萬(wàn)華偉 李 靜 王昌佐 劉曉曼

(環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

1 引 言

我國(guó)自然災(zāi)害多發(fā)，遙感技術(shù)因其具有觀測(cè)范圍大、獲取信息量大、速度快、實(shí)時(shí)性好、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、不受地面惡劣地質(zhì)環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，在突發(fā)性生態(tài)環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，同時(shí)，借助業(yè)務(wù)化的數(shù)據(jù)處理和信息提取手段，可以快速、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)大范圍的災(zāi)區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和變化，跟蹤部分類型的自然災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展，為救災(zāi)指揮、災(zāi)害生態(tài)影響評(píng)價(jià)和災(zāi)后生態(tài)恢復(fù)重建管理工作提供了重要技術(shù)支撐。

國(guó)外的生態(tài)環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)開(kāi)展的比較早，美國(guó)農(nóng)業(yè)局早在1962年就啟動(dòng)了FIRESCAN 計(jì)劃，開(kāi)始采用紅外遙感技術(shù)進(jìn)行森林火災(zāi)的探測(cè)與制圖，取得了較好的應(yīng)用效果;上世紀(jì)80年代，聯(lián)合國(guó)啟動(dòng)的“國(guó)際減輕自然災(zāi)害十年(INDR)”計(jì)劃，推動(dòng)了遙感技術(shù)在災(zāi)害預(yù)警、監(jiān)測(cè)和調(diào)查中的應(yīng)用［1］。隨著我國(guó)衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，先后形成了氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星和環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星系統(tǒng)，為我國(guó)的生態(tài)環(huán)境災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)提供了數(shù)據(jù)保障。

雖然我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了大量氣象災(zāi)害，以及地震、洪水、火山、滑坡、泥石流、森林火災(zāi)等災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)工作，汶川大地震發(fā)生后，在地面交通和通訊系統(tǒng)中斷情況下，依靠衛(wèi)星和航空遙感，獲得了大量災(zāi)區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞的信息，為相關(guān)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和響應(yīng)積累了經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)［2］綜述了多光譜遙感在重大自然災(zāi)害評(píng)估中的應(yīng)用，可以看出，目前自然災(zāi)害遙感主要集中在防災(zāi)救災(zāi)的應(yīng)急工作中，而對(duì)于災(zāi)后受災(zāi)區(qū)域生態(tài)破壞和環(huán)境污染等進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的工作開(kāi)展相對(duì)較少，尤其缺少用于災(zāi)害生態(tài)環(huán)境影響的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方法體系。

2 災(zāi)害生態(tài)影響遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系

2.1 總體思路

自然災(zāi)害事件具有明顯的突發(fā)性和區(qū)域性特點(diǎn)，利用遙感技術(shù)開(kāi)展自然災(zāi)害的遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)具有突出優(yōu)勢(shì)，只是不同類型和區(qū)域的生態(tài)環(huán)境災(zāi)害事故的生態(tài)影響差別較大，監(jiān)測(cè)的指標(biāo)很難固定。由于災(zāi)害種類繁多，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的有關(guān)研究，把我國(guó)的災(zāi)害類型劃分為地質(zhì)災(zāi)害、氣象災(zāi)害、環(huán)境污染災(zāi)害、火災(zāi)、海洋災(zāi)害、生物災(zāi)害六大類及41 個(gè)小類［3］。而且不同強(qiáng)度、不同地區(qū)、不同類型的災(zāi)害對(duì)災(zāi)區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響也不相同，在進(jìn)行災(zāi)害生態(tài)影響的遙感監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)需要具體問(wèn)題具體分析。區(qū)域生態(tài)環(huán)境災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)可歸納為以下幾方面:

(1)災(zāi)害體指標(biāo)。冰雪、干旱、洪澇等災(zāi)害本身是造成區(qū)域生態(tài)破壞的主要原因，這些災(zāi)害的空間分布位置、面積和強(qiáng)度等指標(biāo)是監(jiān)測(cè)該區(qū)域生態(tài)影響的基礎(chǔ)信息。而地震等災(zāi)害只能監(jiān)測(cè)其影響和破壞的范圍，地震本身的震中、震級(jí)等信息則很難利用目前的遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)。

(2)次生災(zāi)害指標(biāo)。災(zāi)害過(guò)后所引發(fā)的滑坡、堰塞湖、泥石流等次生災(zāi)害也是對(duì)區(qū)域生態(tài)造成破壞的重要原因之一，它們發(fā)生的空間位置、面積、數(shù)量和強(qiáng)度等指標(biāo)也是監(jiān)測(cè)該區(qū)域生態(tài)影響的基礎(chǔ)信息。

(3)生態(tài)影響指標(biāo)。包括受災(zāi)害破壞影響的地表生物物理狀況、生態(tài)系統(tǒng)類型和生態(tài)敏感目標(biāo)三部分。地表生物物理狀況主要是植被覆蓋等狀況。生態(tài)系統(tǒng)類型主要有:森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、居民點(diǎn)和水體等。生態(tài)敏感目標(biāo)主要是自然保護(hù)區(qū)、珍稀動(dòng)植物資源等。

