空天地一体化遥感技术在安徽省2020年汛情监测中的应用
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SPECIAL TOPICS
Apr.2021NO.4VOL.31
2021年4月第4期第31卷
空天地一体化遥感技术在安徽省
2020年汛情监测中的应用
收稿日期：2021-03-09
第一作者信息：黄祚继，男，水利建设与管理研究所所长、正高级工程师，E-mail：****************。基金项目：水利水资源安徽省重点实验室青年科技创新基金项目（KY202001）。
黄祚继1，2
王春林1张曦1祝鹏2
（1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，合肥230088；2.安徽省大禹水利工程科技有限公司，合肥230088）
摘
要：遥感技术能够快速反应、实时监控，成为汛情监测不可或缺的重要手段。安徽省内多大江大河，且降水集中在汛期，防汛工
作压力大。2020年汛期，安徽省出现全省范围的特大汛情，淮河、长江、新安江三大流域接连告急。介绍了空天地一体化遥感技术在本次汛情监测中的应用：以国产高分系列卫星数据为主要数据源的航天遥感技术，以无人机拍摄为主要手段的航空遥感技术和以现场勘察为主的地面遥感技术一体化调度，为汛情监测提供了可靠的信息来源和有力的技术支撑。关键词：高分系列卫星；无人机；遥感技术；汛情监测；空天地一体化中图法分类号：TV87；TP79
文献标识码：B
文章编号：1673-9264（2021）04-06-04
DOI:10.16867/j.issn.1673-9264.2021078
黄祚继，王春林，张曦，等.空天地一体化遥感技术在安徽省2020年汛情监测中的应用[J].中国防汛抗旱，2021，31（4）：6-9.HUANG Zuoji ，WANG Chunlin ，ZHANG Xi ，et al.Application of space-air-ground integrated remote sensing technology in flood monitoring in Anhui Province in 2020[J].China Flood &Drought Management ，2021，31（4）：6-9.（in Chi⁃nese ）
0引言
降水是自然现象的一种，是雨、雪、霜、露等现象的统称，同时也是一种极为重要的气候表现，降水量的多寡，对人类的生产生活产生举足轻重的影响[1]。过多或过于集中的降水会引发洪涝灾害，产生直接的经济损失，大规模洪涝灾害甚至会破坏社会正常运转。因此，对洪涝灾害的监测、预警、评估等工作具有重大意义。
安徽省境内多大江大河，长江、淮河、新安江三大流域穿省而过，全省横跨长江和淮河两大流域，位于中国的东部季风区和南北气候过渡带内。全年的降水时间可以分为汛期和非汛期两个阶段[2]。气象统计显示，安徽省近7成的降水集中在汛期[3]，由于汛期内集中了梅雨和台风降水，降水强度大且密集，极易形成洪涝灾害。因此，汛情监测对于安徽省预防洪涝灾害有着至关重要的作用。
对于汛情监测而言，遥感技术具有反应快、监测范围广、成本低等优点，能够大幅提高工作效率。基于星载传感器的航天遥感能够实现大范围成像，为汛情监测提供全局视角的信息支撑；基于无人机传
感器的航空遥感能够快速部署，结合5G 等通信技术，实现实时图传，为汛情监测提供第一手现场信息；基于车载传感器的地面遥感，作为航天和航空遥感的有效补充手段，担负信息核实、现场调度的重任。
1安徽省2020年洪涝灾害概况
2020年6月10日起，安徽全省受梅雨期雨带摆动影
响，出现多次强降雨过程，多地出现严重洪涝灾害。强降雨造成新安江、长江、巢湖、淮河等流域从南到北全域受灾，
其中巢湖流域受灾最重。
6月15日，安徽省水利厅启动了水旱灾害防御Ⅳ级应
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急响应，针对汛情的扩大趋势，防御应急响应等级不断提高。自7月4日起，安徽省大别山区南麓、沿江江南、皖南山区普降暴雨、大暴雨，局部特大暴雨，安徽省防汛工作进入实战状态。暴雨导致安徽省新安江流域普发大洪水，歙县县城被淹，高考推迟，新安江古桥冲毁。暴雨北上，导致宣城地区多个河流、湖泊、水库超警戒水位、超保证水位，水阳江水位持续超历史水位。随着长江流域普降大暴雨及三峡行洪影响，安徽省长江干流、支流及巢湖流域多处水文站点超历史水位，且持续时间长。7月20日，受淮河上游河南及大别山区普降暴雨影响，安徽省开启王家坝闸、启用蒙洼蓄洪区，淮河防汛压力空前。
经全省灾后综合统计，本次洪涝灾害造成全省16个市95个县（市、区）受灾，受灾人口超过1000万人，紧急转移安置人口超过130万人，因灾死亡14人，农作物受灾面积近1.2万km2，房屋损坏超过18万间，直接经济损失近600亿元[4]。
面对长江、淮河、巢湖、新安江流域全省全境防汛压力，为实时掌握灾情，在全省范围内开展了多元遥感汛情监测。
2基于空天地一体化遥感技术的洪涝灾害监测方法根据测区特殊的不同空间尺度数据源、不同传感器、不同监测需求的情况，结合测区的空间属性特征，本文研究了空天地一体化遥感技术在汛情监测中的
应用方案（图1），完成洪涝灾害监测的同时也为决策部门提供技术支撑。
