的社会经济特征：n 洪水灾害是造成人民生命伤亡、财产损失的主要自然灾害，影响洪水灾害是造成人民生命伤亡、财产损失的主要自然灾害，影响人口及伤亡人口数是其中最重要的描述特征指标。直接经济损失人口及伤亡人口数是

5、其中最重要的描述特征指标。直接经济损失和间接经济损失则是刻划其经济影响最常用的指标，包括以物或和间接经济损失则是刻划其经济影响最常用的指标，包括以物或货币计量的不同方式。当信息不完整时，可借助于淹没区居民地货币计量的不同方式。当信息不完整时，可借助于淹没区居民地识别，通过间接相关分析，推算影响的人口、倒塌房屋等，从而识别，通过间接相关分析，推算影响的人口、倒塌房屋等，从而估算出可能造成的经济损失。估算出可能造成的经济损失。Page 7n （3）洪水灾害的生态环境影响特征：）洪水灾害的生态环境影响特征：n 洪灾对人类生存环境的影响及破坏是巨大的，强烈的冲刷与淤积破洪灾对人类生存环境的影响及破坏是

6、巨大的，强烈的冲刷与淤积破坏了原河道、湖泊的平衡；洪水所带来的泥沙，淤积农田等。另外坏了原河道、湖泊的平衡；洪水所带来的泥沙，淤积农田等。另外，随洪水而来的杂物、污染物等引起水质变坏、产生水域性传染病，随洪水而来的杂物、污染物等引起水质变坏、产生水域性传染病等。目前对这方面研究还比较少，而且监测是一个长期的过程。等。目前对这方面研究还比较少，而且监测是一个长期的过程。Page 8洪水灾害的监测洪水灾害的监测Page 9n基于基于NOAA/AVHRR影像的洪灾监测影像的洪灾监测 n 利用利用NOAA气象卫星监测洪涝灾害在国内外已开展了大量研究与气象卫星监测洪涝灾害在国内外已开展了大量研究与应用，

7、研究方法也不断深入。利用三通道彩色合成图像目视解译应用，研究方法也不断深入。利用三通道彩色合成图像目视解译分析洪水动态变化，利用二通道图象提取洪灾信息，利用通道二分析洪水动态变化，利用二通道图象提取洪灾信息，利用通道二、一之比值图象检测水体，利用通道提取亮度来识别水体、并对、一之比值图象检测水体，利用通道提取亮度来识别水体、并对洪水进行昼夜监测，利用洪灾光谱模型自动提取淹没范围等洪水进行昼夜监测，利用洪灾光谱模型自动提取淹没范围等.n 气象卫星虽然不能穿透云层观测，但由于两颗气象卫星虽然不能穿透云层观测，但由于两颗NOAA卫星每天可卫星每天可在不同时间过境四次，周期短；可能避开云层，大大提高了

8、无云在不同时间过境四次，周期短；可能避开云层，大大提高了无云观测的可能性，而且利用其热红外通道可昼夜监测洪涝。总之，观测的可能性，而且利用其热红外通道可昼夜监测洪涝。总之，气象卫星高时间分辨率、成像范围大等特征使其成为大范围洪涝气象卫星高时间分辨率、成像范围大等特征使其成为大范围洪涝动态监测的重要手段。动态监测的重要手段。洪水监测的不同方法洪水监测的不同方法Page 10通道波长范围（ m）对应的波段地面分辨率（星下点，km）AVHRR 10.55 0.68绿红1.1AVHRR 20.725 1.1近红外1.1AVHRR 33.55 3.93热红外1.1AVHRR 410.5 11.3热红外1

