基于3S技術的防洪泛濫區監測與災后損失評估的研究

蔡益文

摘 要：利用RS技術提供的高清衛星影像資料，GPS對空間位置數據的快速獲取以及GIS對空間數據的存儲、管理和分析功能，本文基于3S技術提出了防洪泛濫區預估圖的制作架構，保證了其制作效率和更新時效性，從而實現防洪泛濫區的實時監測以及災后損失的有效評估。

關鍵詞：3S技術 防洪泛濫區 RS GIS GPS

地理信息系統（Geography information system， GIS）、全球定位系統（Global positioning system， GPS）和遙感技術（Remote sensing， RS） 三者集成3S技術，是一種綜合空間、傳感、衛星定位與導航和計算機、通訊技術，多學科高度融合的對空間信息進行收集、預處理、存儲、管理、分析、應用的現代信息技術。隨著GIS、GPS和RS技術的不斷成熟，三者為各種空間信息和環境信息的收集、處理、分析和應用提供可靠的管理和決策支持。

洪水是一種最常見、最普遍的自然災害。相比較其他自然災害（地震、干旱），中國受洪水的侵擾更多，尤其是在洪期的南方地區。因此準確確定洪水可能淹沒的區域，并通過洪水災害評估圖等方式將洪水預報、途徑范圍以及避難場所設置等信息成為至關重要的工作。成熟的3S技術是洪水仿真收集空間數據和信息分析的重要技術手段。

1.3S技術概況

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

地理信息系統是基于計算機技術，用于獲取、存儲、分析和顯示與地球表面位置相關的地物數據的系統。通過關聯看似無關的數據， GIS可以幫助個人和組織更好地了解空間模式和關系。

基于GIS技術采用灰色聚類分析模糊綜合分析信息熵評判，層次分析方法來計算。GIS以數據庫作為媒介來存儲和使用數據，利用其強大的空間數據搜索以及管理功能，對大量存儲在數據庫中的信息進行疊加、拓撲和網絡分析，并且能夠很好的解決相關性和復雜性。

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

全球定位系統包括空間部分、地面控制部分和用戶設備三部分。該系統適用于任何時間，能夠為地球上任何地方的用戶提供高精度的位置、速度、時間信息獲取的實時服務。

RTK表示實時， 是一種使用基于載波的測距的技術， 提供的范圍 （因此也包括位置） 比通過基于代碼的定位更精確。GPS的快速精準數據獲取功能彌補了RS在位置信息獲取方面的不足，從而能夠保證獲取的RS數據與地面同步監測獲取的數據進行動態配準，實時的進入GIS數據庫，為地物的存儲、管理、分析和利用提供高效服務。

目前，在大地測量方面，由于傳統常規三角測量和導線測量的操作繁瑣和計算任務復雜特點，GPS逐步取代二者用于建立各種等級的控制網以及城市工業和城鄉地籍測量方面，尤其在山區地形測量方面，可以避免由于傳統測量需要對視的弊端。

GPS技術在防洪泛濫區監測過程中主要實現以下工作：（1）利用差分定位方法完成外業數據的采集，比如河道邊界，水位高程的實時獲??；（2）在實地測量過程中，根據實際情況完成外業調查表的填寫；（3）投影坐標系的變換（可以在ArcGIS的workstations中處理）；（4）完成內業測量數據的整理工作，形成標準洪泛區以及周邊地物位置的土地利用情況分布圖。

1.3 遙感技術（Remote sensing， RS）

遙感技術是基于航空攝影，以目標物，傳感器和測量方法為要素，利用機載遙感、星載遙感和地面遙感傳感器，根據各物體產生的波長不同，從而獲取數字信息，經過記錄、傳送、分析和實物判讀來識別地物，探測地面物體性質和周邊環境的空間探測技術。遙感具有極強的圖像采集、處理和分類識別功能，能夠為GIS提供大范圍的環境信息。相應地，GIS對圖像具有極強的處理、管理和時空分析功能，可以為RS數據管理和分析功能，彌補了RS地物屬性問題。