2.2 地震/泥石流

地震/泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，往往會(huì)帶來(lái)山體滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害，在評(píng)價(jià)其生態(tài)影響時(shí)，重點(diǎn)對(duì)山區(qū)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害空間分布、地震對(duì)地表植被破壞面積和空間分布影響、地震對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)影響面積和空間分布影響、地震對(duì)河道水體的影響(如堰塞湖空間分布)、敏感環(huán)境目標(biāo)(如自然保護(hù)區(qū))生態(tài)環(huán)境遭破壞狀況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估。遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)可歸納為:(1)災(zāi)害體指標(biāo):地震發(fā)生位置，不同烈度空間范圍、泥石流發(fā)生位置/面積;(2)次生災(zāi)害指標(biāo):山體滑坡、泥石流、堰塞湖等發(fā)生位置、面積等;(3)生態(tài)環(huán)境影響指標(biāo):地震影響范圍內(nèi)生態(tài)敏感目標(biāo)(自然保護(hù)區(qū)、飲用水源地、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng))格局關(guān)系和受損程度;植被覆蓋度及其動(dòng)態(tài)變化等。

2.3 冰凍/雪災(zāi)

冰凍/雪災(zāi)發(fā)生時(shí)，需要獲取雪覆蓋狀況的災(zāi)情信息和災(zāi)害對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境破壞的信息進(jìn)行事件對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的評(píng)估，而且災(zāi)后融化過(guò)程中地表水的增加有可能也會(huì)帶來(lái)土石松動(dòng)，從而帶來(lái)次生地質(zhì)災(zāi)害。因此除災(zāi)情發(fā)生空間范圍外，還要評(píng)價(jià)其冰雪后次生地質(zhì)災(zāi)害(如滑坡、泥石流)狀況，以及災(zāi)害對(duì)區(qū)域生態(tài)敏感目標(biāo)造成的影響(如植被覆蓋變化、生態(tài)系統(tǒng)類型損毀程度、湖泊和水庫(kù)變化)等。遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)可歸納為:(1)災(zāi)害體指標(biāo):雪被空間分布、面積;(2)次生災(zāi)害指標(biāo):滑坡、泥石流空間分布和變化狀況;(3)生態(tài)環(huán)境影響指標(biāo):冰凍/雪災(zāi)發(fā)生范圍內(nèi)生態(tài)敏感目標(biāo)(自然保護(hù)區(qū)、居民點(diǎn)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng))格局關(guān)系，植被覆蓋度及動(dòng)態(tài)變化、敏感生態(tài)系統(tǒng)類型及動(dòng)態(tài)變化等。

2.4 干旱災(zāi)害

干旱是一種常見(jiàn)的天氣現(xiàn)象，尤其對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有很大影響。在利用衛(wèi)星遙感重點(diǎn)獲取地表土壤干濕狀況和干旱強(qiáng)度，并對(duì)受干旱影響的農(nóng)作物的面積或危害程度進(jìn)行估算。指標(biāo)可歸納為:(1)災(zāi)害體指標(biāo):地表土壤干濕狀況，干旱等級(jí)空間分布;(2)生態(tài)環(huán)境影響指標(biāo):旱災(zāi)發(fā)生范圍內(nèi)生態(tài)敏感目標(biāo)(自然保護(hù)區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng))格局關(guān)系和影響程度。

3 災(zāi)害生態(tài)影響指標(biāo)提取方法與實(shí)例

3.1 遙感數(shù)據(jù)源

(1)按獲取平臺(tái)分，包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)和航空數(shù)據(jù)。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，可用于災(zāi)害生態(tài)影響評(píng)估監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)源也越來(lái)越豐富，由于災(zāi)害類型不一，其適用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)也不同。對(duì)于氣象災(zāi)害，大多發(fā)生在大尺度的空間范圍內(nèi)，可采用MODIS、風(fēng)云等公里分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù);針對(duì)森林、草地等自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的火災(zāi)等，可采用環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星［4］、Landsat 衛(wèi)星、高分一號(hào)［5］寬覆蓋衛(wèi)星等15～30m 空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù);對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害而言，由于其發(fā)生的空間范圍較小，則需要采用10m 以內(nèi)空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如SPOT、國(guó)產(chǎn)資源衛(wèi)星ZY02C/ZY－3、國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)衛(wèi)星等，還有米級(jí)亞米級(jí)分辨率數(shù)據(jù)，如QuickBird、Worldview 等衛(wèi)星數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于無(wú)人機(jī)的靈活性，不受運(yùn)行軌道的限制，可以快速獲取災(zāi)區(qū)實(shí)時(shí)的高分辨率遙感數(shù)據(jù)，可以非常清晰地獲得災(zāi)區(qū)現(xiàn)狀信息，同時(shí)飛行高度較低，不受云的影響，已成為災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要數(shù)據(jù)源。

