基于遥感技术的公路洪水灾害监测研究

范鑫东，任东风，耿 晶

（1.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，阜新 123000；2.北京理工大学计算机学院，北京 100081）

0 引言

遥感技术是20世纪60年代兴起的高科技探测技术，其根据电磁波理论，利用雷达卫星等硬件设备，通过传感仪器对远距离目标所辐射、反射的电磁波信息进行采集、处理、成像，这一技术应用对地面、水面、景物有探测与识别功能。目前，雷达卫星数据采集和处理已实现24小时响应，一次成像获取面积可达到10，000平方千米[1]，不仅有利于地图测绘的更新换代，也被纳入国家或地区自然灾害应急机制，辅助救灾、救援、防灾等高效开展。近年来，遥感技术应用于公路洪水灾害监测，已经从理论研究层面迈入较为成熟的技术应用层面。2003年交通部发布的《关于加强公路沿线地质灾害防治工作的紧急通知（交公路发[2003]191号）》强调：采用航测、遥感等综合勘察设计手段开展地质灾害调查与评价工作，其中容易发生洪水的山区、低洼平原的公路是遥感监测的重点，下文主要针对公路洪水灾害，特别是对大流域低洼平原的公路应用遥感技术监测洪灾进行探讨。

1 公路洪水灾害的类型及影响

洪水是由于暴雨、融雪（冰）、溃坝等因素引起的水位上涨、水量剧增的自然现象，而洪水灾害是指洪水现象造成的损失[2]。洪水是因自然灾害引起的，因此，其类型也可以主要根据自然灾害成因来划分。

1.1 暴雨洪灾

暴雨洪灾，俗称雨洪，是由于强降雨引起的，如在雨季大范围地区短期内降雨达到数十毫米，导致江河湖泊水位暴涨，导致附近低洼地被洪水淹没。暴雨洪灾不仅会淹没低洼地区的公路，也会造成巨大经济损失，甚至会威胁人的生命安全。例如，2016年8月29日至9月1日，图们江流域普降大暴雨，该流域中上游发生超百年一遇的大洪水，致使沿江各县（市）遭受巨大洪涝灾害[3]。

1.2 冰凌洪灾

冰凌洪灾，又被称为凌汛、冰排，在我国集中发生于北方地区，如黄河流域、黑龙江流域、松花江流域等，是由于初春时期气候回暖，区域内大量的冰雪开始融化，并且从河流上游向下游漂移，在地势低洼河床地段形成冰塞或冰坝，而引发洪水泛滥。冰凌洪灾对公路的危害与雨洪相似，即淹没低洼地区的公路，造成交通中断为主。例如，2010年4月19日，松花江哈尔滨段出现凌汛预警，当地政府采用爆破方式疏通江面，避免洪水对城市、交通造成危害。

1.3 山洪洪灾

山洪洪灾，是我国山区常见的自然灾害，主要是由于山区持续强降雨，山谷溪沟的水量聚集并且夹带泥沙、石块，向低处快速移动，具有强大的冲刷力、破坏力，有时呈现为泥石流、山体坍方等形态。山区公路在山洪暴发后，基本上会被冲毁，并且常规的监测手段难以及时发现，不能被快速救援、修复。

1.4 台风洪灾

台风洪灾是由强风和强降雨构成，多发生在沿海、近海区域，其对城乡地区都有一定的摧毁性破坏。例如，2018年8月末，受台风“摩羯”“温比亚”的叠加影响，山东潍坊地区遭受历史罕见洪灾，很多公路被淹没或冲毁，并且造成9人开车途中溺亡。

2 公路洪水灾害风险评价指标

当前，基于遥感技术的风险评价指标体系更加细化，但应用于公路系统的风险评价指标建设，是根据公路洪水灾害的特点和致灾机理[4]，主要有三个方面。

2.1 沿河公路水毁风险评价指标

根据公路洪水危害影响因素和沿河公路的水毁特点[5]，选取风险评价指标，包括日平均降雨量、降雨天数、地表切割密度、河网密度、季节性凌汛等。一是区域日降雨量大于等于50 mm 是大暴雨，连续降多日降大暴雨，要利于雷达卫星重点监测；二是地形低洼的沿河公路，尤其是城市重点公路、高速公路，在雨季、凌汛期需加强监测；三是河流密集的区域，河水径流量大，也需要利用遥感技术重点监测，河流密度的计算公式为：

