堰塞湖災害應急救援分析及影像輔助信息提取

■ 譚龍飛 電子科技大學自動化工程學院 應急管理部四川消防研究所

■ 李玉霞 文江 電子科技大學自動化工程學院

■ 張文華 應急管理部四川消防研究所

一、引言

我國幅員遼闊，是地質災害頻發(fā)的國家。其中，西藏和四川西部地區(qū)地形多山復雜、氣候多變，經常發(fā)生堰塞湖、地震、滑坡和泥石流等地質災害。同時四川除長江主流流經該省外，還具有眾多其他支流，因此相較于其他省份孕育堰塞湖的概率更大。然而絕大多數(shù)堰塞湖發(fā)生于偏遠多山地區(qū)，人跡罕至，對應急救援工作造成了極大的挑戰(zhàn)。面向堰塞湖災害應急救援實際信息化需求，多源遙感影像已經逐漸成熟并應用于輔助信息提取，初步形成應急救援隊伍信息化作戰(zhàn)能力。大范圍區(qū)域的實時/近實時信息是堰塞湖災害應急救援的有力支撐，是突發(fā)性事故處置中的重要數(shù)據(jù)來源，是對事故及時、正確地進行應急處理、減輕事故危害和制定恢復措施的根本依據(jù)。但是，由于不同影像平臺數(shù)據(jù)差異較大，不同類型傳感器數(shù)據(jù)存在不同數(shù)據(jù)格式等問題，且后續(xù)處理過程煩瑣，需要消防人員具備一定的專業(yè)技能和經驗，造成救援決策的時效性很差，達不到應急救援實戰(zhàn)化應用需求。

文章提出了基于多源遙感影像的堰塞湖應急救援輔助信息提取技術，通過三個方面分別介紹堰塞湖應急救援的挑戰(zhàn)、堰塞湖災害的多源遙感影像處理流程、基于多源遙感影像的堰塞湖信息提取指標分析。結合金沙江堰塞湖和丹巴堰塞湖案例從應急救援角度分析了堰塞湖災害應急救援特點，探討了目前堰塞湖災害救援過程中信息化技術和難點。基于遙感和數(shù)據(jù)分析在災情獲取分析方面體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢，如何基于多源遙感影像進行應急救援輔助信息提取，并有效形成應急救援隊伍信息化作戰(zhàn)能力成為了應急領域的熱點問題。文章針對金沙江堰塞湖和丹巴堰塞湖的應急救援輔助信息提取，提出了多源遙感圖像信息提取技術，可提供救援過程中救援道路通行能力、過流狀態(tài)、掘進路徑和人員等重要信息保障，對堰塞湖災害應急處置與救援提供了新的方法和手段，對于保護人民生命財產安全具有重要意義。

二、堰塞湖災害救援及處置特點分析

堰塞湖通常會形成非常嚴重的次生洪水災害，造成非常慘重的人員傷亡和財產損失。同時其伴隨交通、信息、通訊中斷，災害中心區(qū)域與外界隔絕，應急保障系統(tǒng)缺失和運行不暢，給消防救援和應急救災工作增加了難度，因此對堰塞湖導流輔助信息提取是非常必要且有意義的一項工作。

最近幾年我國比較有名的堰塞湖有：唐家山堰塞湖位于中國四川省北川羌族自治縣境內，其堰塞壩位于北川老縣城曲山鎮(zhèn)上游4公里處。2008年5月12日發(fā)生的汶川大地震造成唐家山大量山體崩塌，兩處相鄰的巨大滑坡體夾雜巨石、泥土沖向湔江河道，形成巨大的堰塞湖。堰塞壩體長803米，寬611米，高82.65至124.4米，方量約2037萬立方米，上下游水位差約60米。6月6日，唐家山堰塞湖儲水量超過2.2億立方米，6月10日1時30分達到最高水位743.1米，最大庫容3.2億立方米，極可能崩塌引發(fā)下游出現(xiàn)洪災，為汶川大地震形成的34處堰塞湖中最危險的一座。6月7日上午7時，唐家山堰塞湖通過開挖引水槽排水，降低堰塞湖的水位、水量，開始泄流。6月10日至11日，泄洪獲得了成功，唐家山堰塞湖黃色警報于6月11日16時獲得解除。