9、.1AVHRR 511.5 12.5热红外1.1AVHRR的主要通道的主要通道NOAA气象卫星云图气象卫星云图Page 12n基于基于Landsat TM影像的洪灾监测影像的洪灾监测n优点优点：高空间分辨率、多波段的高空间分辨率、多波段的TM影像包含了丰富的地面水分影像包含了丰富的地面水分状况和植被长势信息，其状况和植被长势信息，其1、2波段对水体有一定的穿透性，有助波段对水体有一定的穿透性，有助于探测水层深浅和划分混浊的洪水与清澈的自然水体于探测水层深浅和划分混浊的洪水与清澈的自然水体;而位于中红而位于中红外的第外的第5、7波段，反映水体和水陆边界特别敏锐。因此波段，反映水体和水陆边界特别敏

10、锐。因此TM对洪对洪水灾情的监测和分析特别有效。水灾情的监测和分析特别有效。n缺点缺点：但是，由于资源卫星轨道重复周期长，难以掌握洪灾的动但是，由于资源卫星轨道重复周期长，难以掌握洪灾的动态信息，其不能获得有关洪灾的直接信息，加上态信息，其不能获得有关洪灾的直接信息，加上TM无微波通道，无微波通道，不能穿透云雨，在雨季很难得到清晰可用的影像。因此很难依靠不能穿透云雨，在雨季很难得到清晰可用的影像。因此很难依靠TM遥感数据掌握实时的洪涝灾情信息，所以要合理地利用遥感数据掌握实时的洪涝灾情信息，所以要合理地利用TM影影像监测洪水灾害，建立各种反演模型，实现洪灾的遥感评估。像监测洪水灾害，建立各种反

11、演模型，实现洪灾的遥感评估。Page 13n（1 1）洪灾参数的提取）洪灾参数的提取n 充分利用充分利用TM影像中丰富信息，不仅能提取洪灾影响范围，而且应该建立反演模型影像中丰富信息，不仅能提取洪灾影响范围，而且应该建立反演模型，计算洪水淹没深度和淹没历时。另一方面，借助于，计算洪水淹没深度和淹没历时。另一方面，借助于TM影象对植被生长状况的反影象对植被生长状况的反应，间接评价洪水严重程度，建立洪灾灾情与相应应，间接评价洪水严重程度，建立洪灾灾情与相应TM数据相关关系，为洪水灾情数据相关关系，为洪水灾情的遥感分析提供数学基础。例如利用的遥感分析提供数学基础。例如利用K-T变换，反映地面湿度信息

12、、绿度指标等，变换，反映地面湿度信息、绿度指标等，建立起重灾区、中等灾区、轻灾区、无灾区等划分模型。建立起重灾区、中等灾区、轻灾区、无灾区等划分模型。n（2 2）专题信息提取）专题信息提取n 多波段的多波段的TM影像常用于作本底情况分析，所以研究区内影像常用于作本底情况分析，所以研究区内TM影像分类的好坏是信息影像分类的好坏是信息评估的关键，尤其是通过遥感获取的灾情评估模型所需的输入参数。洪灾分析本身评估的关键，尤其是通过遥感获取的灾情评估模型所需的输入参数。洪灾分析本身具有社会经济特征，要求提取的专题信息与人类的活动息息相关，如居民地的提取具有社会经济特征，要求提取的专题信息与人类的活动息息

13、相关，如居民地的提取、重点设施的提取及土地利用分类等。而影像反映的信息更多是地表自然状况，所、重点设施的提取及土地利用分类等。而影像反映的信息更多是地表自然状况，所以需要从分类体系到方法进行一定的转变符合实际的要求。以需要从分类体系到方法进行一定的转变符合实际的要求。Page 14n雷达遥感的洪灾监测雷达遥感的洪灾监测 n星载雷达遥感的洪灾监测星载雷达遥感的洪灾监测 n优势优势：利用星载雷达遥感数据监测洪水灾害已有许：利用星载雷达遥感数据监测洪水灾害已有许多成功案例。加拿大利用多成功案例。加拿大利用RadarsatRadarsat资料成功地监测资料成功地监测了发生在圣了发生在圣劳伦斯流域的洪灾

