譚龍飛 李玉霞 張文華

摘要：文章基于遙感對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)特征和優(yōu)勢(shì)，面向四川地區(qū)堰塞湖災(zāi)害多發(fā)特點(diǎn)，建設(shè)基于遙感數(shù)據(jù)的堰塞湖應(yīng)急信息提取系統(tǒng)，能夠使得應(yīng)急救援具有更加實(shí)時(shí)的信息，能給出更為有效的應(yīng)急救援輔助決策方案，提升應(yīng)急救援的響應(yīng)能力和數(shù)字化建設(shè)的水平。解決四川山地等自然災(zāi)害高發(fā)區(qū)域中堰塞湖突發(fā)事件后災(zāi)害信息不足、數(shù)據(jù)可靠性和時(shí)效性不強(qiáng)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)基于遙感影像的堰塞湖災(zāi)情評(píng)估、預(yù)警及救援輔助決策響應(yīng)。為復(fù)雜場(chǎng)景下重大堰塞湖災(zāi)害事件提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的堰塞湖相關(guān)范圍內(nèi)的水體面積/體積定量估算，堵塞物體量及分布、堰塞湖過(guò)水狀態(tài)監(jiān)測(cè)、堰塞湖邊界信息以及道路、重點(diǎn)建筑等典型目標(biāo)物定量信息現(xiàn)狀圖;并可以對(duì)堰塞湖進(jìn)行夜間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，測(cè)算現(xiàn)場(chǎng)敏感區(qū)域的面積、分布、變化情況及預(yù)警發(fā)展趨勢(shì);為應(yīng)急指揮中心提供險(xiǎn)情判斷、救援管控、災(zāi)情監(jiān)測(cè)和輔助決策分析，并為相關(guān)管理部門(mén)制定堰塞湖次生災(zāi)情預(yù)警提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：堰塞湖災(zāi)害;應(yīng)急救援;影像輔助;信息提取

一、引言

我國(guó)幅員遼闊，是地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家。其中，西藏和四川西部地區(qū)地形多山復(fù)雜、氣候多變，經(jīng)常發(fā)生堰塞湖、地震、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。同時(shí)四川除長(zhǎng)江主流流經(jīng)該省外，還具有眾多其他支流，因此相較于其他省份孕育堰塞湖的概率更大。然而絕大多數(shù)堰塞湖發(fā)生于偏遠(yuǎn)多山地區(qū)，人跡罕至，對(duì)應(yīng)急救援工作造成了極大的挑戰(zhàn)。面向堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急救援實(shí)際信息化需求，多源遙感影像已經(jīng)逐漸成熟并應(yīng)用于輔助信息提取，初步形成應(yīng)急救援隊(duì)伍信息化作戰(zhàn)能力。大范圍區(qū)域的實(shí)時(shí)/近實(shí)時(shí)信息是堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急救援的有力支撐，是突發(fā)性事故處置中的重要數(shù)據(jù)來(lái)源，是對(duì)事故及時(shí)、正確地進(jìn)行應(yīng)急處理、減輕事故危害和制定恢復(fù)措施的根本依據(jù)。但是，由于不同影像平臺(tái)數(shù)據(jù)差異較大，不同類型傳感器數(shù)據(jù)存在不同數(shù)據(jù)格式等問(wèn)題，且后續(xù)處理過(guò)程煩瑣，需要消防人員具備一定的專業(yè)技能和經(jīng)驗(yàn)，造成救援決策的時(shí)效性很差，達(dá)不到應(yīng)急救援實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用需求。

文章提出了基于多源遙感影像的堰塞湖應(yīng)急救援輔助信息提取技術(shù)，通過(guò)三個(gè)方面分別介紹堰塞湖應(yīng)急救援的挑戰(zhàn)、堰塞湖災(zāi)害的多源遙感影像處理流程、基于多源遙感影像的堰塞湖信息提取指標(biāo)分析。結(jié)合金沙江堰塞湖和丹巴堰塞湖案例從應(yīng)急救援角度分析了堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急救援特點(diǎn)，探討了目前堰塞湖災(zāi)害救援過(guò)程中信息化技術(shù)和難點(diǎn)?；谶b感和數(shù)據(jù)分析在災(zāi)情獲取分析方面體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)，如何基于多源遙感影像進(jìn)行應(yīng)急救援輔助信息提取，并有效形成應(yīng)急救援隊(duì)伍信息化作戰(zhàn)能力成為了應(yīng)急領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。文章針對(duì)金沙江堰塞湖和丹巴堰塞湖的應(yīng)急救援輔助信息提取，提出了多源遙感圖像信息提取技術(shù)，可提供救援過(guò)程中救援道路通行能力、過(guò)流狀態(tài)、掘進(jìn)路徑和人員等重要信息保障，對(duì)堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急處置與救援提供了新的方法和手段，對(duì)于保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