2.1卫星遥感汛情监测
自2016年以来，高分专项卫星已多次在安徽省汛情遥感监测技术服务中得以实战应用，获取灾区多频次、高精
度、广范围的高分卫星影像数据，包括高分一号、高分三
号、高分六号数据等。根据卫星过境的时间及洪涝灾区的
特性，选用不同传感器的遥感卫星，采用基于进化深度神
经网络的遥感水体提取方法，实现遥感卫星数据大面积水
域高效率、高精度、高稳定性的淹没区自动提取[5]。
编码—解码结构是最为常用的图像分类与分割神经
网络结构，其中编码过程主要是下采样，解码过程主要是
上采样。下采样是指通过卷积与池化操作提取图像数据特
征，形成高度抽象的特征图；上采样是通过反卷积和卷积
操作恢复特征空间分辨率特征，逐步恢复为与原始数据相
同维度的特征图。本方法中采用的进化深度神经网络是DenseNet网络，该网络在图像特征抽取过程中有极为优秀的表现，且具备较高的分类精度[6]。
本文将基于进化深度神经网络的方法应用于汛情卫
星遥感监测中，得到全省多地基于卫星遥感的水体淹没范
围，作为受淹面积统计和受灾情况分析的依据。
2.2无人机遥感汛情监测
2.2.1无人机实时跟踪灾情
应急无人机作为洪涝灾情的重要监测手段，具有灵
活、时效性强和分辨率高的性能，与卫星遥感技术配合使
用，可更加方便、快捷地获取数据。现阶段无人机在应急响
应中的数据对象主要包括实时图传数据、视频数据和影像
数据。结合汛情监测需求和现场地形，选择固定翼或旋翼
无人机实时跟踪灾情演变情况，设定无人机平台参数，获
取灾区数据[7]。
2.2.2无人机航拍及数据处理工作
根据破圩受灾情况开展灾区无人机监测工作，获取并
处理航拍视频数据和正射影像数据。针对无人机视频采集
数据进行编辑和剪辑工作，全面展示淹没区受灾当日的现
场全景情况。整理无人机灾区航片数据，对受灾范围进行
遥感评估，并开展破圩淹没区域自动化提取，掌握灾情严
重县（市、区）房屋、堤防、农田受灾情况，可提高涉水构筑
物提取效率和准确度，为灾情评估提供科学依据。
2.3现场勘察与决策支撑
地面监测包括现场勘察和决策支撑两部分内容。现场
勘察水毁农田、住房、水利工程等地面信息，实时反馈给后
方指挥决策部门，及时获取抗灾指导调配物资，配合卫星、
航天遥感航空遥感地面监测光学卫星高精度监测
雷达卫星高频次监测
无人机灾区航摄
4G实时图像传输
水体自动提取
淹没面积计算
祚防汛指挥调度
汛
情
监
测
图1空天地一体化遥感技术应用示意图
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图例
市界
7月18日6时59分
水域范围
7月25日18时16分水域范围北
无人机遥感监测形成空天地一体化汛情监测，为洪涝监测保障提供技术支持。
2.3.1现场勘察受灾情况
现场勘察作为遥感观测的补充手段，可为遥感监测提供地面应急观测信息，配合指挥部开展灾害应急指挥与调度等有效保障。监测人员先后奔赴新安江流域黄山市歙县富资河、丰乐水库；长江流域宣城市南漪湖，安庆市枞阳县菜子湖、白荡湖，池州市东至县；巢湖流域周边；淮河流域蒙洼蓄洪区、姜唐湖行蓄洪区等灾区了解水情、雨情，深入调研洪水演变情势，实地调查水库、水坝等水利设施泄洪情况。
2.3.2抢险救灾决策支撑
抢险救灾决策部署部门是地面监测的核心与指挥中心。利用4G实时图传技术，将无人机遥感技术航拍受灾乡（镇）情况通过现场直播的方式传送至后方指挥部。围绕监测预警、指挥调度、抢险技术支撑，提升洪涝灾害监测能力，摸清灾情发展情况，查明灾区防灾减灾能力，指导灾区及时科学调度设备和物资，减少人民生命财产损失，为洪涝灾害的防御提供基础支撑。
3结果与分析
在整个汛情期间，巢湖流域受灾最为严重，超警戒水位78d，超历史最高水位16d。本文以巢湖流域为例展示空天地一体化遥感技术在汛情监测中的应用成果（图2）。
以2020年6月21日获取的高分三号卫星影像为第一景影像，连续对巢湖流域进行卫星遥感监测，至2020年9月14日，得到专题图共20幅，其中覆盖整个湖面的有12幅，提取得到湖区水面面积如表1所示。
结合水文站点监测数据和表1可得：6月25日，巢湖水位涨至警戒水位10.50m；7月19日，巢湖水位连续突破保证水位（12.50m）、2016年最高水位（12.77m）和1993年最高水位（12.80m）；7月21日，巢湖水位涨至100年一遇设计水位13.36m；7月22日，巢湖水位涨至历史极值13.43m，最大蓄水量近60亿m3，相当于常年需水量的近3倍。
对于卫星影像未能覆盖的区域，以及卫星无法提供影像的时间段，无人机遥感技术起到了很好的补充作用。无人机遥感对于现场情况的实时监测和高精度拍摄也弥补了卫星遥感的不足。地面复核工作为汛情信息确认、防汛调度工作提供了科学依据，让后方指挥人员能够直观感受受灾现场的情况，做出准确判断，减少人为因素造成二次损失的可能。
空天地一体化遥感技术能够全面、直观地为汛情监测提供科学支撑，为防汛调度工作带来巨大便利，同时这一技术能够克服传统汛情监测技术的局限，综合利用多种技术手段，以期达到更好的使用效果，减少受灾损失。
4结论与展望
2020年安徽省防汛形势严峻，巢湖超历史记录洪水位，持续时间长。空天地一体化遥感技术在全面监测、精准预测、科学决策、合理调度、灾后评估、灾后补偿等防汛救灾的各个阶段得到了有效应用与实践。
