黃詩峰 ，馬建威，孫亞勇

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.水利部遙感技術(shù)應(yīng)用中心，100038，北京；3.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，100038，北京）

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1 500 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。 空天地一體化遙感監(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、空間實驗室等；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0.31 m，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(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)0.5 m， 雷達(dá)衛(wèi)星分辨率可達(dá)1 m， 可在2～3 天內(nèi)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(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，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(jī)相結(jié)合，由點到面，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，并首次建立了面向洪澇災(zāi)害監(jiān)測的全天候和準(zhǔn)實時航空遙感系統(tǒng)。繼防汛遙感應(yīng)用試驗之后，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(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)運行系統(tǒng)的建立”課題，按業(yè)務(wù)化和實用化的要求，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)害為重點的業(yè)務(wù)運行系統(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?！笆晃濉逼陂g，航空航天遙感大量投入實際應(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(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， 到90 年代的應(yīng)用推廣， 再到21 世紀(jì)初步實現(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、近實時的洪澇災(zāi)害監(jiān)測將成為現(xiàn)實。