基于GIS和RS的蓄滯洪區和諧發展的技術路線

羅清元，劉麗娜，張成才

(1.河南省水文水資源局，河南 鄭州 450003；2.河南省環境監測中心，河南 鄭州 450003；3.鄭州大學水利與環境學院，河南 鄭州 450001)

蓄滯洪區是江河防洪體系的重要組成部分[1-2]。我國蓄滯洪區的發展還存在一些問題，主要表現在：蓄滯洪區的建設滯后、配套工程不全、法規制度不完善，對區內社會經濟活動缺乏有效的管理與調節，區內居民的生存環境、生產條件等有待提高。

針對蓄滯洪區存在的問題，國家嘗試出臺和制定了一系列的政策進行解決，一些專家也提出：“蓄滯洪區的土地管理，土地利用、開發和各項建設必須符合防洪的要求，保證蓄洪滯洪容積，減少洪災損失。要調整蓄滯洪區內經濟結構和產業結構，限制蓄滯洪區內高風險區的經濟開發活動，鼓勵企業向低風險區轉移或向外搬遷。要進一步加強區內的人口管理，適度控制區內人口增長。”但定量化、系統化的研究較少。

本文從區域可持續發展的角度，綜合經濟、社會、資源、人口、生態環境與防洪等多種重要因素，探尋蓄滯洪區在防洪風險下的合理利用方式，以解決蓄滯洪區安全運用和經濟發展等矛盾，實現蓄滯洪區各方面的和諧發展。通過研究建立一套適當的評價指標體系來表征蓄滯洪區的和諧發展程度和蓄滯洪區現狀，進而為蓄滯洪區和諧發展管理提供決策依據。

1 蓄滯洪區防洪和發展關鍵技術

蓄滯洪區和諧發展就是要在協調防洪與區域經濟之間尋找一種平衡發展。既能在發生超標準洪水時，及時行蓄洪水，保護大局安全；又能在不啟用蓄滯洪區時發展區域經濟，改善群眾生活。蓄滯洪區的和諧發展涉及因素眾多，因此要從區域防洪安全與經濟社會統籌協調發展的角度，針對社會、經濟、資源、生態環境、防洪這五類因素指標進行評價和分析。對這些復雜因素進行定量化研究，傳統的設備和手段很難滿足需要。地理信息系統(Geographic Information System，GIS)能夠對洪水計算模型、和諧發展模型、指標評價體系中的基本要素進行管理與分析，其較強的空間數據管理能力，可以將以往的一維數據運算擴展為三維空間數據運算，對蓄滯洪區的社會經濟數據、人口分布、安全避水設施、居民撤退道路和土地利用等信息進行有效的管理；通過地理信息系統的空間分析和模型功能，可以開展居民撤退路線選擇、安全避水設施的合理性分析、洪水風險和保險研究、洪水主流區的三維可視化等工作[3-4]。遙感(Remote Sensing，RS)技術具有快速、便捷、時效性強等特點，可以定期(衛星)和不定期(無人機)進行觀測，及時掌握地面的動態信息，對蓄滯洪區的土地利用、工程建設情況進行動態監測[5-6]。

采集的遙感影像、空間地理數據等信息，遙感技術和地面觀測站網獲取的動態監測信息，以及GIS支持下快速處理、系統分析、綜合評價、預測預報等綜合技術優勢，將為蓄滯洪區的和諧發展研究提供有力的技術支持。

1.1 構建基于GIS蓄滯洪區空間數據庫

利用RS技術對遙感影像進行分析，獲取地面實況的動態數據，并通過現場調查和研究區域統計資料獲取人口、社會、經濟、資源、防洪等信息，建立蓄滯洪區的空間數據庫。應對蓄滯洪區內社會、經濟、資源、生態環境和防洪信息進行采集、存儲、分析、顯示，并進行空間數據的可視化和空間分析(疊置分析、特征信息提取、居民最短撤退路線的選取等)等。蓄滯洪區的多種信息以GIS專題圖的形式進行存儲，如人口分布、避洪設施分布、鄉鎮、道路、土地利用等專題圖，是蓄滯洪區分析研究的數據源。蓄滯洪區空間數據庫是指標評價體系與和諧發展模型研究的數據源。

