江昊洋，王 雷，2

（1.海南省地球觀測重點實驗室 中國科學院空天信息研究院海南研究院，海南 三亞 572029；2.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100101）

隨著近年全球氣候變暖，各類極端天氣頻發(fā)，及時預(yù)防各類災(zāi)害，減少經(jīng)濟損失尤為重要［1～3］。 2021年7月20日在河南多地發(fā)生特大暴雨， 此次災(zāi)害造成河南全省89個縣（市、區(qū)）560個鄉(xiāng)鎮(zhèn)120多萬人受災(zāi)，緊急避險轉(zhuǎn)移16325人，緊急轉(zhuǎn)移安置164710人；其中農(nóng)作物受災(zāi)面積7.5萬hm2，成災(zāi)面積2.52萬hm2，絕收面積4700hm2；洪水導(dǎo)致多條高速道路封閉，大量列車停運，其他各類經(jīng)濟損失相當嚴重［4］。 隨著洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率提高，災(zāi)害產(chǎn)生的損失不斷增加，提前制定各項防洪減災(zāi)措施，減少洪災(zāi)帶來的損失，已成為學者研究的焦點。

結(jié)合遙感影像、 地理信息系統(tǒng)和數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM），可以開展洪水淹沒模擬預(yù)測，從而進行洪水災(zāi)害分析評估。 張棟［5］通過對溫州市的山洪地質(zhì)災(zāi)害分析，劃分出不同等級的風險區(qū)；劉媛媛等［6］基于AHP熵權(quán)法對孟印緬地區(qū)的洪水災(zāi)害風險進行評估；湛南渝［7］針對臺風暴雨產(chǎn)生的洪澇災(zāi)害開展快速災(zāi)情研究與分析；姜波等［8］以高分影像提取分析山東壽光臺風后的災(zāi)情評估；徐奎［9］針對熱帶風暴產(chǎn)生的暴雨對沿海城市的洪澇災(zāi)害進行了研究。 目前對于洪水淹沒災(zāi)害風險的評估已經(jīng)十分成熟，但是傳統(tǒng)遙感監(jiān)測受制于影像分辨率等問題， 研究區(qū)域往往選擇大范圍地區(qū)作為研究對象， 以宏觀角度對洪水災(zāi)害進行分析， 本文采用了國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像，結(jié)合數(shù)字高程數(shù)據(jù)，選取三亞市育才生態(tài)區(qū)作為研究對象，以微觀角度建立洪水風險評估模型，風險區(qū)劃精細到村落，更有利于支持政府防洪決策，精準科學布置防洪力量。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域

育才生態(tài)區(qū)位于三亞市西北部山區(qū)， 地形以山地和丘陵為主，森林覆蓋率超84.2%，是三亞重要的核心生態(tài)區(qū)。 生態(tài)區(qū)擁有三亞市規(guī)模最大的水庫——大隆水庫， 是海南省南部水資源調(diào)配的重點工程，水庫總庫容4.68億m3，是三亞最重要的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)地。由于育才生態(tài)區(qū)地處海南省南部，為熱帶海洋性季風氣候，年均氣溫27.1℃，年均降水量達973.3mm， 尤其是夏季秋季熱帶氣旋活動頻繁，加上山勢地形的阻擋作用， 水汽凝結(jié)導(dǎo)致山區(qū)極易產(chǎn)生暴雨大暴雨，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害。在2017年海南先后遭受“海葵”“卡努”“杜蘇芮”“?？ā薄八埂钡榷鄠€臺風及熱帶風暴的影響，其中“杜蘇芮”對海南影響最為嚴重，為強臺風級，中心最大風力達13～14級，臺風中心從三亞南部海面掠過，據(jù)海南省民政廳報告，三亞及周邊幾個市縣21.6萬人受災(zāi)， 農(nóng)作物受災(zāi)達2600萬m2，超100萬m2絕收，海南省直接經(jīng)濟損失達5900萬元。2017年的年降水量達2057.8mm，且降水集中在7—9月份，極易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的發(fā)生。對育才生態(tài)區(qū)開展山區(qū)洪水災(zāi)害風險研究， 對于生態(tài)區(qū)開展防洪抗洪工作、 減少洪災(zāi)帶來的各類經(jīng)濟損失有著重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用國產(chǎn)高分二號衛(wèi)星影像， 這是我國目前分辨率最高的民用陸地觀測衛(wèi)星， 具有亞米級的空間分辨率，有藍、綠、紅、近紅外4個波段，經(jīng)過處理后的高分二號衛(wèi)星影像能夠較好地提取識別出研究區(qū)域內(nèi)的水體、耕地、道路及居民區(qū)范圍，利于下一步對于研究區(qū)域內(nèi)的易損性分析和洪災(zāi)風險區(qū)劃。

