遥感技术在农业旱涝灾害中的应用

2023-11-18杨姝

大众标准化 2023年18期

杨姝

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

近年来，全球气候恶化趋势加剧，国内国外都发生了较为严重的旱涝灾情和地质灾害，极端天气出现的频率明显增加。因此，使用遥感技术对自然灾害进行监测就至关重要，这不仅能够对农业生产力进行评估，而且还能够及时预测旱涝灾害，应对极端气候带来的各类气象和地质灾难。农业生产高度依赖气候条件，气候条件恶化对粮食安全有巨大的威胁，特别是由此引发的气候变暖，降水不均，旱涝灾害等。全球范围内每年都发生旱涝灾害，我国也长期受到旱涝灾害的侵害，水灾旱灾频发，占我国自然灾害的一半以上。我国遥感技术近年来取得了飞跃的进步，实现了高、中、低分辨率全覆盖，精度最高可达0.5 m。随着技术的不断进步，我国遥感技术也广泛应用于农业领域，高光谱技术已经深入到智慧农业生产当中。遥感技术在农业灾害领域中的应用也在不断深入，在内蒙古地区，已经开始使用遥感技术预测蝗虫等灾害。在农业旱涝灾害中，遥感技术的重要性更是日益凸显，作为粮食减产的重要原因，加强对其监测日益迫切。

1 遥感技术应用于农业旱涝灾害的重要意义

首先，在全球气候恶化加剧的背景下，世界各地自然灾害明显增多，2020年以来，气候和地质灾害频发，欧洲水灾和高温、南亚干旱、美国山火以及2023年的土耳其地震都给人类生存敲响了警钟。从过去20年的视野观察，极冷、极热等极端天气发生频率极大，20世纪90年代以来，洪涝灾害损害耕地面积持续增加，每年造成巨大的GDP损失。我国在过去近50年来也发生了50多次大洪水和近20次大旱灾，给国民经济、粮食生产和群众的生命财产带来了巨大的伤害。

其次，极端事件的发生会影响全球的农业系统和人类生活环境，比如农田设施的损害，水资源的短缺，洪灾泛滥以及诱发各类地质灾害等。如洪涝灾害不仅会给农田水利和人民群众的生命财产带来直接损失，而且还会引发泥石流和山体滑坡等地质灾害。研究显示，在强降雨和洪涝灾害后，滑坡的发生率非常高，其次为崩塌和泥石流。对2018年的数据进行统计，发现泥石流的发生率为55%，崩塌的发生率为28.9%，其发生地区多在西南地区，这和该区域降水量较大密不可分。

第三，气候条件对旱涝灾害的发生有着至关重要的影响，一般来说，西北地区干旱较为严重，在南部地区洪涝较为严重。地形地貌也会影响旱涝灾害的发生，在地势低洼的地区，洪涝灾害发生的风险较高，在高原荒漠区域，干旱现象较为常见。近年来，人类活动对旱涝灾害的发生影响较大，比较突出的问题是工业化和城市化的加速正在逐步改变气候，全球变暖的速度加快，极端天气造成干旱和洪涝加剧，水资源的使用需求增大和浪费导致农业干旱缺水，生态环境日益脆弱。对欧洲几十年来洪水的研究也证实了这一点，随着人口增长和经济发展，旱涝灾害发生的频率增加。

因此，这就需要应用先进的遥感技术应对气候变化带来的影响，通过提前预警、风险评估和应对决策将危害降低到最低。

2 遥感技术的优势分析

2.1 遥感技术在旱涝灾害监测中的优势

目前对旱涝灾害的监测手段主要包括两种，即地面常规监测与卫星遥感监测，前者依靠站点观测，受到站点建设和分布的影响，对于较大范围的灾害难以准确观察。站点观测也不够全面客观，干旱环境下作物的胁迫变化无法反应，如果发生洪涝灾害，那么人身安全也会受到威胁。而与之相比，遥感技术的监测范围大，可以实现全天候监测，而且获取资料的速度快，采用信息技术实时进行处理。在应对旱涝灾害时，其适应性强，连续进行大范围探测，数据量巨大的优势更容易发挥出来。结合GIS技术，能够为旱涝灾害的处理提供辅助决策，更好地进行灾害应对。