1.2 蓄滯洪區土地利用/覆被變化監測

土地利用/覆被變化作為資源和生態環境評價指標的重要影響因素，利用遙感技術對蓄滯洪區土地利用/覆被變化(Land Use and Land Cover Chang，LUCC)進行動態監測，以各個時期不同分辨率的遙感影像作為基礎數據，通過對遙感影像的提取和分析解譯，建立區域的土地利用/覆被遙感影像數據庫[7]。同時，使用GIS強大的空間分析功能，研究蓄滯洪區內的人口分布、土地利用等監測要素的變化情況[8]。

對蓄滯洪區內的土地利用/覆被、避洪設施以及城鎮擴展等情況進行監測和分析。采用不同時期、不同分辨率的遙感影像，首先進行影像數據的幾何校正，在校正時要注意地面控制點的選取，保證控制點的數目和精度的要求。然后采用最大似然和概率松弛相結合的分類方法，進行專題信息提取。同時，應用遙感影像的融合技術，將高分辨率遙感影像(如SPOT全色波段，2.5 m分辨率；IKONOS，1 m分辨率)與多光譜影像進行融合，可以提供更加精準的分析成果。依據不同地物對影像融合方法的敏感程度不同，來確定不同地物識別的影像融合方法。首先，應用目前常用的幾種融合方式(如主成分分析法、HIS變換法、高通濾波法、Brovey變換法)；其次，對各種融合的影像進行比較，通過提取各種地物相關參數，比較影像融合前后相關地物參數的變化，并對各種不同融合影像方法的地物判別精度進行分析，確定地物識別方法，并融合影像。還要與實地調查資料相結合，抽取有調查資料的部分影像進行對比分析，定量評價影像融合后數據的質量和精度，必要時，改進目前影像融合方法或研制新的影像融合方法。

應用高光譜遙感數據對土地利用/覆被進行識別。依據不同地物具有不同波譜的特性，探索區分地物的方法，對土地覆蓋的高光譜影響進行分類判別，進而提高識別不同地物的精度。在高光譜遙感數據獲取上，搭載于美國EOS系列terra和aqua衛星之上的MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜輻射計)是一個重要的遙感傳感器，在我國有多個MODIS地面接收站，而且數據是共享的。MODIS有36個波段，覆蓋0.4～14.5μm的光譜范圍，具有探測大氣、云、水汽、臭氧、海洋、冰雪、陸地表面等的光譜特性[9]。其他高光譜遙感數據的獲取，從獲取方式和價格上有一定困難[10]。

1.3 研制蓄滯洪區和諧發展模型

以蓄滯洪區和諧發展復合系統為研究對象，在對社會、經濟、資源、生態環境和防洪進行綜合分析的基礎上，設計蓄滯洪區和諧發展指標體系。通過對致災因子和承災體的分析，研究蓄滯洪區洪水風險問題；通過對區內土地利用情況和生態環境的分析，研究土地的承載能力；進一步采用灰色系統和模糊數學理論，建立蓄滯洪區和諧發展模型。對蓄滯洪區和諧狀況進行綜合評價，明確蓄滯洪區內的非和諧因素，通過參數的調整，使和諧發展模型目標最大化。

2 蓄滯洪區防洪和發展研究路線

2.1 基于Geodatabase模型的蓄滯洪區空間數據庫

采用Geodatabase數據庫作為GIS空間數據庫，因為它采用了面向對象技術，其對象類均由現實世界抽象而來，每個對象類有相關聯系，但又有各自的規則和屬性等特點。用戶可以依據現有的地理數據模型來擴展符合自己需求的功能[11]。與其他數據庫相比，Geodatabase數據庫在支持要素類之間的關聯、支持更加復雜的網絡等方面都有更大優勢，特別是對蓄滯洪區多格式、巨量的數據，能夠更加便捷地存儲、快速地處理，還可以將這些數據的屬性有機地結合，這為蓄滯洪區和諧發展模型的分析與計算以及對不同數據格式的可視化提供了技術手段。