氣象數(shù)據(jù)來自中央氣象臺， 通過歷史降水數(shù)據(jù)和氣象預(yù)報推測可能的降水范圍和降水量， 對于重點降水地區(qū)，結(jié)合降水量進行淹沒分析，利用軟件提取洪災(zāi)中、高風險區(qū)，提前預(yù)警。人口、經(jīng)濟等數(shù)據(jù)來源為三亞市統(tǒng)計局三亞統(tǒng)計年鑒（2020年）。

2 研究方法

2.1 技術(shù)路線

技術(shù)路線主要分為3個部分，分別是影像數(shù)據(jù)處理、建立模型、出圖與分析。 詳細的技術(shù)路線如圖1。

圖1 育才生態(tài)區(qū)山洪災(zāi)害風險評估技術(shù)路線

2.2 影像數(shù)據(jù)處理

首先選取研究區(qū)無云影像， 由于遙感衛(wèi)星影像會受到空間、波譜及輻射分辨率的限制，導(dǎo)致影像數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，因此需要先對影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，預(yù)處理包括輻射定標、大氣校正、幾何校正和影像融合幾個步驟。預(yù)處理消除了大氣、地形等因素導(dǎo)致的光譜失真問題， 融合后的影像分辨率高能夠清晰地呈現(xiàn)出地物特征，利于下一步進行地物的特征提取、分類識別工作。然后對影像裁剪及拼接，得到研究區(qū)的完整無云影像。經(jīng)過實地考察，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)主要用地類型有林地、耕地、道路、居民區(qū)及水庫，如圖2～圖5。

圖3 研究區(qū)居民區(qū)及主要道路分布圖

圖4 耕地分布圖

圖5 育才生態(tài)區(qū)地區(qū)劃分圖

結(jié)合實地考察提取耕地、 道路、 居民區(qū)主要特征，結(jié)合目視解譯方法，最終完成對研究區(qū)內(nèi)水庫、耕地、道路及居民區(qū)范圍的提取，便于后期對耕地、居民區(qū)和道路開展淹沒分析， 并計算和劃分不同地區(qū)易損性和風險度等級。

根據(jù)地形和村落分布，將研究區(qū)域分為立才、龍密、馬腳、雅亮、雅林、青法、明善、抱安、那會、那受總計10個地區(qū)， 便于后期計算不同地區(qū)的風險性及易損性。

2.3 淹沒分析模型

洪水淹沒的過程較復(fù)雜，受到地形、降水分布、水動力學等多種因素的影響， 經(jīng)過一段時間的發(fā)展最終形成淹沒區(qū)域。 通常采用無源淹沒和有源淹沒兩種形式研究洪水淹沒區(qū)域和范圍， 無源淹沒指的是給定洪水水位高度， 凡是低于給定高程的區(qū)域都屬于淹沒區(qū)域，類似于研究區(qū)域內(nèi)均勻降水，地勢低的地區(qū)都將被淹沒，常見的如暴雨導(dǎo)致的洪水，適用于較小的研究區(qū)域； 有源淹沒則是考慮到洪水從某一高處流向低處直至靜止淹沒的過程， 常見于上游洪水導(dǎo)致堤壩漫堤決口等情況， 適用于較大的研究區(qū)域?？紤]到研究區(qū)域面積較小，且主要研究對象為夏秋兩季由臺風暴雨導(dǎo)致的洪水， 所以將采用無源淹沒的方式對研究區(qū)域進行淹沒分析。

