洪水灾害卫星遥感监测与评估研究综述

洪水灾害是当今世界上最严重的自然灾害之一,对其进行科学有效的监测和评估是科学防灾减灾的基础,也是目前国内外学者研究的热点和难点问题.本文简要介绍了卫星遥感监测洪水的原理,着重对基于Landsat TM与ETM+、SPOT、EOS/MODIS、NOAA/AVHRR等卫星遥感资料的洪水水体提取技术、淹没面积与淹没水深的计算方法以及洪水灾情的影响评估等几个方面的研究进展进行了综述.认为:目前洪水水体的遥感提取技术比较成熟;基于GIS的洪水面积计算也相对较为成熟;洪水淹没水深的获取难度较大、技术尚有待改进;洪水灾情影响评估技术发展较快,但定量评估方法、模型及评估的准确度、时效性都需要进一步提高.在此基础上提出:微波遥感、人工神经网络、GIS技术等在洪水灾害卫星遥感监测与评估应用中具有广阔前景,特别是在洪水灾害评估中应大量应用遥感信息.     

基于被动微波遥感的中国干旱动态监测

目前用于中国干旱监测的遥感方法大多是可见光和热红外指数法,受云雨、植被和地形的影响较大,不能满足中国南方地区干旱监测的需求。该研究基于被动微波辐射传输方程,首先构建了基于AMSR-E（advanced microwave scanning radiometer-EOS）数据的地表温度反演模型,R2=0.79,RMSE（root mean square error）为2.54℃,实现了中国地表温度的被动微波遥感监测。然后,拟合了不同下垫面归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）与微波极化差异指数（microwave polarization difference index,MPDI）的关系。在此基础上改进了植被供水指数（vegetation supply water index,VSWI）,构建了基于AMSR-E数据的被动微波遥感气象干旱指数,并以中国2009年的旱情为例进行实例验证。研究表明,该干旱指数与AMSR-E L3土壤湿度数据有着显著的负相关关系（R2=0.75）,且能基本表征2009年中国实际的气象干旱状况。     

基于空间信息的农业干旱综合监测模型及其应用

为提高农业干旱监测的准确性,采用遥感信息与地面气象观测数据相结合的方法进行农业干旱监测研究。选择适合高植被覆盖区旱情监测的标准化植被供水指数及适合热带气候区旱情监测的综合降水指数作为参数,通过与同步实测土壤含水量的数据融合构建了海南岛农业干旱综合指数模型。经检验,模型的均方根误差RMSE为4.65%,相对均方根误差RMSEr为19.28%,模型具有较高的精度,可以用来监测海南岛的农业干旱。应用模型对2004年10月至2005年1月海南岛农业干旱进行了监测。结果表明,海南岛旱情西部重于东部、北部重于南部、四周平原重于中部山区。2004年10月上旬起旱情持续加重,12月上旬达到旱情高峰,12月中旬旱情略有缓解,但直至监测末期2005年1月下旬旱情依然严重。旱情最严重的时段(2004年12月上旬),海南岛干旱影响范围广,水田和旱地的重旱面积比例分别为59%和61%,其他林地的重旱面积比例也达到了20%。监测期内,海南岛作物生长过程受到明显抑制,干旱造成NDVI累积值较上一生长季同期下降6.34%,2004年10月至12月海南岛天然橡胶减产约1.16万t。该文为农业干旱监测提供参考。     

有效降水指数在暴雨洪涝监测和评估中的应用

科学有效的监测和评估是防范和减轻暴雨洪涝灾害的重要基础。基于有效降水指数(EP)构建单站和区域暴雨洪涝监测、评估指标,利用1961-2014年湖北省76站逐日气象观测资料及相关灾情资料,确定降水衰减参数及致涝阈值,在此基础上分析EP指数在历史暴雨洪涝评估及实时暴雨洪涝过程监测中的应用效果。结果表明：经参数率定后的EP指数对农作物洪涝受灾面积的解释方差达78.1%,对年际间暴雨洪涝强度差异反应敏感,能识别历史典型大涝年和严重洪涝年,在2014年实时暴雨洪涝过程监测中能直观诊断出一般性暴雨洪涝的起止时间和过程动态变化,但对局地性和间歇性发生的暴雨洪涝过程刻画不足。创建EP指数所需数据资料少、计算简便,可用于洪涝灾害历史排位、年景评价、灾情预评估、风险区划以及作物产量建模等。     

