基于遙感與GIS的三峽庫區淹沒影響分析技術及應用
——以2020年長江5號洪水為例

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢 430010）

1 研究背景

長江流域作為我國最大流域，自古以來就承受著頻繁而嚴重的洪災威脅。三峽工程作為長江綜合防洪體系的骨干工程，隨著其建成并投入使用，長江流域防洪形勢得到顯著改善，標準內洪水應對的主動性和靈活性顯著增加［1］。然而對于破壞力強、超防御標準的超標準洪水，其防御應對措施相對有限。一旦發生流域超標準洪水，帶來的經濟損失將是巨大的。因此，快速準確地預測并評估超標準洪水淹沒帶來的影響，是防洪研究工作的重中之重。

傳統的洪水淹沒影響分析通常是基于水文水動力學，通過模型計算推求淹沒范圍等相關指標，但是這種方法無法直觀反映洪水淹沒造成的影響。近幾十年來，隨著遙感和GIS技術的快速發展，其應用被越來越多引入至洪水淹沒影響分析中，綜合利用地理信息系統強大的空間數據組織管理、統計分析功能，以及遙感遠距離、大范圍、快速獲取監測信息的技術優勢，在實現洪災影響分析可視化、立體化的同時，也極大提高了洪災損失評估的精度。例如曲麗英［2］將GIS技術應用于水庫潰壩經濟損失評估中，分析了其在潰壩淹沒區的空間分析作用。孫君等［3］研究了洪水水位高程和淹沒面積之間的關系，并基于GIS系統進行了淹沒過程的三維模擬。徐韌等［4］探索了基于遙感與GIS技術開展望江縣20 a一遇洪水災情評估的方法。劉偉康等［5］利用空間展布的方式將社會經濟信息數據空間化并完成了淹沒區域經濟損失的預測。

然而由于超標準洪水突發性強且非常規，加之時空屬性復雜，國內目前基于RS及GIS開展超標準洪水災害淹沒影響分析的技術尚不成熟，還沒有一套完整的、實用的技術體系或技術方法被普遍采用和推廣。三峽庫區獨特的地形地勢，加上庫區發生的超標準洪水具有影響河道長、持續時間久等特點，常規的監測及淹沒分析手段難以滿足應急救災的需求。

為了解決上述問題，本文在提出超標準洪水天空地協同監測體系［6］的基礎上，開展了超標準洪水淹沒指標提取和淹沒影響分析研究，形成天空地一體化數據采集、監測指標快速提取和淹沒影響分析的超標準洪水監測全過程的技術體系，并針對2020年長江5號洪水，開展了天空地協同監測、淹沒區預測、淹沒影響分析的技術應用，可為三峽庫區超標準洪水的災害監測、指標提取及淹沒影響分析提供技術支撐和應用示范。

2 超標準洪水災害淹沒影響分析研究

2.1 超標準洪水遙感監測指標提取

為了有效評估超標準洪水淹沒影響，在綜合考慮洪災的自然、社會經濟和環境影響等方面因素［7-8］的前提下，結合遙感監測技術手段的實際情況，提出了圖1所示的超標準洪水遙感監測指標體系。超標準洪水災害遙感監測指標分為洪水危險性指標和洪水影響指標兩大類，針對這兩大類指標，綜合運用遙感和GIS手段實現快速提取，是超標準洪水淹沒影響分析的前提。超標準洪水遙感監測指標提取技術流程見圖2。

圖1 超標準洪水遙感監測指標體系

2.1.1 超標準洪水危險性指標

根據洪澇災害所反映的不同自然特征，超標準洪水危險性指標可分為空間特征指標、時間特征指標和嚴重程度特征指標［9］。其中，空間特征指標包括洪災發生位置和淹沒范圍，時間特征指標包括淹沒歷時和發展變化，嚴重程度特征指標主要是指洪災的淹沒水深。這些反映洪災不同方面特征的指標是洪澇災害遙感監測的對象，同時也是進行影響評估的基礎。