2.防洪區預估圖編制

根據《中華人民共和國防洪法》第四章第二十九條，防洪區指的是洪水泛濫可能淹及的地區，主要分為洪泛區、蓄滯洪區和防洪保護區三部分。

針對可能導致嚴重災害的洪水的預報和水位信息的通告，預估洪水淹沒區域的確定和公布制度要求河道管理部門確定可能淹沒的范圍，并根據預估及時設置合理的避難地點，提供高效安全的避難。

洪水可能淹沒區域的劃分是基于降雨、河道情況，推測出來的可能受淹區域。然而由于漲潮、堤內積水等因素引起的洪水泛濫，可能導致未被劃分為洪水可能淹沒的區域的變為淹沒區域。針對此問題就需要利用3S技術進行實時收集數據，進行防洪區預估圖的更新。對于防洪區預估圖的更新涉及一下情況：

（1）泄洪通道經過堤防整治，可能導致防洪區預估圖發生巨大變化；

（2）河道周圍建筑物、地形發生大規模變化；

（3）一定時間內降雨遠遠超過閾值；

（4）其他認為必要的條件。

根據地形條件的不同，所研究的洪水泛濫形式可以分為以下三類：

順流型泛濫：表現為泛濫洪水沿著河道順流而下，泛濫水位的水面坡度存在于河流縱向上；蓄洪型泛濫：泛濫洪水積蓄在封閉范圍之內；擴散型泛濫：泛濫洪水隨著地形四處擴散。根據以上洪水泛濫形式的分類，淹沒區域可以劃分為多個不同類型組合的區段，需要分別進行分析處理。針對每一種洪水泛濫形式，我們需要進行泛濫臨界流量和泛濫區間的計算以及流量條件的選取。然后通過對橫斷面數據的處理、合成糙率的選取以及泛濫水位的計算進行洪水泛濫分析。根據洪水泛濫分析以及防洪區預估的任務需求，我們提出了基于RS、GIS、 GPS的防洪區預估圖的編制如圖1所示。

首先在ArcGIS的workstations中，根據具體的應用場景和信息要求，確定所需要的專題圖層以及明確地圖用途。根據數據的來源不同，將其分為遙感圖像數據，GPS外業測繪數據和航空激光測量數據，并為每個數據專題指定相應比例以實現在同一地圖中合適的顯示。而遙感影像需要進行影像合成、影像校準、影像增強和影像拼接預處理之后與GPS實測數據進行結合。確定地物的表達形式，并將其分解為一個或者多個地理數據集。通過點、線和面數據類型為離散要素來建立模型。必要的時候可以考慮使用更高級數據類型來表達數據集之間各元素關系，比如拓撲、網絡等。為了能夠突出相關要素中固有的空間關系特征，可以使用拓撲分析、地址定位器、網絡分析、terrain。比如通過網絡可以進行追蹤和路徑優化；使用拓撲分析能夠對共享幾何的空間關系進行建模。利用GPS特性，實時測得洪水泛區，并將其集成到GIS系統之中，通過流域面提取知識以及GIS的緩沖區分析功能進行洪泛區評估。最后形成分析圖，進而為防洪避災，避難所建立提供實時指導依據。

通過對比分析災區受災前后地物的變化（比如災前的房屋可能變成平地），以及水災覆蓋面積等因素，利用GIS的疊加分析功能進行損失評估，為災后重建提供指導意見。

3.結束語

傳統的防洪區預估圖根據經驗，人工對防洪泛濫區進行提前預判，這種方式不僅效率低，執行困難，而且時效性低。本文基于3S技術提出了防洪區預估圖的制作架構，保證了其制作效率和更新時效性，從而實現防洪泛濫區的實時監測以及災后損失的有效評估。在未來的工作中，將嘗試結合專家系統（ES）和智能化決策知識系統（IDDS），集成一個更加便捷的、智能化的解決綜合問題以及決策的系統。

參考文獻：

[1]楊中華，陳琳.基于GIS的水庫庫容測量方法的研究與實踐[J].測繪通報，2002（11）：28-30.

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

[3]趙瑩瑩，葛潔，王慧妮. 3S技術集成在土地利用更新調查中的應用[J].地理空間信息， 2009， 7 （1） ： 61-63.

[4]史文中，賀志勇，張肖寧.淺析3S技術集成與公路交通建設[J].測繪通報，2003（3）：12-15.