土壤保持功能对土地利用变化的敏感性研究

土地利用/覆被变化作为人类活动的直观反映，深刻改变着地表植被覆盖和地表径流，进而导致土壤保持功能的变化。采用趋势分析法对重庆市2000—2015年土壤保持功能的变化趋势进行研究，采用交叉敏感系数法研究各地类转换对土壤保持功能的敏感性。结果表明：（1）研究区地类以林地和旱地为主，2000—2015年间林地、裸地、水体和建设用地的面积有所增加，旱地、草地和水田的面积有所减少。其中，建设用地增幅最大，达0.93%，主要来源于旱地和水田的转换；旱地降幅最大，达0.85%，主要流向建设用地和林地。（2）研究区2000—2015年间土壤保持量总体呈波动上升趋势。其中，基本不变的区域占比77.22%，增加和显著增加区域占比21.85%，减少和显著减少的区域占比0.10%。增加和显著增加的区域主要集中在500~1 000 m的旱地和林地，减少和显著减少的区域主要为海拔500 m以下的旱地。（3）旱地与草地、水田与林地之间的转换对土壤保持功能的变化敏感性最高（敏感性系数分别为11.01和6.73），其次是旱地与裸地、水田、水体之间，草地与水体、裸地、林地之间以及林地与水体、裸地之间的转换，其敏感性系数均大于1。     

西南地区综合干旱监测模型构建与验证

在全球极端天气事件越来越多的大背景下,准确监测西南干旱对区域农业可持续发展具有重要的现实意义。该文选取降水距平百分率(percentage of precipitation anomaly index,Pa)、标准化降水指数(standard precipitation index,SPI)、相对湿润指数(relative moisture index,MI)等3种气象类干旱监测模型以及植被供水指数(vegetation water supply index,VWSI)与归一化植被指数(normalized differential vegetation index,NDVI)等2种遥感类干旱监测模型,并分别与实测土壤湿度作相关分析,在此基础上选取相关系数最高的相对湿润指数与归一化植被指数为自变量建立综合干旱监测指数(comprehensive drought monitoring index,DI)。结果表明,综合干旱指数与土壤水分实测值有较好的相关性,监测精度可达88.38%;在不同海拔高度内,综合干旱指数的拟合效果比单一指数效果更好,精度更高;在分析2009-2010年西南特大干旱旱情发展的时空演变过程中,综合干旱监测结果与实际干旱情况有较好的空间一致性,监测效果佳。研究成果为西南丘陵山区干旱监测提供了一种新的方法。     

应用NOAA图像进行大范围洪涝灾害遥感监测的研究

洪涝灾害的监测与评估是农情监测的主要任务之一。该文对应用气象卫星NOAA AVHRR图像进行大范围洪涝灾害的宏观和快速监测方法进行了初步研究,从典型地物的波谱特征出发,建立了洪涝水体的判别函数,及在此基础上的面积量算方法。并对1998年长江流域的特大洪涝灾害进行了监测试验,取得了较好的效果。该方法将逐步完善,并用于农情监测运行系统。     

基于HJ-1A/1B数据的天然橡胶干旱监测

为对橡胶林进行干旱动态监测及其影响定量评估,提高农作物干旱监测的准确性和实时性,该文基于HJ-1A/1B数据和地面气象观测数据,以标准化植被供水指数及综合气象干旱指数为变量,通过与同步实测土壤含水量的数据融合构建天然橡胶干旱监测综合模型。经检验,模型的相对均方根误差、纳什效率系数、一致性指数分别为11.02%、0.40、0.85,模型具有较高的精度。应用模型对2010年5月至7月海南农垦国营阳江农场橡胶林干旱进行了监测。结果表明,干旱存在较明显的空间差异,西部重于东部、北部重于南部。5月上旬起旱情持续加重,7月上旬达到旱情高峰,直至监测末期(7月下旬)干旱虽然有所缓解,但旱情依然严重。干旱对橡胶树生长有明显的抑制作用。干旱对橡胶树归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)、净初级生产力(net primary production,NPP)的影响存在滞后效应,滞后长度约1旬。干旱对NPP的影响从当旬开始有效,并延续3旬左右,干旱对NPP的延续效应较对NDVI明显。干旱对橡胶树产胶潜力、干胶产量的影响从当旬开始有效,并延续3旬左右,干旱对干胶产量的影响较对产胶潜力更为直接和长效。阳江农场橡胶林77.22%的像元产胶受抑与综合旱情指数呈现负相关性,其中26.70%为显著负相关。该文为天然橡胶干旱监测及评估提供参考。     