2.2 遥感技术在农业生产监测中的优势

遥感技术在农业上的广泛利用有着悠久的历史，使用该技术不仅可以监测农业灾害，而且还可以模拟农作物生长，评估粮食产量，正确指导农业生产，合理分配灌溉量，监测气候和地质环境的变化。遥感技术大大减少了人力投入，能够对农业生产和自然灾害实现全面监测，过程简单、程序简捷，智能性和精准程度高。相比于费时费力的人工调查方式，遥感技术不仅成本低，而且还能够实现全天候监测，将作物性能、气象变化、水分消耗、土壤表征、灾害变迁量化全天候监测。比如，进行土地墒情监测、农作物长势监测、灾害监测等。以土地墒情监测为例，通过对水分的监测，采用干旱指数、垂直干旱指数等方法，可以了解干旱的具体状况。

3 遥感技术在农业旱涝灾害中的应用方法

3.1 卫星遥感数据源的使用

使用先进的卫星遥感信息源，比如Landsat、SPOT、Sentinel-2A、ASAR、SAR等。搭建陆地成像仪和热红外传感器，前者可以覆盖九个波段，更容易分辨植被和非植被区域。Landsat系列数据尽管周期长，容易被云层遮挡，但有中高空间分辨率，波段丰富，开源性强。一般推荐优先使用MODIS数据，利用其波段范围广，光谱分辨率高的特性，估算农作物产量更为精确。在其36个波段中，全面覆盖了可见光、近红外光和热红外光波段，能够实现250 m的分辨率，在农作物的关键生长期监测更为精确。NDVI指数能够全面监测植物生长状态，其取值在0～1之间，包含了裸岩、雨、雪、云和植被等，正值代表植被覆盖，负值代表对可见光有高反射。在实际研究中可以选择过去20年的250 m分辨率数据，通过两颗卫星互补增加覆盖频率，详细记录影像数据参数。之后进行数据镶嵌与裁剪，异常值变换，投影变换，然后构建不同生长季的波段，让云层覆盖等因素变得更小。尽管属于中分辨率监测方式，但是MODIS数据接收方式较为简单，而且全球免费，更新频率很高，能够获取多时相数据。相比之下，SAR数据穿透力强，适用快速监测，但是成本更高。

3.2 DEM技术的应用

使用数字高程模型对地面地形进行数字化模拟，即DEM，能够实现30 m和10 m分辨率，其数据皆可从NASA等机构获取。其数据比MODIS分辨率更高，并且能够实现对全球地表的高精度覆盖，并且实现了三维建模，改变过去二维遥感的方式。传统遥感采用路径规划、面积体积计算以及测量绘图的方式，而DEM方法采用直观定量分析的方法能够实现对环境的动态监测，全面分析灾害的侵蚀区，对灾害的预警更为精准。比如，在发生洪涝灾害后，DEM能够对危险区域的山体进行坡度分析，具体评估形成区、流通区及堆积区的状况，细致到纹理特征。这不但能够有效对滑坡、泥石流和崩塌等地质灾害形成预警，而且还能够建立危险评价机制，识别中高风险区。DEM模型可以对洪水进行模拟，因为无需有水力学模型计算基础，因此计算速度特别快，在大规模洪水到来时能够有效应用，但是计算精准度不够高。在平时计算中，可以采用水文水力学方法，更有利于精确把握水体规律。