14、，我国也曾利用劳伦斯流域的洪灾，我国也曾利用JERSJERS1 1监测了海河流域；利用监测了海河流域；利用ERSERS1/21/2和和RadarsatRadarsat监测监测19981998年发生在长江和嫩江流域的洪灾年发生在长江和嫩江流域的洪灾。n缺点缺点：但由于：但由于SARSAR成像机理不同于光学遥感，成像机理不同于光学遥感，SARSAR影影像的处理和专题信息提取等方面还有许多所有待解像的处理和专题信息提取等方面还有许多所有待解决。决。Page 15n（1 1） 影像预处理影像预处理雷达影像对地物纹理的反映更为细密，层次更丰富，但是一些雷达信号对于雷达影像对地物纹理的反映更为细密，层次更

15、丰富，但是一些雷达信号对于解译起干扰作用，表现为解译起干扰作用，表现为“噪音噪音”。例如，水体在可见光多光谱图像多波段。例如，水体在可见光多光谱图像多波段都显示深色调，而雷达影像可显示为白、灰白或暗黑等。因此在进行图像应都显示深色调，而雷达影像可显示为白、灰白或暗黑等。因此在进行图像应用时，应选择较合适方法，对雷达影像进行预处理。如天线方向图校正、斑用时，应选择较合适方法，对雷达影像进行预处理。如天线方向图校正、斑点噪声的滤波、依靠斑点相关的变化检测等。点噪声的滤波、依靠斑点相关的变化检测等。n（2 2）地形影响之消除）地形影响之消除地形起伏对地形起伏对SARSAR影响像较大，其产生的阴影以及

16、波谱特征看，和水体极为相似影响像较大，其产生的阴影以及波谱特征看，和水体极为相似，从而增加了自动识别水体难度。同时地形带来，从而增加了自动识别水体难度。同时地形带来SARSAR的影像畸变，为几何校正的影像畸变，为几何校正带来困难。带来困难。Page 16n（3 3）水体专题信息提取的智能化）水体专题信息提取的智能化由于斑点噪声的存在和图像特征的复杂，雷达图像的分类及专题信息提取需要由于斑点噪声的存在和图像特征的复杂，雷达图像的分类及专题信息提取需要采取诸如纹理提取、神经网络、上下文分类等特殊的处理方法，才能得到高精采取诸如纹理提取、神经网络、上下文分类等特殊的处理方法，才能得到高精度的结果，因

17、此有必要进一步研究，基于纹理特征的水体专题信息提取的方法度的结果，因此有必要进一步研究，基于纹理特征的水体专题信息提取的方法。1998年特大水灾年特大水灾JERS-1 SAR 98-7-29)Page 18n基于机载雷达的洪灾监测基于机载雷达的洪灾监测 n优势优势：水利部遥感中心和国家遥感中心航空遥感部：水利部遥感中心和国家遥感中心航空遥感部利用引进的机载侧视雷达系统获取的图象，分辨率利用引进的机载侧视雷达系统获取的图象，分辨率可达可达3 3米左右。中国科学院研制机载合成侧视雷达系米左右。中国科学院研制机载合成侧视雷达系统可获得分辨率统可获得分辨率1010米的图象。雷达图象十分清楚的米的图象。

18、雷达图象十分清楚的显示了水陆边界线，从而可以准确地确定洪水淹没显示了水陆边界线，从而可以准确地确定洪水淹没范围。范围。n缺点：缺点：但同时机载雷达影像获取的费用高，飞行受但同时机载雷达影像获取的费用高，飞行受天气的影响大，同时获取的影像基本上人工处理，天气的影响大，同时获取的影像基本上人工处理，费时费力，所以一般在特大洪水应急中才使用。费时费力，所以一般在特大洪水应急中才使用。Page 19n（1 1） 几何校正与影象镶嵌几何校正与影象镶嵌机载机载SARSAR仅经系统成像处理获取的图象几何保真度较低，飞机在较恶劣的条件仅经系统成像处理获取的图象几何保真度较低，飞机在较恶劣的条件下作业，不易保持