半干旱沙区土类/亚类的遥感调查制图方法

传统土壤调查制图存在低时效性、低精度等问题。为了解决半干旱沙区土壤遥感调查制图问题,该文以科尔沁左翼后旗为例,基于野外实地调查和专家知识分析了半干旱沙区土壤类型分布特征与环境因素之间的关系,并探讨了基于多时相Landsat8 OLI影像数据的半干旱沙区土类/亚类遥感调查制图方法。结果表明:利用多时相Landsat8 OLI影像数据提取的归一化差异水体指数(modified normalized difference water index,MNDWI)、盐分指数(salt index,SI)、归一化差异湿度指数(normalized difference moisture index,NDMI)、归一化差异植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)等环境信息,可实现对沼泽土、盐碱土、草甸土、风沙土及其亚类等半干旱沙区主要土壤类型的遥感调查制图。应用本文提出的半干旱区土类/亚类遥感调查制图方法对科左后旗进行土壤遥感调查制图和精度验证,总体精度约为72.84%,Kappa系数为0.667 8。该方法可为半干旱沙区数字土壤调查制图提供思路和参考。     

基于灰色系统理论的挠力河流域净耕地面积预测

[目的] 研究如何精准提取净耕地利用信息,为农田管理与耕地科学利用提供理论支持。[方法] 基于灰色系统理论提出净耕地预测思路,以典型粮食产区挠力河流域为研究区,在土地利用变更调查数据支持下,运用净耕地系数、突变检测模型、灰色动态模型（GM）等数理模型,提取并验证净耕地（包括旱地和水田）利用信息。[结果] 挠力河流域土地利用斑块面积变化表现出显著的“灰色”特征,对20 hm²等额面积区间的非旱地和非水田斑块面积累加处理,可增强数据列的规律性特征;GM （1,1）灰色系统模型和多项式预测方法均可较为准确地提取非旱地和非水田面积信息。2018年,挠力河流域旱地和水田的净面积分别是1.06×10⁶ hm²和3.87×10⁵ hm²,对应的净系数为97.65%和98.07%。[结论] 耕地斑块面积变化具有灰色特征,可采用灰色系统理论进行净耕地面积预测。     

基于视觉注意机制的洪涝淹没区遥感识别方法

依据视觉注意机制,结合洪涝淹没区以色彩可视化表达的时空过程变化特性,构建凸显淹没区视觉显著性的专题信息增强图像,对此应用NBS色差距离系数,使得同质像元在空间上集聚形成显著区域,然后采用基于视觉色差检测的图像聚类技术,开展大范围洪涝淹没区的遥感识别及信息提取,并利用能够同时兼顾遥感错分和漏分信息的复合分类精度系数(composite classification accuracy,CCA)进行识别精度评价。应用上述方法对长江中游2016年夏季洪灾进行了遥感监测试验,并采用误差混淆矩阵法对同一识别对象(洪水淹没区)不同遥感分类方法的可信度进行了评价,结果显示该次试验的Kappa系数和CCA系数各为93.4%和88.5%,较传统的洪水淹没区遥感识别技术都高出5%左右。在2016年长江中游夏季洪灾中,渍水农田面积约19 143.35 hm~2,淹没区面积则高达142 157.5 hm~2,其中被淹水稻占16.6%(约23 579 hm~2),并且绝大部分位于长江沿岸以及府河和汉江等长江支流沿线地势低洼的滨河滨湖地带;武汉市受灾最为严重,该市以34 492 hm~2的洪涝淹没区面积居于各受灾县市之首,占研究区域全部受灾面积的24.26%。基于选择性视觉注意机制的洪涝淹没区遥感识别方法,能够有效提高大范围洪涝淹没区的遥感信息提取精度,较好地解决了淹没区与水域之间的错分现象;基于洪灾前后遥感信息融合的洪涝过程可视化表达,不仅能够实现淹没区不同于水体的时空变化特性的数据化,从而便于开展淹没区的计算机视觉检测,而且还在凸显淹没区视觉显著性的同时,较好地抑制背景冗余信息,尤其能降低将淹没区视同水域进行遥感分类检测时的不确定性。     