（1）超標準洪水發生的地理位置或區域。用經緯度或平面坐標、所屬行政區劃、所屬水系等形式表示。經緯度或平面坐標可從遙感影像上直接提取坐標信息得到，所屬行政區劃、所屬水系等可通過與行政區域矢量、水系矢量疊加分析得到。監測結果在遙感監測背景圖上標注洪災發生位置。

（2）超標準洪水淹沒范圍。根據洪災發生的不同階段可分為淹沒前預測與淹沒后監測。淹沒預測需要運用水力學模型確定洪水發生時的最高水位［10］，在此基礎上結合研究區域的數字高程模型，基于空間分析提取淹沒范圍因子。淹沒后監測是通過對比淹沒前后遙感影像水體范圍提取淹沒范圍，實際上是遙感影像變化檢測技術的實現，可以通過分類后比較或光譜直接比較［11］兩種方法來實現。其中光譜直接比較法需要先對不同時相的遙感影像進行幾何配準和輻射校正，再通過逐像元比較，提取變化區域，進而得到洪水災害淹沒范圍。

（3）超標準洪水淹沒歷時。超標準洪水淹沒歷時是反映洪水危險性時間特征的重要指標。在已知洪災發生過程中水深序列值的前提下，通過定義臨界水深，將超過臨界水深的時間定義為淹沒歷時［12］。

（4）超標準洪水發展變化。采用遙感手段監測超標準洪水影像范圍的變化、監測淹沒水深等隨時間的變化，可以反映洪災的發展變化，以洪澇災害遙感水深變化監測專題圖及淹沒范圍變化專題圖來綜合表達。

（5）超標準洪水淹沒水深。洪水淹沒水深指受淹地區的積水深度，是評估洪水災害損失的一個重要因子［13］。超標準洪水淹沒水深計算以數字高程模型為基礎，利用GIS空間分析功能，通過與淹沒范圍疊加來提取淹沒水深數據，即水深由淹沒區水面高程與地形共同決定。

2.1.2 超標準洪水影響指標

超標準洪水影響指標包括對受到洪水影響的社會經濟載體、生態環境載體等的監測。在洪災發生過程中，洪水影響指標提取是進行災害損失動態評估和安排救災、減災方案的前提。

超標準洪水影響指標的提取分為洪災發生前的本底調查和洪災發生中以及發生之后的動態監測。其中，本底調查是洪災影響指標提取分析的基礎和依據［14］。如果本底數據庫的時效性滿足要求且數據內容齊備，那么從遙感數據得到洪災的淹沒范圍后，通過多個數據層的空間疊加分析即可快速獲取洪水影響指標，即在對淹沒范圍進行動態更新的前提下，就可完成洪水影響指標的動態監測。

洪水影響指標的識別和提取方法，目前主要有目視解譯法和計算機圖像分類法［15］。目視解譯法精度高，但是耗時較長且需要專家經驗。圖像分類法包括監督分類、非監督分類、人工神經網絡法等，信息提取速度快，適合應急情況下大范圍動態監測指標的提取。

圖2 超標準洪水遙感監測指標提取技術流程

2.2 超標準洪水淹沒影響分析

超標準洪水災害遙感監測指標提取完成之后，得到各項監測指標的空間和屬性信息。超標準洪水淹沒影響分析是在此基礎上進行淹沒影響區預測、淹沒指標的統計，并分析淹沒預測的主要影響因素。淹沒影響區預測，即在監測指標提取中洪災發生前淹沒范圍的提取。淹沒指標的統計，是將淹沒范圍、各項監測指標圖層和行政區圖層進行空間疊加分析，統計各行政區內的各項洪災監測指標數據，以圖表、專題圖的形式進行表達與呈現［16］。淹沒影響因素分析是指對可能影響淹沒預測準確性的相關因素進行分析與明確，指導淹沒影響預測的調整與修正，為庫區超標準洪水應急救災提供更全面、精準地數據支撐。針對三峽庫區的實際情況，影響淹沒預測的因素主要有新建堤防工程、預測采用的地形與實際地形存在差異、預測采用的水位與實際水位存在差異等。超標準洪水淹沒影響分析技術流程見圖3。