3.3 监测信号的矫正

首先要进行大气矫正，遥感过程中要与大气层发生接触，这一过程会使能量衰减，进而影响光谱的分布。这会让信号包含噪声，使地表反射率值出现偏差，因此需要对其矫正，消除叠加、多重射损耗和混杂效应。其次，要使用融合遥感的方式，遥感影像是分幅成像，受到传感器成像方式的影响，其范围有限，一景影像不足以实现精度要求，因此需要融合技术进行弥补。比如采用STARFM方法进行计算改进，使用图像镶嵌与裁剪。此外，还应该采用多源遥感技术，进行多时序监测。比如在洪灾发生时，一般都会伴随阴雨天气，这会对监测造成影响，无法实时进行监测，很多时候只能等到灾后监测。针对这一情况还要使用SAR技术（合成孔径雷达）进行穿透监测，能够精准分析滑坡形变等。第三，使用ENVI软件进行图像处理，采用基于知识的决策树分类，具有强大的图像处理功能。该软件的优势在于不仅能够与GIS进行整合，实现三维显示，而且也能够结合DEM建模及地形信息提取，智能化程度高。其影像分析先进、可靠，光谱专业性强，能够随心所欲添加模块，扩展新功能。用户不但能够自由定制平台，而且是实现流程化图像处理的高效工具，图像处理效率高。

3.4 对旱涝灾害进行时空变化分析

作物、水体和土壤等光谱规律不同，不同作物的抗旱和抗涝性也不相同，旱涝灾害会影响其反射率和作物生长，可以根据这一点进行时序数据和空间数据提取。如不同的农作物光谱特征不同，同一种作物在不同环境中也会呈现出不同的特征，根据这一特点可以对作物的产量进行估算。这一特征同样能够应用到农业生产和各类灾害的监测中，以玉米、大豆和水稻三种作物为例，随着洪涝受灾程度的增加，大豆反射率值域更大，大豆和玉米在红波段反射率高，但是水稻却相应降低。同时，大豆水稻的反射率呈现出从高到低的光谱差异，但是玉米没有明显差异。在监测中要大量搜集卫星遥感数据，获取多时相连续变化特征，比如选择所研究区域过去20年的降雨数据，对时间尺度下的SPI进行计算，分析时间序列变化。结合季节特征分析SPI波动轨迹，了解干旱期和洪涝期的发生规律。同时对灾害影响的空间范围进行分析，绘制分布图，把握其发生频率。应用Landsat8卫星数据和 Sentinel-2A叠加，在受灾前后分析MODIS NDVI曲线变化，提取动态信息，能够准确分析受灾范围，影响程度和恢复结果等。

3.5 农作物面积和产量的监测

通过产量和面积监测，以遥感技术建立旱涝灾害和农作物产量的关系模型，更有利于指导农业生产，保障粮食安全，更好地分析旱涝灾害的影响。农作物面积信息提取，比如使用成像光谱仪等数据，运用决策树分类法提取灌溉面积，通过多时相卫星影像绘制农作物的面积。通过ARTMAP和分层决策树等方法，不但可以实现自动遥感提取，而且还能精确估算产量。提取物候现象信息，比如农作物的幼苗期、插秧期、分蘖期和拔节期，以及穗期、抽穗期、扬花期、灌浆期等。在产量估算过程中，要进行误差验证，从而不断修正模型，提高精确率。我国采用遥感技术进行农作物估产已经取得了显著的成果，水稻、玉米、小麦、大豆等粮食作物产量基本上能够实现准确估量。

4 旱涝灾害的防治建议

灾害预警信息是抗灾防灾的决策依据，因此必须要高度利用和应用卫星数据信息。要不断加强多源遥感数据算法研究，提高数据的数量，并且优化方法，实现动态管理，提升数据的应用价值。比如在台风启动时就进行洪涝灾害监测，在其影响范围内进行全面的风险评估和监测。根据遥感数据的分析结果，在中高风险区建立灾害监测预报系统，根据卫星系统分析评估的危险等级，安装灾害监测设备，提升预警能力。如果处于灾害频发区域，而且破坏性较大，那么就需要提前进行搬迁处理。如果有干旱预警，要提前进行节水设施建设以及引水工作。从源头上防治旱涝灾害和可能发生的次生地质灾害，控制其诱发因素，比如提升植被覆盖率，禁止滥砍滥伐，保护土壤和水源，减少人类活动的影响。同时，加强防灾工程的建设，建设滴灌喷灌网管、大坝、水渠、挡土墙、抗滑桩和排水沟，将灾害的损失降到最低。