海南岛冬种瓜菜暴雨洪涝灾害风险评估与区划

基于农业气象灾害系统构成体系和灾害风险理论,依据海南岛18个气象台站1961-2012年9-11月逐日降水数据、地理信息数据、耕地面积和冬种瓜菜种植面积资料,借助GIS技术,采用加权法和自然断点法对海南岛冬种瓜菜暴雨洪涝灾害致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性进行指标构建和风险分析,在此基础上构建冬种瓜菜暴雨洪涝灾害综合风险指数,并将该指数应用于海南岛冬种瓜菜暴雨洪涝灾害的风险区划。结果表明,海南岛东部和东北部地区为冬种瓜菜暴雨洪涝灾害高和次高危险区,其中万宁市大部、琼海市和屯昌县南部、陵水县中部风险最高;西部为次低和低风险区;其余地区为中等风险区。灾情验证结果表明,实际灾情的空间分布与风险区划结果基本吻合。研究结果可为海南冬种瓜菜生产布局、避减灾害风险提供依据。     

海岛地区小流域暴雨洪涝灾害模拟研究

[目的] 对海岛地区小流域暴雨洪涝灾害进行模拟研究，为该类地区后续开发建设以及防洪排涝治理工作的顺利开展提供技术支撑。[方法] 选取浙江省舟山市朱家尖岛为研究对象，根据设计暴雨及设计和校核潮位资料，运用MIKE构建了一维河网模型、二维水动力模型以及MIKE FLOOD耦合计算模型，对比分析两种方案的淹没面积和水深、典型河道断面水位以及重点区域洪水演进过程。[结果] 相对于设计暴雨及设计潮位条件下的方案1（94降雨+实测潮位），设计暴雨及校核潮位条件下的方案2（94降雨+极限潮位）在相对高水位时刻淹没面积更大，最大淹没深度更深。[结论] 朱家尖流域内河流比降大，汇流时间短，流域调蓄能力差，抵抗暴雨产生的洪涝灾害的能力较弱。特别是暴雨遭受天文大潮时，研究区域受灾程度更重。     

海南岛山洪灾害风险区划研究

在海南岛暴雨风险普查资料收集的基础上,以海南岛140个小流域为单元,选择了地形因子、水系因子、暴雨指数、滑坡和泥石流密度、综合灾度6个因子作为山洪灾害的危险性指标,通过层次分析法计算海南岛山洪灾害危险性;选择人口密度比、耕地百分比、GDP百分比、基础设施百分比作为易损性指标;通过风险=危险性×易损性,在ArcGIS中完成了海南岛山洪灾害的风险区划图,并通过历史山洪数据对其进行检验,结果表明:海南岛山洪灾害的风险区划图中的高风险区和次高风险区平均覆盖了历史山洪灾害的72%的范围,能在一定程度上说明区划结果的合理性,该成果可在海南岛的山洪防灾减灾工作中发挥重要作用。     

基于EMD的洪涝灾害成灾面积波动的多时间尺度分析

应用经验模态分解（E如）方法分析了1950-2002年全国洪涝灾害成灾面积波动情况。结果表明：（1）洪涝灾害成灾面积存在准3年、准6年、准11年和准50年左右特征时间尺度的周期性波动；（2）各时间尺度的周期性振荡的贡献率中以准3年时间尺度的成灾面积振荡的贡献最大，说明洪涝灾害成灾面积波动以准3年时间尺度为主；（3）从各时间尺度的振荡来看，自70年代中期以来，洪涝灾害成灾面积的波动频率增加，从各时间尺度振荡的趋势看，洪涝灾害成灾面积仍处在增加阶段；而且近年来洪涝灾害成灾面积振荡的幅度增大，说明洪涝灾害强度加剧，频度增加。因此，应充分利用高科技手段对洪水进行实时跟踪、预报，尽可能减少其损失。     