圖3 超標準洪水淹沒影響分析技術流程

3 長江5號超標準洪水淹沒影響分析

2020年8月中下旬，受強降雨影響，長江上游多流域多江段集中發生超標準洪水，8月17日，2020年長江第5號洪水在長江上游形成。為了掌握三峽庫區及其上游重慶地區洪水淹沒影響情況，對此次超標準洪水開展了淹沒影響分析。

3.1 超標準洪水天空地協同監測

為了多維度掌握超標準洪水影響情況，基于天空地協同超標準洪水監測體系架構，對三峽庫區及上游重慶地區開展了天空地協同監測，重點掌握庫區175 m土地征收線以上區域的受災情況。

利用天基衛星采集了庫區及上游重慶地區全覆蓋遙感影像，作為流域級洪災影響分析的基礎。同時，采用低空無人機遙感技術開展重點監測斷面區域的監測數據采集。另外，配合地面測量手段完成淹沒水位等監測數據的動態跟蹤采集，作為天基及空基監測的補充。

3.2 淹沒影響區預測

在洪峰到達前，為了評估此次超標準洪水對土地征用線以上范圍的淹沒影響，基于一維水動力學模型水面線計算成果和三峽庫區2008年1：10 000DEM數據，利用GIS空間分析技術，開展了洪峰對三峽庫區及上游重慶段的淹沒影響范圍分析，結果如圖4所示。預測此次洪水影響土地征用線以上范圍涉及重慶市的渝中區、江北區、南岸區、九龍坡區、大渡口區、江津區、渝北區、巴南區、長壽區、涪陵區等10個區縣，面積共約15 km2。

3.3 監測指標提取及統計

圖4 長江5號洪水淹沒影響區域預測

此次超標準洪水的應急重點監測指標包括實時淹沒水位、土地征用線以上淹沒范圍、淹沒面積、承災體數量及面積等。利用洪災發生前不久的覆蓋監測區域的衛星影像和洪災現場無人機航飛采集的影像數據，采用人機交互方式勾繪出監測區域內的房屋、耕地、水利設施、交通及林地草地等土地利用類型；淹沒水位采用RTK現場測量水陸邊界點高程值的方式獲取。

將淹沒范圍、土地利用類型圖層和行政區圖層進行GIS空間疊加，統計各行政區內的各項洪災監測指標數據，得到各區縣各類監測指標淹沒影響數據，如圖5所示。

圖5 各行政區各地類淹沒面積

3.4 淹沒影響因素分析

根據現場監測情況，預測淹沒影響與實際發生情況總體一致，部分區域差異較明顯，存在的差異主要受到以下幾個方面的影響。

（1）地形地貌變化的影響。實際地形與預測淹沒使用的地形狀況已發生變化，導致淹沒影響范圍改變。如圖6所示，2008年至今，該處經歷明顯開挖，導致5號洪峰過境時淹沒面積增加。

（2）堤防工程建設的影響。沿江堤防或擋墻的修建，較為顯著地減少了淹沒影響，如圖7所示。

圖6 地形地貌變化影響（紅線為預測淹沒線）

圖7 堤防工程建設影響（紅線為預測淹沒線）

（3）實際水位與預測水位不一致的影響。實際水位高于預測水位，使得淹沒影響增大。在地形變化平緩、無堤防防護的區域尤為明顯，如圖8所示（該處實際水位183.50 m，預測水位181.84 m）。

圖8 預測水位與實際差別影響（紅線為預測淹沒線）

（4）土地征用線下建設影響。在現場監測中發現，部分區域土地征用線下有成規模的工程建設，增加了淹沒損失影響，如圖9所示。

圖9 土地征用線下建設影響（黃線為土地征用線）

4 結語

本文以2020年長江5號洪水為案例，開展了基于遙感與GIS技術的三峽庫區淹沒影響分析技術研究，提出了超標準洪水淹沒影響分析技術，并在長江5號洪水中進行了應用。試驗結果表明：該技術實現了對洪水淹沒范圍較準確的預測和淹沒指標的快速提取，有效縮小了防災救災范圍，為制定搶險救災最佳方案提供了快速、準確、直觀的數據支撐，提高了災情應急處理能力和效率。