(2)按傳感器分類，包括光學(xué)、紅外和雷達(dá)數(shù)據(jù)。光學(xué)數(shù)據(jù)是目前最為常用的數(shù)據(jù)源，可根據(jù)災(zāi)害類別和區(qū)域大小選取不同空間分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。按照載荷類型分類，按照載荷的譜段范圍，除了常用的可見(jiàn)光譜段，提取溫度信息的提取需要紅外載荷;此外，雷達(dá)數(shù)據(jù)可以獲取天氣情況不好時(shí)的地表信息，如Radarsat，TerraSAR 等。

3.2 遙感提取方法

(1)基于影像光譜和空間特征的目標(biāo)識(shí)別方法。地表冰雪覆蓋、滑坡體和堰塞湖等次生地質(zhì)災(zāi)害造成的生態(tài)破壞，在遙感影像上的色調(diào)、幾何形狀等特征突出，特別是在高分辨率衛(wèi)影像上更加明顯，可以利用這些特征進(jìn)行識(shí)別出來(lái)。通過(guò)亮度值或像元值的高低差異(反映地物的光譜信息)及空間變化(反映地物的空間信息)來(lái)表示進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別?？赏ㄟ^(guò)自動(dòng)分類和人工交互式解譯相結(jié)合的方法，獲取目標(biāo)的空間分布信息。以汶川地震為例，圖1 為2008年汶川地震發(fā)生后依據(jù)北川縣5月15日SPOT5 多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進(jìn)行解譯得到的區(qū)域滑坡空間分布圖。

圖1 北川縣區(qū)域滑坡空間分布圖

(2)不同時(shí)相遙感影像比對(duì)分析方法。將同一地區(qū)不同時(shí)間序列(如災(zāi)前、災(zāi)后、災(zāi)后一段時(shí)期)遙感影像進(jìn)行比對(duì)，可直接分析災(zāi)區(qū)地表景觀的動(dòng)態(tài)變化，提取災(zāi)后地面生態(tài)環(huán)境遭受的破壞、生態(tài)恢復(fù)情況。圖2 為2008年汶川地震后北川縣漩坪羌族鄉(xiāng)堰塞湖影像。

圖2 堰塞湖(綠點(diǎn)處，左:災(zāi)前;右:災(zāi)后)

(3)定量分析和反演方法。定量反演分析方法即利用反演模型，定量分析地災(zāi)后地表生物物理狀況及其的環(huán)境影響。如可利用衛(wèi)星影像提取歸一化植被指數(shù)(NDVI)、估算地表植被覆蓋度，以監(jiān)測(cè)地表植被狀況和遭受的破壞情況，掌握災(zāi)后區(qū)域植被覆蓋的現(xiàn)狀;通過(guò)災(zāi)前、災(zāi)后地表植被覆蓋度的差值運(yùn)算估算地表植被的破壞情況。圖3 為2008年南方雪災(zāi)前后資興市的植被覆蓋度變化［6］。

圖3 資興市雪災(zāi)前后植被覆蓋度變化

(4)空間疊置和統(tǒng)計(jì)分析。在GIS 支持下，對(duì)遙感提取的專題信息，進(jìn)行空間疊置、統(tǒng)計(jì)分析，提取相關(guān)生態(tài)環(huán)境災(zāi)害的面積和數(shù)量等信息。圖4 為雅安地震震區(qū)周邊自然保護(hù)區(qū)的分布，通過(guò)GIS 分析，可以快速了解到地震可能會(huì)影響到的敏感生態(tài)目標(biāo)。

圖4 雅安地震區(qū)自然保護(hù)區(qū)分布圖

4 結(jié)論與討論

本文對(duì)遙感技術(shù)在區(qū)域自然災(zāi)害生態(tài)影響中的應(yīng)用進(jìn)行了指標(biāo)和方法介紹，可以看出，通過(guò)遙感技術(shù)的應(yīng)用，可以為災(zāi)區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供客觀和科學(xué)的資料支持。但仍需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究和提高:

(1)災(zāi)區(qū)有效數(shù)據(jù)的獲取仍存在一定限制，災(zāi)害監(jiān)測(cè)和生態(tài)影響評(píng)估需要快速有效地獲取災(zāi)害地區(qū)的信息，載荷能力仍需進(jìn)一步加強(qiáng)，尤其是加強(qiáng)高分辨率遙感數(shù)據(jù)的獲取和雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)獲取能力，以應(yīng)對(duì)云雨等極端天氣情況下的數(shù)據(jù)獲取能力。

(2)遙感監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)仍需深入研究，尤其是針對(duì)災(zāi)害體指標(biāo)的提取算法需要進(jìn)一步提高其精度和速度。還需要進(jìn)一步在實(shí)際案例中進(jìn)行應(yīng)用，總結(jié)形成自然災(zāi)害生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估的技術(shù)手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

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