二、堰塞湖災(zāi)害救援及處置特點(diǎn)分析

堰塞湖通常會(huì)形成非常嚴(yán)重的次生洪水災(zāi)害，造成非常慘重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。同時(shí)其伴隨交通、信息、通訊中斷，災(zāi)害中心區(qū)域與外界隔絕，應(yīng)急保障系統(tǒng)缺失和運(yùn)行不暢，給消防救援和應(yīng)急救災(zāi)工作增加了難度，因此對(duì)堰塞湖導(dǎo)流輔助信息提取是非常必要且有意義的一項(xiàng)工作。

最近幾年我國(guó)比較有名的堰塞湖有：唐家山堰塞湖位于中國(guó)四川省北川羌族自治縣境內(nèi)，其堰塞壩位于北川老縣城曲山鎮(zhèn)上游4公里處。2008年5月12日發(fā)生的汶川大地震造成唐家山大量山體崩塌，兩處相鄰的巨大滑坡體夾雜巨石、泥土沖向湔江河道，形成巨大的堰塞湖。堰塞壩體長(zhǎng)803米，寬611米，高82.65至124.4米，方量約2037萬(wàn)立方米，上下游水位差約60米。6月6日，唐家山堰塞湖儲(chǔ)水量超過(guò)2.2億立方米，6月10日1時(shí)30分達(dá)到最高水位743.1米，最大庫(kù)容3.2億立方米，極可能崩塌引發(fā)下游出現(xiàn)洪災(zāi)，為汶川大地震形成的34處堰塞湖中最危險(xiǎn)的一座。6月7日上午7時(shí)，唐家山堰塞湖通過(guò)開(kāi)挖引水槽排水，降低堰塞湖的水位、水量，開(kāi)始泄流。6月10日至11日，泄洪獲得了成功，唐家山堰塞湖黃色警報(bào)于6月11日16時(shí)獲得解除。

2018年10月10日晚22時(shí)6分發(fā)生的金沙江堰塞湖災(zāi)害，西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣和四川省甘孜藏族自治州白玉縣境內(nèi)發(fā)生山體滑坡，堵塞金沙江干流河道，形成大型堰塞湖，如圖1所示。2018年11月3日17時(shí)40分許，波羅鄉(xiāng)白格村原山體滑坡點(diǎn)發(fā)生二次滑坡，導(dǎo)致無(wú)法自然泄流。從形成堰塞湖到最終導(dǎo)流成功，共耗費(fèi)了9天時(shí)間，利用無(wú)數(shù)人力和機(jī)具挖掘出泄流槽成功導(dǎo)流泄洪。

2020年6月17日凌晨3時(shí)20分發(fā)生的丹巴堰塞湖，為丹巴縣半扇門(mén)鎮(zhèn)梅龍溝發(fā)生泥石流，阻斷小金川河，形成堰塞湖，威脅到了上下游6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）17個(gè)村的范圍，最終經(jīng)過(guò)5天的搶險(xiǎn)救援，成功完成堰塞體處置工作。

堰塞湖的主要處置方法有以下三種：當(dāng)堰塞體體積較大，不易拆除，其構(gòu)成物質(zhì)以土石混合物為主，具備快速?zèng)_刷條件時(shí)，可在堰塞體上開(kāi)挖引流槽;其構(gòu)成物質(zhì)以大塊石為主，不具備快速?zèng)_刷條件時(shí)，可采用機(jī)械或爆破開(kāi)挖泄流渠;當(dāng)堰塞體體積較小，具有在短時(shí)間內(nèi)拆除的可能性，可對(duì)堰塞體進(jìn)行機(jī)械或爆破拆除。