2018年10月10日晚22時6分發(fā)生的金沙江堰塞湖災害，西藏自治區(qū)昌都市江達縣和四川省甘孜藏族自治州白玉縣境內發(fā)生山體滑坡，堵塞金沙江干流河道，形成大型堰塞湖，如圖1所示。2018年11月3日17時40分許，波羅鄉(xiāng)白格村原山體滑坡點發(fā)生二次滑坡，導致無法自然泄流。從形成堰塞湖到最終導流成功，共耗費了9天時間，利用無數(shù)人力和機具挖掘出泄流槽成功導流泄洪。

2020年6月17日凌晨3時20分發(fā)生的丹巴堰塞湖，為丹巴縣半扇門鎮(zhèn)梅龍溝發(fā)生泥石流，阻斷小金川河，形成堰塞湖，威脅到了上下游6個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）17個村的范圍，最終經過5天的搶險救援，成功完成堰塞體處置工作。

堰塞湖的主要處置方法有以下三種：當堰塞體體積較大，不易拆除，其構成物質以土石混合物為主，具備快速沖刷條件時，可在堰塞體上開挖引流槽；其構成物質以大塊石為主，不具備快速沖刷條件時，可采用機械或爆破開挖泄流渠；當堰塞體體積較小，具有在短時間內拆除的可能性，可對堰塞體進行機械或爆破拆除。

通常的處置方法是采用人工開挖、機械開挖、炸藥爆破的方式形成引流槽或泄流渠進行泄流進而排除險情。人工開挖所需人員多，效率低，周期長；因為堰塞湖一般都位于人跡罕至的地方，交通不便，大型工程機械進入很困難。炸藥爆破危險性大，污染環(huán)境。金沙江堰塞湖的成功處置，給了我們新的啟發(fā)，可使我們從使用水消融壩體這個角度重新研究一種新的泥沙型堰塞湖壩體處置裝置和措施。但是，針對堰塞湖的消防救援還存在以下特點：第一，突發(fā)性強。即使在四川和西藏的非傳統(tǒng)雨季，在臨近堰塞湖災害發(fā)生前，也可能幾乎沒有任何預警信息，加上事發(fā)地點人煙稀少、交通通訊不暢，大大增加了災害的突然性。第二，穩(wěn)定性弱。堰塞湖形成后，持續(xù)增高的水位對壩體和岸堤不斷進行侵蝕和強壓，極易引發(fā)潰壩及崩岸；災害發(fā)生區(qū)域屬高山峽谷地貌，山體構造主要為砂石、風化巖土、松散沉積土，幾乎無植被覆蓋，加上極端天氣多發(fā)，受大雨沖刷極易形成不穩(wěn)定流動體引起整體崩塌。第三，施救難度高。災害發(fā)生地屬于邊遠艱苦山區(qū)，公共基礎設施及應急管理、災害救援的機制、力量、裝備、調度、處置等方面與內地相比都有較大差距，加上天氣惡劣多變、路途艱險遙遠、通訊盲區(qū)較多、民族語言障礙等因素，給應急救援行動帶來了巨大困難和諸多不確定因素。

國內目前堰塞湖相關研究主要包括光學遙感、GIS、地面觀測等方法。光學遙感雖然成本低、觀測范圍廣，但嚴重受限于天氣條件，同時夜間觀測能力也較差，嚴重制約了信息提取實時性和準確性。本文以已有的遙感對地觀測研究為基礎，針對堰塞湖災害應急信息提取高實時性和準確性需求，開展微波遙感機理、機載/星載算法模型、集成現(xiàn)場處理和推送平臺等相關研究和應用。

三、堰塞湖災害的多源遙感影像處理流程

針對堰塞湖相關定量信息在災害應急救援中的重要性，以大觀測范圍、快速時間響應、晝夜工作、高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)為基礎，GIS、無線網絡傳感器為輔，提出并實現(xiàn)快速有效準確的信息提取評估算法模型，為災害應急救援方案制定提供近實時/實時的定量信息，以及災害預警、災害動態(tài)發(fā)展態(tài)勢等相關重要輔助信息。