利用研究區(qū)的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，應(yīng)用GIS軟件通過數(shù)學方法對影像進行高程內(nèi)插和曲面擬合， 得到帶高程的影像，并建立三維模型，根據(jù)三亞市近年降水規(guī)模，給定洪水水位高度，對研究區(qū)域進行模擬淹沒分析，統(tǒng)計耕地淹沒的面積、受災(zāi)居民區(qū)面積及受災(zāi)道路長度，最終建立洪水淹沒模型，如圖6～圖10。（三維模型圖中藍色部分為淹沒區(qū)域， 綠色部分為耕地區(qū)域，紫色部分為居民區(qū)，黃色線條為道路）。

圖6 研究區(qū)三維模型

圖7 淹沒范圍分布

圖8 道路淹沒風險分布

圖9 居住區(qū)淹沒風險區(qū)分布

圖10 耕地淹沒風險分布

3 結(jié)果與分析

3.1 洪災(zāi)危險性分析

（1）立才地區(qū)面積約52km2，處于淹沒危險性的地區(qū)在卡把附近， 其中處于高淹沒危險性的耕地面積0.58hm2，道路長度568.0m；處于中淹沒危險性的耕地面積3.58hm2，道路長度805.2m；處于低淹沒危險性的居民區(qū)面積為34007.80m2， 耕地面積48.37hm2，道路長度4543.3m。 處于淹沒風險高、中、低的區(qū)域分別占地區(qū)總面積的4.31%，5.80%，11.55%。

（2）龍密區(qū)面積約26km2，該地區(qū)地勢較高，沒有處于淹沒風險區(qū)的居民區(qū)、耕地和道路，處于淹沒風險低的區(qū)域占地區(qū)總面積0.02%。

（3）馬腳區(qū)面積約41km2，處于淹沒危險性的區(qū)域為該地區(qū)的西部和南部，其中處于高、中、低淹沒危險性的道路長度分別為659.0，883.9，4114m； 處于低淹沒危險性的耕地4.37hm2。 馬腳地區(qū)沒有處于淹沒風險范圍內(nèi)的居民區(qū)和處于中淹沒危險性及以上的耕地。 處于淹沒風險高、中、低的區(qū)域分別占地區(qū)總面積的15.80%，19.67%，27.83%， 考慮到馬腳地區(qū)水域面積占地區(qū)總面積的11.61%。

（4）雅亮區(qū)面積約15km2，處于淹沒危險性的區(qū)域為該地區(qū)的東部， 其中處于高淹沒危險性的居民區(qū) 面 積6390.4m2， 耕 地 面 積3.24hm2， 道 路 長 度1440.7m； 處于中淹沒危險性的居民區(qū)淹沒面積7665.5m2，耕地面積6.38hm2，道路長度2910.3m；處于低淹沒危險性的居民區(qū)面積8217.5m2， 耕地面積26.49hm2，道路長度6070.2m。處于淹沒風險高、中、低的區(qū)域分別占地區(qū)總面積的21.50%，27.88%，40.91%，雅亮地區(qū)水域面積占地區(qū)總面積的16.28%。

（5）雅林區(qū)面積約45km2，該地區(qū)地勢較高，由于東部有雅林嶺的阻隔， 沒有處于淹沒風險區(qū)的居民區(qū)、耕地和道路，主要淹沒區(qū)在該地區(qū)南部，處于淹沒風險高、中、低的區(qū)域分別占地區(qū)總面積的2.34%，3.07%，5.01%。