通常的處置方法是采用人工開(kāi)挖、機(jī)械開(kāi)挖、炸藥爆破的方式形成引流槽或泄流渠進(jìn)行泄流進(jìn)而排除險(xiǎn)情。人工開(kāi)挖所需人員多，效率低，周期長(zhǎng);因?yàn)檠呷话愣嘉挥谌僳E罕至的地方，交通不便，大型工程機(jī)械進(jìn)入很困難。炸藥爆破危險(xiǎn)性大，污染環(huán)境。金沙江堰塞湖的成功處置，給了我們新的啟發(fā)，可使我們從使用水消融壩體這個(gè)角度重新研究一種新的泥沙型堰塞湖壩體處置裝置和措施。但是，針對(duì)堰塞湖的消防救援還存在以下特點(diǎn)：第一，突發(fā)性強(qiáng)。即使在四川和西藏的非傳統(tǒng)雨季，在臨近堰塞湖災(zāi)害發(fā)生前，也可能幾乎沒(méi)有任何預(yù)警信息，加上事發(fā)地點(diǎn)人煙稀少、交通通訊不暢，大大增加了災(zāi)害的突然性。第二，穩(wěn)定性弱。堰塞湖形成后，持續(xù)增高的水位對(duì)壩體和岸堤不斷進(jìn)行侵蝕和強(qiáng)壓，極易引發(fā)潰壩及崩岸;災(zāi)害發(fā)生區(qū)域?qū)俑呱綅{谷地貌，山體構(gòu)造主要為砂石、風(fēng)化巖土、松散沉積土，幾乎無(wú)植被覆蓋，加上極端天氣多發(fā)，受大雨沖刷極易形成不穩(wěn)定流動(dòng)體引起整體崩塌。第三，施救難度高。災(zāi)害發(fā)生地屬于邊遠(yuǎn)艱苦山區(qū)，公共基礎(chǔ)設(shè)施及應(yīng)急管理、災(zāi)害救援的機(jī)制、力量、裝備、調(diào)度、處置等方面與內(nèi)地相比都有較大差距，加上天氣惡劣多變、路途艱險(xiǎn)遙遠(yuǎn)、通訊盲區(qū)較多、民族語(yǔ)言障礙等因素，給應(yīng)急救援行動(dòng)帶來(lái)了巨大困難和諸多不確定因素。7A2E85E9-70CA-4245-BA39-ABA8FF2BE3C9

國(guó)內(nèi)目前堰塞湖相關(guān)研究主要包括光學(xué)遙感、GIS、地面觀測(cè)等方法。光學(xué)遙感雖然成本低、觀測(cè)范圍廣，但嚴(yán)重受限于天氣條件，同時(shí)夜間觀測(cè)能力也較差，嚴(yán)重制約了信息提取實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。本文以已有的遙感對(duì)地觀測(cè)研究為基礎(chǔ)，針對(duì)堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急信息提取高實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性需求，開(kāi)展微波遙感機(jī)理、機(jī)載/星載算法模型、集成現(xiàn)場(chǎng)處理和推送平臺(tái)等相關(guān)研究和應(yīng)用。

三、堰塞湖災(zāi)害的多源遙感影像處理流程

針對(duì)堰塞湖相關(guān)定量信息在災(zāi)害應(yīng)急救援中的重要性，以大觀測(cè)范圍、快速時(shí)間響應(yīng)、晝夜工作、高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，GIS、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器為輔，提出并實(shí)現(xiàn)快速有效準(zhǔn)確的信息提取評(píng)估算法模型，為災(zāi)害應(yīng)急救援方案制定提供近實(shí)時(shí)/實(shí)時(shí)的定量信息，以及災(zāi)害預(yù)警、災(zāi)害動(dòng)態(tài)發(fā)展態(tài)勢(shì)等相關(guān)重要輔助信息。

其中，多源數(shù)據(jù)主要包括0.65附近的可見(jiàn)光波段、0.8的中紅外波段、11、12附近的熱紅外波段遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及波長(zhǎng)在1～1000的微波遙感數(shù)據(jù)，配套的多源遙感數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)對(duì)遙感信息進(jìn)行智能化處理，包括信息提取、多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析到最后的成果發(fā)布，從而全面提升災(zāi)情預(yù)警的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)監(jiān)控的有效性、態(tài)勢(shì)分析的可靠性與災(zāi)情評(píng)估的精確性，目的是打造從遙感多源數(shù)據(jù)獲取到信息化應(yīng)用和輔助決策的完整的智慧化運(yùn)行平臺(tái)，同時(shí)基于該平臺(tái)的建設(shè)形成較強(qiáng)的科研能力和原始創(chuàng)新能力。