其中，多源數(shù)據(jù)主要包括0.65附近的可見光波段、0.8的中紅外波段、11、12附近的熱紅外波段遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及波長在1～1000的微波遙感數(shù)據(jù)，配套的多源遙感數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)對遙感信息進行智能化處理，包括信息提取、多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析到最后的成果發(fā)布，從而全面提升災情預警的準確性、實時監(jiān)控的有效性、態(tài)勢分析的可靠性與災情評估的精確性，目的是打造從遙感多源數(shù)據(jù)獲取到信息化應用和輔助決策的完整的智慧化運行平臺，同時基于該平臺的建設形成較強的科研能力和原始創(chuàng)新能力。

如圖2所示，基于多源影像的堰塞湖導流應急信息系統(tǒng)工作流程主要是準備、輸入、處理、顯示/存儲。準備：平時維護時，準備歷史數(shù)據(jù)，存儲到系統(tǒng)中。輸入：高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、無人機數(shù)據(jù)、地面實測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等信息在使用時通過各種手段輸入到系統(tǒng)中。處理：對于輸入的數(shù)據(jù)，有針對性地進行各種處理，得到的產品和結果可用來顯示和存儲。顯示：處理的結果，可通過系統(tǒng)顯示，作為系統(tǒng)指揮輔助決策的輔助手段。外部訪問：災害處理時間長，需要協(xié)調、指揮的事情多，系統(tǒng)提供方便的外部訪問接口， 滿足移動指揮的需要。

四、結果

目前，基于多種類型的遙感傳感器建立了基于雷達、光學傳感器等多源數(shù)據(jù)的導流輔助信息和邊界提取快速建模、快速評估、預警及救援輔助決策響應方案及相關信息提取算法，通過參與金沙江堰塞湖星地同步試驗，完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作，并獲取了汪巖段、噶中段、甘白段等滑坡垮塌路段的滑坡及局部堰塞湖重點觀測點的地面基礎數(shù)據(jù)及同步多時相高精度多源數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理方法及分析。

通過與四川省消防總隊及各地方消防一線隊伍進行多源遙感影像的堰塞湖信息提取應用，可以為堰塞湖消防救援提供有效的信息技術支撐，解決消防隊伍人員在數(shù)據(jù)獲取過程中欠缺相關專業(yè)知識，數(shù)據(jù)獲取處理不準確、不正確、實時性過低、人力資源耗費大等問題，為消防應急救援提供導流關鍵信息、指導決策，填補國內目前在該方面的應用空白。以2020年四川丹巴堰塞湖應急救援為例，相較于2018年金沙江堰塞湖應急救援，主要已經實現(xiàn)并提高的指標分析如下：

（1）堰塞湖災害應急指揮信息定量提取：突發(fā)應急事件數(shù)據(jù)獲取后，數(shù)據(jù)處理和堰塞湖災情專題信息提取的響應時間在3小時以內，特殊復雜狀況的突發(fā)應急事件響應時間不大于6小時。

（2）堰塞湖過水與水體邊界動態(tài)變化：相對誤差不超過9%，以及變化檢測精度優(yōu)于90%。

（3）堰塞湖信息專題數(shù)據(jù)產品生產速度和質量比常規(guī)方式提高10%。

（4）現(xiàn)場能夠支持超過TB海量影像及其他多源空間數(shù)據(jù)的實時傳輸、訪問與漫游。

（5）多源遙感數(shù)據(jù)自動配準精度：對于西藏、四川等地的地形起伏較大、地貌復雜的區(qū)域，同源遙感圖像自動配準精度優(yōu)于2個像元，異源遙感圖像配準精度優(yōu)于3個像元。

（6）集成堰塞湖導流相關信息，并提供導流點位周邊敏感區(qū)域輔助信息，形成導流標準影像格式。

（7）復雜地形條件下，高分辨率影像缺少控制點的幾何校正精度：平原地區(qū)優(yōu)于2個像元，山區(qū)優(yōu)于3～5個像元。

五、結語

堰塞湖傳統(tǒng)的應急救援及處置方法在遙感、大數(shù)據(jù)及人工智能等新技術的幫助下可以提高效率和精度，對堰塞湖災害應急處置與救援提供了新的方法和手段。在開挖導流、救援方式以及決策判斷中，基于影像方式提取的信息均對堰塞湖的處置有一定的輔助作用，但是它們短時內無法完整地覆蓋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的堰塞湖信息來源，只能在信息輔助方面配合應急救援及處置方式協(xié)同應用，充分發(fā)揮互補的優(yōu)勢。