（6）青法區(qū)面積約20km2，主要淹沒區(qū)域分布于該地區(qū)東部和南部， 其中處于高淹沒危險性的居民區(qū) 面 積6078.9m2， 耕 地 面 積6.22hm2， 道 路 長 度861.5m； 處于中淹沒危險性的居民區(qū)淹沒面積15247.4m2，耕地面積24.15hm2，道路長度2420.1m；處于低淹沒危險性的居民區(qū)面積31073.2m2， 耕地面積39.74hm2，道路長度5621.0m。處于淹沒風險高、中、低的區(qū)域分別占地區(qū)總面積的15.17%，24.47%，37.70%，青法地區(qū)水域面積占地區(qū)總面積的9.79%。

（7）明善區(qū)面積約23km2，主要淹沒區(qū)在該地區(qū)東部，處于中淹沒危險性的耕地面積1.14hm2；處于低淹沒危險性的耕地面積8.17hm2。 該地區(qū)沒有區(qū)域淹沒風險區(qū)的居民區(qū)和道路，處于淹沒風險中、低的區(qū)域分別占地區(qū)總面積的0.50%和3.85%。

（8）抱安區(qū)面積約48km2，處于淹沒危險性的區(qū)域集中在抱安村一隊和志安一帶， 其中處于高淹沒危險性的居民區(qū)面積22441.60m2， 耕地面積11.62hm2，道路長度618.7m；處于中淹沒危險性的居民區(qū)淹沒面積37666.60m2，耕地面積13.24hm2，道路長度1012.2m； 處于低淹沒危險性的居民區(qū)面積41238.74m2，耕地面積13.38hm2，道路長度1178.2m。處于淹沒風險高、中、低的區(qū)域分別占地區(qū)總面積的4.28%，6.14%，9.64%。

（9）那會區(qū)面積約處于淹沒危險性的區(qū)域集中在那會村一帶， 其中處于高淹沒危險性的居民區(qū)面積38265.03m2，耕地面積7.15hm2，道路長度843.1m；處于中淹沒危險性的居民區(qū)面積38504.84m2，道路長度1119.2m；處于低淹沒危險性的居民區(qū)淹沒面積和耕地淹沒面積沒有變化，道路淹沒長度1269.4m。 處于淹沒風險高、 中、 低的區(qū)域分別占地區(qū)總面積的22.96%，30.44%，41.17%。

（10）那受區(qū)處于淹沒危險性的區(qū)域集中在南塔附近，其中處于高淹沒危險性的道路長度651.1m；處于中淹沒危險性的道路長度871.4m； 處于低淹沒危險性的道路長度1094.2m。 那會地區(qū)沒有處于淹沒風險范圍內(nèi)的耕地和居民區(qū)。 處于淹沒風險高、中、低的區(qū)域分別占地區(qū)總面積的1.73%，2.75%，3.96%。

通過對淹沒分析中得到的不同地區(qū)洪災(zāi)的風險區(qū)面積占比進行排序，并根據(jù)研究區(qū)實際情況，將育才生態(tài)區(qū)山洪綜合危險性劃分為3個等級： 高危險性、中危險性、低危險性，不同地區(qū)山洪綜合危險性區(qū)域分類如表1。

表1 研究區(qū)山洪綜合危險性

3.2 洪災(zāi)易損性分析

目前對于區(qū)域洪災(zāi)易損性的大小沒有統(tǒng)一標準，考慮到實際情況，選取了研究區(qū)的居民區(qū)密度（1000m2/km2）、道 路 密 度（100m/km2）及 耕 地 密 度（hm2/km2）作為評價研究區(qū)易損性的指標，并構(gòu)造育才生態(tài)區(qū)易損性AHP判斷矩陣如表2。