19、高稳定性，同时摄像地区地形起伏等因素，都导致图像几下作业，不易保持高稳定性，同时摄像地区地形起伏等因素，都导致图像几何畸变加剧。同时机载何畸变加剧。同时机载SARSAR影像由于分辨率较高，每个条带地面覆盖面积狭窄影像由于分辨率较高，每个条带地面覆盖面积狭窄，尤其洪水期间，沿江河两侧的许多明显地物被水淹没，难于选取合适的控，尤其洪水期间，沿江河两侧的许多明显地物被水淹没，难于选取合适的控制点，为影像几何校正与镶嵌造成困难。此外获取的影像经扫描转换为数字制点，为影像几何校正与镶嵌造成困难。此外获取的影像经扫描转换为数字影像等，又产生误差。这一系列的几何误差及系统误差都为实际应用带来困影像等，又产生

20、误差。这一系列的几何误差及系统误差都为实际应用带来困难。难。n（2 2）半自动化目标提取）半自动化目标提取分辨率高的影像提供了丰富的地面信息，为洪灾造成的损失的直接判定提供分辨率高的影像提供了丰富的地面信息，为洪灾造成的损失的直接判定提供了基础，但急需从人工目视解译中解放出来，通过人机交互处理实现半自动了基础，但急需从人工目视解译中解放出来，通过人机交互处理实现半自动化目标的提取。化目标的提取。玉树县航空玉树县航空SAR影像影像Page 21n 洪水灾害遥感综合监测系统洪水灾害遥感综合监测系统n（1）重点区域控制点库的建立）重点区域控制点库的建立空间位置的精确匹配，是实现正确提取遥感所包含的空

21、间位置的精确匹配，是实现正确提取遥感所包含的信息，研究其在时间尺度上的变化，认识不同遥感数信息，研究其在时间尺度上的变化，认识不同遥感数据间的相关关系，建立和发展严格的空间、时间和光据间的相关关系，建立和发展严格的空间、时间和光谱分析模型的基本保证。由于洪水常发区的地点较为谱分析模型的基本保证。由于洪水常发区的地点较为固定，为实现快速反应和多源数据的混合应用，有必固定，为实现快速反应和多源数据的混合应用，有必要建立区域控制点图片库、控制信息库。要建立区域控制点图片库、控制信息库。Page 22n（2）多源数据综合利用）多源数据综合利用多波段的多波段的TM影像作为本底情况分析，高时相分辨率的影像

22、作为本底情况分析，高时相分辨率的气象卫星和全天候的气象卫星和全天候的SAR则有助于实现准实时、洪灾则有助于实现准实时、洪灾过程的动态监测。如何将它们综合利用，建立模型将过程的动态监测。如何将它们综合利用，建立模型将遥感信息直接转化为洪涝灾情信息，极为重要。尤其遥感信息直接转化为洪涝灾情信息，极为重要。尤其是研究雷达与高分辨率的光学影像这种不同类型数据是研究雷达与高分辨率的光学影像这种不同类型数据对相同地物观测所表现出的响应特征和信息分布规律对相同地物观测所表现出的响应特征和信息分布规律，找出它们之间信息内容上的差异和类同性，从而发，找出它们之间信息内容上的差异和类同性，从而发现它们之间地物信息表征上的相关关系或函数模型，现它们之间地物信息表征上的相关关系或函数模型，实现真正意义上的影像融合。实现真正意义上的影像融合。1998年特大年特大水灾水灾-武汉簲武汉簲州地区灾前州地区灾前卫星影像卫星影像(TM 97-9-21)1998年特大年特大水灾水灾-武汉簲武汉簲州卫星影像州卫星影像(TM+SAR 98-7-26)1998年特大年特大水灾水灾-武汉簲武汉簲州卫星影像州卫星