如圖2所示，基于多源影像的堰塞湖導(dǎo)流應(yīng)急信息系統(tǒng)工作流程主要是準(zhǔn)備、輸入、處理、顯示/存儲(chǔ)。準(zhǔn)備：平時(shí)維護(hù)時(shí)，準(zhǔn)備歷史數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到系統(tǒng)中。輸入：高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)、地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等信息在使用時(shí)通過(guò)各種手段輸入到系統(tǒng)中。處理：對(duì)于輸入的數(shù)據(jù)，有針對(duì)性地進(jìn)行各種處理，得到的產(chǎn)品和結(jié)果可用來(lái)顯示和存儲(chǔ)。顯示：處理的結(jié)果，可通過(guò)系統(tǒng)顯示，作為系統(tǒng)指揮輔助決策的輔助手段。外部訪問(wèn)：災(zāi)害處理時(shí)間長(zhǎng)，需要協(xié)調(diào)、指揮的事情多，系統(tǒng)提供方便的外部訪問(wèn)接口， 滿足移動(dòng)指揮的需要。

四、結(jié)果

目前，基于多種類型的遙感傳感器建立了基于雷達(dá)、光學(xué)傳感器等多源數(shù)據(jù)的導(dǎo)流輔助信息和邊界提取快速建模、快速評(píng)估、預(yù)警及救援輔助決策響應(yīng)方案及相關(guān)信息提取算法，通過(guò)參與金沙江堰塞湖星地同步試驗(yàn)，完成了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作，并獲取了汪巖段、噶中段、甘白段等滑坡垮塌路段的滑坡及局部堰塞湖重點(diǎn)觀測(cè)點(diǎn)的地面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及同步多時(shí)相高精度多源數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理方法及分析。

通過(guò)與四川省消防總隊(duì)及各地方消防一線隊(duì)伍進(jìn)行多源遙感影像的堰塞湖信息提取應(yīng)用，可以為堰塞湖消防救援提供有效的信息技術(shù)支撐，解決消防隊(duì)伍人員在數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中欠缺相關(guān)專業(yè)知識(shí)，數(shù)據(jù)獲取處理不準(zhǔn)確、不正確、實(shí)時(shí)性過(guò)低、人力資源耗費(fèi)大等問(wèn)題，為消防應(yīng)急救援提供導(dǎo)流關(guān)鍵信息、指導(dǎo)決策，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)目前在該方面的應(yīng)用空白。以2020年四川丹巴堰塞湖應(yīng)急救援為例，相較于2018年金沙江堰塞湖應(yīng)急救援，主要已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并提高的指標(biāo)分析如下：

（1）堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急指揮信息定量提取：突發(fā)應(yīng)急事件數(shù)據(jù)獲取后，數(shù)據(jù)處理和堰塞湖災(zāi)情專題信息提取的響應(yīng)時(shí)間在3小時(shí)以內(nèi)，特殊復(fù)雜狀況的突發(fā)應(yīng)急事件響應(yīng)時(shí)間不大于6小時(shí)。

（2）堰塞湖過(guò)水與水體邊界動(dòng)態(tài)變化：相對(duì)誤差不超過(guò)9%，以及變化檢測(cè)精度優(yōu)于90%。

（3）堰塞湖信息專題數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)速度和質(zhì)量比常規(guī)方式提高10%。

（4）現(xiàn)場(chǎng)能夠支持超過(guò)TB海量影像及其他多源空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、訪問(wèn)與漫游。

（5）多源遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)精度：對(duì)于西藏、四川等地的地形起伏較大、地貌復(fù)雜的區(qū)域，同源遙感圖像自動(dòng)配準(zhǔn)精度優(yōu)于2個(gè)像元，異源遙感圖像配準(zhǔn)精度優(yōu)于3個(gè)像元。

（6）集成堰塞湖導(dǎo)流相關(guān)信息，并提供導(dǎo)流點(diǎn)位周邊敏感區(qū)域輔助信息，形成導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)影像格式。

（7）復(fù)雜地形條件下，高分辨率影像缺少控制點(diǎn)的幾何校正精度：平原地區(qū)優(yōu)于2個(gè)像元，山區(qū)優(yōu)于3～5個(gè)像元。

五、結(jié)語(yǔ)

堰塞湖傳統(tǒng)的應(yīng)急救援及處置方法在遙感、大數(shù)據(jù)及人工智能等新技術(shù)的幫助下可以提高效率和精度，對(duì)堰塞湖災(zāi)害應(yīng)急處置與救援提供了新的方法和手段。在開(kāi)挖導(dǎo)流、救援方式以及決策判斷中，基于影像方式提取的信息均對(duì)堰塞湖的處置有一定的輔助作用，但是它們短時(shí)內(nèi)無(wú)法完整地覆蓋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的堰塞湖信息來(lái)源，只能在信息輔助方面配合應(yīng)急救援及處置方式協(xié)同應(yīng)用，充分發(fā)揮互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)。

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