基于3S技术的防洪泛滥区监测与灾后损失评估的研究

蔡益文

摘 要：利用RS技术提供的高清卫星影像资料，GPS对空间位置数据的快速获取以及GIS对空间数据的存储、管理和分析功能，本文基于3S技术提出了防洪泛滥区预估图的制作架构，保证了其制作效率和更新时效性，从而实现防洪泛滥区的实时监测以及灾后损失的有效评估。

关键词：3S技术 防洪泛滥区 RS GIS GPS

地理信息系统（Geography information system， GIS）、全球定位系统（Global positioning system， GPS）和遥感技术（Remote sensing， RS） 三者集成3S技术，是一种综合空间、传感、卫星定位与导航和计算机、通讯技术，多学科高度融合的对空间信息进行收集、预处理、存储、管理、分析、应用的现代信息技术。随着GIS、GPS和RS技术的不断成熟，三者為各种空间信息和环境信息的收集、处理、分析和应用提供可靠的管理和决策支持。

洪水是一种最常见、最普遍的自然灾害。相比较其他自然灾害（地震、干旱），中国受洪水的侵扰更多，尤其是在洪期的南方地区。因此准确确定洪水可能淹没的区域，并通过洪水灾害评估图等方式将洪水预报、途径范围以及避难场所设置等信息成为至关重要的工作。成熟的3S技术是洪水仿真收集空间数据和信息分析的重要技术手段。

1.3S技术概况

1.1 地理信息系统（Geography information system，GIS）

地理信息系统是基于计算机技术，用于获取、存储、分析和显示与地球表面位置相关的地物数据的系统。通过关联看似无关的数据， GIS可以帮助个人和组织更好地了解空间模式和关系。

基于GIS技术采用灰色聚类分析模糊综合分析信息熵评判，层次分析方法来计算。GIS以数据库作为媒介来存储和使用数据，利用其强大的空间数据搜索以及管理功能，对大量存储在数据库中的信息进行叠加、拓扑和网络分析，并且能够很好的解决相关性和复杂性。

1.2全球定位系统（Global positioning system， GPS）

全球定位系统包括空间部分、地面控制部分和用户设备三部分。该系统适用于任何时间，能够为地球上任何地方的用户提供高精度的位置、速度、时间信息获取的实时服务。

RTK表示实时， 是一种使用基于载波的测距的技术， 提供的范围 （因此也包括位置） 比通过基于代码的定位更精确。GPS的快速精准数据获取功能弥补了RS在位置信息获取方面的不足，从而能够保证获取的RS数据与地面同步监测获取的数据进行动态配准，实时的进入GIS数据库，为地物的存储、管理、分析和利用提供高效服务。

目前，在大地测量方面，由于传统常规三角测量和导线测量的操作繁琐和计算任务复杂特点，GPS逐步取代二者用于建立各种等级的控制网以及城市工业和城乡地籍测量方面，尤其在山区地形测量方面，可以避免由于传统测量需要对视的弊端。

GPS技术在防洪泛滥区监测过程中主要实现以下工作：（1）利用差分定位方法完成外业数据的采集，比如河道边界，水位高程的实时获取；（2）在实地测量过程中，根据实际情况完成外业调查表的填写；（3）投影坐标系的变换（可以在ArcGIS的workstations中处理）；（4）完成内业测量数据的整理工作，形成标准洪泛区以及周边地物位置的土地利用情况分布图。

1.3 遥感技术（Remote sensing， RS）

遥感技术是基于航空摄影，以目标物，传感器和测量方法为要素，利用机载遥感、星载遥感和地面遥感传感器，根据各物体产生的波长不同，从而获取数字信息，经过记录、传送、分析和实物判读来识别地物，探测地面物体性质和周边环境的空间探测技术。遥感具有极强的图像采集、处理和分类识别功能，能够为GIS提供大范围的环境信息。相应地，GIS对图像具有极强的处理、管理和时空分析功能，可以为RS数据管理和分析功能，弥补了RS地物属性问题。