A=1/B

式中，A 代表河流密度（km/km2）；n 代表水系总长度（km）；B 代表区域内总面积（km2）。依据计算结果划分风险等级。

2.2 平原公路水淹风险评价指标

在海拔低、河网密集的平原地区，日降雨量大于等于25 mm，连续多日降大暴雨、地形坡度、河流分布等对公路安全有重大影响。在降雨、地形坡度、河网密度指标与公路洪水灾害风险等级的关系中（如表1所示），海拔在100 m 以下、河网密集且地形坡度小于20°，公路被洪水淹没的风险会越来越高。

表1 平原地区公路水淹风险评价指标

2.3 山区公路塌方风险评价指标

2006年10月，国务院批复《全国山洪灾害防治规划报告》，这是中国第一部由国务院多部门联合组织编制完成的防治山洪灾害的专项规划，对山洪风险评估有指导意义。结合政策和洪水灾害的影响因素，建立山区公路的风险评价指标（如表2所示），包括日降雨大于等于25 mm，地形坡度、岩土类型和植被覆盖率等。其中，日降雨大于25 mm，脆弱路段风险系数高；坡度对坡面径流量影响较大[6]，公路因洪水冲刷而塌方的风险增加。

表2 山区公路塌方风险评价指标

3 遥感技术在公路洪水灾害监测中的应用

3.1 应用遥感技术监测汛期流域灾情

20世纪70年代，美国利用陆地卫星获取遥感资料应对密西西比河洪水泛滥，对灾情预报、监测和救灾防灾上取得显著成效。1983年，我国水利部遥感技术应用中心利用地球资源卫星的TM 影像调查三江平原凌汛洪水，成功获得大范围的水灾面积和河道变化信息；1984年，水利部又利用极轨气象卫星调查辽河洪水；1998年，嫩江－松花江流域发生历史上罕见的特大洪水，在抗洪救灾中遥感技术应用和地理信息系统发挥了检测和评估的重大作用。从国家治理洪灾层面来看，遥感技术的应用价值是有目共睹的，而应用遥感技术对公路洪水灾害监测还是一个新领域。我国“十一五”和“十二五”期间，在遥感技术领域取得了巨大成果，建成重大、特大自然灾害的“天–空–地–现场”遥感监测业务体系与平台，交通管理部门在汛期利用遥感技术进行监测，对保障公路畅通具有广阔的发展前景。

3.2 应用雷达卫星摄像获取洪水灾害数据

遥感在公路洪水灾害的应用是一门新兴技术，它具有视野宽阔、数据采集客观和及时等特点，已成为大范围、快速获取和掌握公路灾情信息一种新的手段[7]。我国长江中下游平原、东北松嫩平原、华北黄淮平原都是海拔低、地势平坦、河流密集的区域，以前气象卫星、雷达卫星等先进检测技术主要是为工农业生产服务的，随着我国商业发展，公路经济动脉的作用日趋突显。在公路洪水灾害上应用遥感技术，可以获取平原地区被水淹没的面积，预测公路中断情况。雷达卫星的监测范围广泛，通过对整个河流流域的全面监测，获取降水量、径流量等数据信息，结合平原公路水淹风险评价指标，当洪水达到预警值时，可以及时采取救援、救灾的应急措施。另外，针对山区公路因山洪而塌方的风险，可以结合山区公路塌方风险评价指标，利用遥感技术获取的资料来进行分析处理。例如，2007 年意大利开发出COSMO-SkyMed 星座，它由4颗X 波段合成孔径雷达（SAR）卫星组成，是一种军民两用观测系统，能够提供分辨率高达1 m 的雷达数据，具有全球范围、全天候、全天时的对地观测能力。该系统也有科学与商业用途，为平原、山区的公路洪水灾害的预警和监测提供服务，是全球遥感技术应用发展的重点。

4 结束语

洪涝灾害具有突发性强、危害性大、持续时间短等特征[8]，遥感技术综合了卫星、雷达、物理、数学、地质、气象、环境、互联网等多学科的知识，具有宏观、综合、动态、快速等特点。在公路洪水灾害中应用遥感技术，提高了洪水灾害监测、预防、救灾、救援的效率，节约了成本投入和减少管理难度。在当今信息时代，结合互联网技术、大数据、云计算、人工智能等开发出更加先进的技术应用模型和管理软件，是未来遥感技术广泛应用的一个重要方向。