表2 育才生態(tài)區(qū)易損性AHP判斷矩陣

育才生態(tài)區(qū)易損性AHP判斷矩陣的特征值λ=3.0536，居民區(qū)密度、道路密度和耕地密度洪災(zāi)風險性權(quán)重分別占比0.3216，0.5105，0.1679。 偏離一致性指標CI為0.027，一致性比例CR為0.046，小于0.1，滿足一致性檢驗要求。經(jīng)過統(tǒng)計和測算，立才、龍密、馬腳、那受、那會、抱安、青法、雅林、雅亮、明善總計10個地區(qū)分別統(tǒng)計居民區(qū)、道路及耕地密度，如表3。

表3 研究區(qū)居民區(qū)、道路、耕地密度

根據(jù)實際情況，對育才生態(tài)區(qū)的居民區(qū)密度、道路密度、耕地密度的影響度等級進行劃分，每個評價單位劃分為不同的影響度等級，按照影響力由小到大分為5～9影響度等級并綜合評價不同地區(qū)的易損性。因此將育才生態(tài)區(qū)各地區(qū)綜合易損性劃分為3級：高易損性、中易損性、低易損性，如表4。

表4 研究區(qū)綜合易損度

3.3 洪災(zāi)風險區(qū)劃

通過洪災(zāi)危險性和易損性分析， 根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署對于自然災(zāi)害風險給出的公式風險度（R）=危險度（H）×易損度（v），對每個地區(qū)分別計算風險度。為便于計算各地區(qū)洪災(zāi)的風險度，將洪災(zāi)綜合危險性和易損性低、中、高分別賦值為2，4，6，得到各地區(qū)的危險度和易損度，并計算各地區(qū)的風險度。風險度4～8為低風險度，風險度8～16為中風險度，風險度16～36為高風險度，如表5。

表5 研究區(qū)風險度統(tǒng)計

3.4 洪災(zāi)預(yù)警

近年來氣象預(yù)報的精確度和時效性大幅提升，能夠快速準確地預(yù)測預(yù)報降水量和降水強度， 尤其是臺風監(jiān)測， 能夠提前發(fā)現(xiàn)臺風并預(yù)測臺風的運行軌跡及對周邊影響，在臺風生成后，即可根據(jù)預(yù)測降水量，設(shè)定淹沒高度，利用現(xiàn)有模型，對研究區(qū)域開展洪災(zāi)淹沒分析，同時結(jié)合現(xiàn)有的研究區(qū)居民區(qū)、耕地、道路分布情況，劃分不同等級的淹沒風險區(qū)，針對處于淹沒中、 高風險的及風險度較高的地區(qū)提前布置防洪力量，及時疏散人員，能夠科學快速的做出洪災(zāi)預(yù)警，減少洪災(zāi)損失。

4 結(jié)語

通過建立三亞育才生態(tài)區(qū)洪水災(zāi)害風險模型，能夠快速有效地模擬洪水對研究區(qū)域內(nèi)的居民區(qū)、道路、耕地的影響范圍，進而根據(jù)研究區(qū)域地形和村落分布，將研究區(qū)劃分為10個區(qū)域，通過建立研究區(qū)洪災(zāi)風險性的評估模型，快速、準確、科學地評估研究區(qū)內(nèi)不同地區(qū)的洪災(zāi)危險度、易損度及風險等級，劃分洪災(zāi)危險區(qū)并提前預(yù)警，為預(yù)防洪水災(zāi)害，減少洪水損失提供了科學依據(jù)。

目前洪水淹沒風險模型的建立僅考慮了耕地、道路、居民區(qū)3個因素，今后將更多因素如人口、經(jīng)濟等，納入洪災(zāi)風險評估中，并采用更加精細的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，建立更加詳盡的洪災(zāi)風險評估模型，進一步增加災(zāi)情評估的準確性， 為預(yù)防洪水災(zāi)害提供更精細更科學的判斷依據(jù)。