图2巢湖水系淹没分析图日期（月-日）
06-21
07-09
07-18
07-25
07-28
07-30
08-05
08-07
08-09
08-11
08-16
08-17
09-14
湖区水体面积/km2
771.53
775.92
780.58
793.26
793.90
792.79
791.88
794.95
787.57
787.05
784.01
787.61
780.15
水位/m
9.58
10.80
11.92
13.24
13.13
13.07
12.68
12.52
12.37
12.26
11.90
11.83
10.34
表1巢湖湖区水体面积及水位变化对应表
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目前遥感技术还存在以下问题：①多种传感器观测技术融合的局限性。现阶段我国卫星遥感传感器种类众多，在大多数领域中均有着良好的应用。但洪涝灾害来临时，光学传感器受到云层水汽影响，无法发挥作用，往往只能选择雷达传感器进行单一观测，光学与雷达传感器相互融合的关键技术研究工作是洪涝灾害遥感监测的重点。②缺少基于气象—水文—遥感信息的多源数据分析洪涝灾情评估系统。洪涝灾害中气象、水文信息数据有着十分重要的地位，建立气象—水文—遥感相结合的数据分析评价模型，对进一步进行灾前洪涝淹没预测、灾情演变分析和洪涝灾情评估等有着深远的意义及研究价值。
参考文献
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农业学报，2007（7）：106-108.
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水利出版社，2020.
责任编辑姚力玮
Application of space-air-ground integrated remote sensing technology in flood monitoring in Anhui
Province in2020
HUANG Zuoji1，2，WANG Chunlin1，ZHANG Xi1，ZHU Peng2
（1.Anhui&Huaihe River Institute of Hydraulic Research，Hefei230088；
2.Anhui Dayu Project Construction Supervision and Consult Co.，Ltd.，Hefei230088）
Abstract：Remote sensing technology can respond quickly and monitor in real time，and it has become an indis⁃pensable means of flood monitoring.There are many large rivers in Anhui Province，and the precipitation is con⁃centrated in the flood season；therefore,the pressure of flood control is great.In the flood season of2020，Anhui Province experienced extreme flood throughout the whole province，and the Huai River，Yangtze River，and Xin'an River basins are in emergency.The application of space-air-ground integrated remote sensing technology
in this flood monitoring is introduced：The space remote sensing technology with domestic high-resolution satellite data as the main data source，the aerial remote sensing technology with UAV photography as the main mean，and the integrated dispatching of ground remote sensing technology with site survey as the main method.These tech⁃nologies are used together to provide a reliable information source and strong technical support for flood monitor⁃ing.
Keywords：high-resolution satellite series；UAV remote sensing；remote sensing technology；flood monitoring；inte⁃gration of space-air-ground
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