海南岛农业台风灾害风险评估与可持续发展对策

海南岛是中国台风频发地区之一，开展海南岛农业台风灾害风险评估研究，可为海南岛优化农业种植布局和加强农业防灾减灾提供技术支撑。该研究基于自然灾害系统理论和方法，结合海南岛气象、自然地理与社会经济等要素，综合考虑致灾因子危险性、孕灾环境暴露性、承灾体脆弱性，研究构建了海南岛农业台风灾害风险评估方法与指标体系，并基于2001－2020年历年海南岛台风发生数据进行了海南岛农业台风灾害风险评估，在此基础上提出了农业台风灾害防灾减灾与可持续发展对策。结果表明，海南岛农业台风灾害风险指数处于0.40～0.80之间，平均0.61，整体上呈现出北部及沿海地区的灾害风险高于中部山区的趋势；致灾因子危险性、孕灾环境暴露性在全岛北部和沿海地区指数较高，承灾体脆弱性在琼海、陵水和三亚等市县指数较高。同时提出了3种农业台风防灾减灾与可持续发展对策，包括调整农业种植布局、提升风险监测预警能力和加强农业政策保险投入等。海南岛各市县农业台风灾害风险的差异以及相应的对策，可支撑相关部门为不同灾害风险程度区域建立防灾方法提供指导依据。     

基于HJ-CCD数据的水稻洪涝灾情诊断分析及长势监测

It has great significance to study quick monitoring of rice flood disaster and applying timely remedial measures in the disaster area.LAI is a very important physiological parameter in crop growth characterization index, which can reflect the crop growing information objectively.The existing methods of flood monitoring using remote sensing technology rarely consider the damage and the post disaster growth of rice.The HJ-CCD data take advantage of high temporal resolution and high spatial resolution remote sensing image, which can be used for gathering rice growing information during the critical period.The growth situation after rice flood disaster in Anhui Province was monitored using 3 screens HJ-CCD data as the data source on 16th July, 19th August, 26th August, 2009, respectively.The semi-empirical function model based on Beer-Lambert laws was constructed for this inversion LAI.And LAI were acquired in each stage after flood disaster, the trend of growth diagnosis dynamic change was analyzed and assessed by rice flood disaster evaluation indicator.At the same time, the 40 field investigate data were used to verify the model and the R2=0.4251, RMSE=2.053.The results show that LAI can be well evaluated the degree of rice flood disaster growth based on HJ-CCD data, and it is effective for monitoring and diagnosing rice flood disaster.The results provide a theoretical basis for rice flood disaster research, post disaster rehabilitation and recovery, and provide a theoretical basis for the implementation of targeted remedial measures at the same time.     

基于EMD的洪涝灾害成灾面积波动的多时间尺度分析——以湖南省为例

应用经验模态分解(EMD)方法分析了湖南省1949~2002年洪涝灾害成灾面积波动情况。结果表明:湖南省洪涝灾害成灾面积存在着准3年、准8年和准22年左右特征时间尺度的周期性波动;分析各时间尺度周期性振荡的贡献率,其中以准3年时间尺度成灾面积振荡的贡献最大,即湖南省洪涝灾害成灾面积波动以准3年时间尺度为主;从各时间尺度的振荡看,自20世纪80年代中期以来,洪涝灾害成灾面积的波动频率增加,洪涝灾害成灾面积仍处在增加阶段,同时近年来洪涝灾害成灾面积振荡幅度增大,即某些年份可能会出现大灾,说明湖南省洪涝灾害强度加剧,频度增加。并进一步分析了洪涝灾害加剧的成因,提出相应减灾对策。     

环境减灾卫星数据在干旱监测中的应用

环境减灾卫星是首个以防灾减灾和环境监测为直接应用目标的小卫星星座。本文尝试利用环减星HJ-1B上的CCD相机的红光和近红外波段计算归一化植被指数,用IRS光谱仪热红外波段反演地表温度,采用植被供水指数建立干旱监测模型。通过对2010年初广西隆林、田林、西林3县的干旱情况的遥感监测研究,结果表明：遥感干旱监测结果与旱情实况分布基本一致。说明该方法比较可靠,再加上环减星重访周期短、空间分辨率高,据此可以为广西抗旱救灾工作提供快速准确的信息服务。