2.防洪区预估图编制

根据《中华人民共和国防洪法》第四章第二十九条，防洪区指的是洪水泛滥可能淹及的地区，主要分为洪泛区、蓄滞洪区和防洪保护区三部分。

针对可能导致严重灾害的洪水的预报和水位信息的通告，预估洪水淹没区域的确定和公布制度要求河道管理部门确定可能淹没的范围，并根据预估及时设置合理的避难地点，提供高效安全的避难。

洪水可能淹没区域的划分是基于降雨、河道情况，推测出来的可能受淹区域。然而由于涨潮、堤内积水等因素引起的洪水泛滥，可能导致未被划分为洪水可能淹没的区域的变为淹没区域。针对此问题就需要利用3S技术进行实时收集数据，进行防洪区预估图的更新。对于防洪区预估图的更新涉及一下情况：

（1）泄洪通道经过堤防整治，可能导致防洪区预估图发生巨大变化；

（2）河道周围建筑物、地形发生大规模变化；

（3）一定时间内降雨远远超过阈值；

（4）其他认为必要的条件。

根据地形条件的不同，所研究的洪水泛滥形式可以分为以下三类：

顺流型泛滥：表现为泛滥洪水沿着河道顺流而下，泛滥水位的水面坡度存在于河流纵向上；蓄洪型泛滥：泛滥洪水积蓄在封闭范围之内；扩散型泛滥：泛滥洪水随着地形四处扩散。根据以上洪水泛滥形式的分类，淹没区域可以划分为多个不同类型组合的区段，需要分别进行分析处理。针对每一种洪水泛滥形式，我们需要进行泛滥临界流量和泛滥区间的计算以及流量条件的选取。然后通过对横断面数据的处理、合成糙率的选取以及泛滥水位的计算进行洪水泛滥分析。根据洪水泛滥分析以及防洪区预估的任务需求，我们提出了基于RS、GIS、 GPS的防洪区预估图的编制如图1所示。

首先在ArcGIS的workstations中，根据具体的应用场景和信息要求，确定所需要的专题图层以及明确地图用途。根据数据的来源不同，将其分为遥感图像数据，GPS外业测绘数据和航空激光测量数据，并为每个数据专题指定相应比例以实现在同一地图中合适的显示。而遥感影像需要进行影像合成、影像校准、影像增强和影像拼接预处理之后与GPS实测数据进行结合。确定地物的表达形式，并将其分解为一个或者多个地理数据集。通过点、线和面数据类型为离散要素来建立模型。必要的时候可以考虑使用更高级数据类型来表达数据集之间各元素关系，比如拓扑、网络等。为了能够突出相关要素中固有的空间关系特征，可以使用拓扑分析、地址定位器、网络分析、terrain。比如通过网络可以进行追踪和路径优化；使用拓扑分析能够对共享几何的空间关系进行建模。利用GPS特性，实时测得洪水泛区，并将其集成到GIS系统之中，通过流域面提取知识以及GIS的缓冲区分析功能进行洪泛区评估。最后形成分析图，进而为防洪避灾，避难所建立提供实时指导依据。

通过对比分析灾区受灾前后地物的变化（比如灾前的房屋可能变成平地），以及水灾覆盖面积等因素，利用GIS的叠加分析功能进行损失评估，为灾后重建提供指导意见。

3.结束语

传统的防洪区预估图根据经验，人工对防洪泛滥区进行提前预判，这种方式不仅效率低，执行困难，而且时效性低。本文基于3S技术提出了防洪区预估图的制作架构，保证了其制作效率和更新时效性，从而实现防洪泛滥区的实时监测以及灾后损失的有效评估。在未来的工作中，将尝试结合专家系统（ES）和智能化决策知识系统（IDDS），集成一个更加便捷的、智能化的解决综合问题以及决策的系统。

参考文献：

[1]杨中华，陈琳.基于GIS的水库库容测量方法的研究与实践[J].测绘通报，2002（11）：28-30.

[2]https：//www.esri.com/en-us/arcgis/ products/arcgis-maps-for-sharepoint/ overview.

[3]赵莹莹，葛洁，王慧妮. 3S技术集成在土地利用更新调查中的应用[J].地理空间信息， 2009， 7 （1） ： 61-63.

[4]史文中，贺志勇，张肖宁.浅析3S技术集成与公路交通建设[J].测绘通报，2003（3）：12-15.