為保證蓄滯洪區數據的開放性、一致性、安全性和標準化，還能滿足快速、高效空間分析和可視化的需要，采用統一建模語言UML(Unified Model Language)和Case工具來建立Geodatabase模型。具體步驟是：①利用統一建模語言UML設計對象模型；②將模型輸出到知識庫；③使用ArcCatalog的Schema(方案)生成向導，進而建立基于Geodatabase的蓄滯洪區空間數據庫[12]。利用這種方法的好處是，原來使用ARCGIS創建的地理信息系統專題圖層，也能夠便捷地導入蓄滯洪區空間數據庫。

2.2 RS影像解譯的自動化和智能化

在解譯遙感影像時采用最大似然和概率松弛相結合的監督分類方法，來獲取蓄滯洪區內不同時期的土地利用、城鎮、道路和避洪設施等的變化情況。采用遙感影像的融合技術，根據不同影像融合方法對不同地物的敏感性，確定不同地物判識的融合影像和方法。研究高分辨率衛星數據與多光譜數據融合時，由于數據分辨率差別大，引起的光譜和地物特征缺失問題，應用分形理論，通過分形插值來獲取高分辨率多光譜影像[13]。借助于人工神經網絡、小波分析和人工智能等工具，開發自動化和智能化的地物識別與提取系統。

2.3 RS與GIS的無縫集成

蓄滯洪區和諧發展模型的開發是基于GIS平臺將遙感數據直接導入模型中，作為模型的主要信息源。多時相、多種分辨率的影像經過融合將產生大量的數據，需應用影像存儲的金字塔技術，解決海量數據的存儲與檢索問題。在RS與GIS集成時，采用無縫集成技術，將遙感影像數據存入GIS的影像庫中，在進行影像的查詢檢索操作時，建立快速的索引機制，以保證數據的安全和GIS空間分析的高效快速進行。

2.4 蓄滯洪區和諧發展模型的建立

蓄滯洪區和諧發展模型應包括經濟、社會、資源、人口、生態環境、防洪等子系統。為了讓各子系統在相互依存的基礎上和諧共發展，就必須先建立一套蓄滯洪區和諧發展指標體系。這個指標體系應具有以下作用：首先，要能夠反映蓄滯洪區各個時期各子系統的發展現狀；其次，要能夠反映蓄滯洪區各個時期不同要素的變化率和變化趨勢；最后，要能夠反映蓄滯洪區各方面發展的統籌協調程度。基于這些原則，采用自下而上的方法，建立蓄滯洪區和諧發展評價指標體系。先設計單個因素的指標，再把整個系統歸類為社會系統和自然系統兩類指標，最后復合為蓄滯洪區和諧發展評價指標[14]。蓄滯洪區空間數據庫是建立蓄滯洪區和諧發展評價指標體系的基礎，所有數據(包括遙感數據)都存放在該數據庫中，利用GIS的空間分析和可視化功能，可以直觀、準確地分析指標體系的合理性[15]。

就和諧發展模型而言，由于評價指標和子系統對應狀態的程度不明確，因此采用灰色系統方法進行建模。系統分目標層、準則層、指標體系層3個層次。目標層，用來衡量蓄滯洪區和諧發展水平；準則層，用于評價和諧發展狀態；指標體系層，反映5個子系統及其之間相互關系的指標。通過和諧發展模型，對蓄滯洪區的和諧發展程度進行綜合評價，研究技術路線見圖1。

圖1 研究技術路線

3 結 語

蓄滯洪區的和諧發展涉及社會、經濟、資源、生態環境和防洪等眾多方面。近幾年國內外對蓄滯洪區的發展已經取得不少的研究成果，可持續發展與蓄滯洪區管理研究有了初步結合。但是對防洪減災和經濟發展等各方面關系的研究定性分析多，定量研究少；對蓄滯洪區和諧發展模型的研究目前還比較少。本文把GIS和RS等技術應用到蓄滯洪區和諧發展研究中，提出了研究的主要內容，設計了技術路線，為蓄滯洪區的科學管理和可持續發展提供一種思路，也為進一步深入研究蓄滯洪區的和諧發展奠定了基礎。