许志辉，张 超

（黄河水利委员会信息中心，河南 郑州 450004）

黄河凌情遥感监测系统建设思考

许志辉，张 超

（黄河水利委员会信息中心，河南 郑州 450004）

利用遥感技术及时准确地监测黄河凌情，对于确保黄河防凌安全具有重要意义。在分析当前黄河凌情遥感监测存在问题的基础上，提出建设黄河凌情遥感监测系统，全面提升黄河凌情遥感监测服务能力，对凌情遥感监测系统的建设目标和思路、总体组成等进行思考，初步进行系统设计。

黄河；凌情；遥感；监测系统

1 现状与问题

1.1 现状

2002 年冬季，遥感技术首次在黄河防凌工作中得到应用，主要利用 MODIS 数据对黄河冰凌发生、发展和消融的整个过程进行动态跟踪监测，在封河、开河关键时期利用 LANDSAT TM 和RADARSAT SAR 等数据进行精细监测[1]。后续随着国产卫星遥感数据源增多，中巴地球资源卫星（CBERS）、环境卫星（HJ-1A/HJ-1B）等遥感数据逐渐成为黄河凌情监测的主要数据源[2-3]。近年来随着高分系列卫星（GF-1，GF-2，GF-4，GF-3）等成功发射，高分数据在黄河凌情遥感监测中发挥的作用日益突出。

遥感技术在黄河防凌工作中的应用，从探索起步到逐渐成熟使用，是一个从无到有、由浅及深的过程。遥感技术能够准确、客观地监测封河位置、长度，开河位置、长度，清沟，凌水漫滩，堤防偎水及凌汛灾害等情况，在多年的防凌工作中发挥了重要信息支撑作用，特别是在 2008 年黄河内蒙古奎素段堤防溃口[4]、万家寨水库库尾壅冰（水）、小北干流河段漫滩等监测中发挥了不可替代的作用。

1.2 存在问题

随着遥感技术在黄河防凌工作中的深入应用，当前黄河凌情遥感监测存在以下主要问题：受通信传输通道的限制，数据时效性还显不足；卫星遥感数据源日益增多，数据处理软硬件和存储能力不足，数据缺乏高效处理和管理；凌情信息提取自动化程度不高，解译速度慢；凌情信息服务方式单一，防凌综合信息集成度不高。针对凌情遥感监测中存在的问题，有必要研究并建设黄河凌情遥感监测系统，全面提升凌情遥感监测服务能力，为黄河防凌安全提供强有力的信息支撑，提高黄河防凌现代化水平。

2 系统建设目标和思路及总体组成

2.1 系统建设目标

在整个凌期，黄河防汛指挥部门每天需要掌握当天的气象、水库和河道水情、凌情等动态信息，为适时防凌部署、水库调度等工作提供决策依据。黄河防汛指挥部门每周要召开防凌会商会议，全面汇总分析上周各项防凌信息，研究部署本周防凌工作。

根据防凌工作的实际需求，黄河凌情遥感监测系统建设目标定为在卫星过境、遥感地面站接收数据后 2～4 h 内，向黄河防汛部门提供当天的凌情遥感监测成果；在每周的防凌会商会上，提供前期的凌情遥感监测全面成果。

2.2 系统建设思路

系统建设遵循实用先进、集约共享的原则，租用大容量数据传输通道，建设遥感数据处理软硬件和存储设施，开发凌情信息解译模型和信息服务系统，整合集成现有防凌信息，实现遥感数据的快速化获取、自动化预处理、海量化存储和管理，以及凌情信息的模型化解译和便捷化服务，为黄河防凌决策提供信息保障。

2.3 系统总体组成

黄河凌情遥感监测系统总体组成如图 1 所示。

图 1 黄河凌情遥感监测系统组成图

3 系统设计

3.1 卫星遥感数据传输通道建设

采用租用光纤通道等方式建立资源卫星应用中心到流域机构的遥感数据高速传输通道，确保遥感地面站能在第一时间将接收的数据推送到流域机构，实现凌情遥感监测数据的实时获取，为防凌信息保障工作赢得宝贵时间。

卫星遥感数据传输通道建设有 2 种方式可以考虑：1）建立从资源卫星应用中心到流域机构的直连遥感数据传输通道；2）在现有水利通信传输通道基础上，建立从资源卫星应用中心到水利部、再从水利部到流域机构的遥感数据传输通道。

3.2 遥感数据处理软硬件和存储设施建设

建设实用的遥感数据处理软硬件和存储设施，开发高效的遥感数据管理系统，搭建遥感服务平台，实现遥感数据的快速、批量、自动化预处理，安全可靠的存储与管理，提供便捷的遥感影像和 GIS服务。

遥感数据处理软硬件和存储设施环境主要由遥感数据获取、处理、存储、管理、服务等设备（软件）构建，包括遥感数据的获取、处理、管理，遥感影像和 GIS 服务，以及由磁盘阵列、备份存储和光纤交换机组成的存储等子系统，如图 2 所示。

图 2 遥感数据处理软硬件和存储设施拓扑图

在现有遥感软硬件基础上，采用升级、补充完善等方式，增强遥感数据处理软硬件设施，提升凌情遥感数据处理能力。在现有存储设施基础上，进行存储扩容，满足凌情遥感数据存储要求。开发高效的遥感数据管理系统，对多年积累的凌情遥感数据统一管理。利用成熟的商业遥感和 GIS 基础平台软件开发建立遥感影像和 GIS 服务子系统，满足遥感影像和 GIS 服务要求。

3.3 凌情信息解译模型开发

凌情信息解译模型由冰凌信息提取、槽蓄水量估算、漫滩信息分析统计等模型组成。

快速准确地从遥感数据中提取冰凌、水体、清沟等信息是凌情遥感监测的重要基础工作，当前以上信息提取主要依靠人工解译，速度慢、耗时长。因此，根据冰凌和水体等地物光谱特征，建立冰凌信息提取模型，从遥感数据中快速自动提取冰凌、水体、清沟等信息十分必要。黄河封河总体态势是河道内先出现流凌，凌随水走，遇到弯道或阻水河段，流凌逐次堆积壅塞，自下而上逐段封冻。这一封河特点决定了黄河封冻河道与湖泊水库等相对静水水域冰凌形态不同，黄河与静水水域冰凌光谱特征也不同，而是与积雪光谱特征有很高的相似性，这是黄河冰凌能够根据光谱特征自动提取的基础。典型积雪有很高的可见光反射率，对太阳光谱的反射率很强，几乎达到全反射；在蓝光波段的 0.49 μm附近，有一个反射峰，反射率高达 80% 以上；然后反射率随着波长的增加而降低，在 1.14～1.26 μm 之间，反射率急剧下降；在近红外波段，积雪的反射率继续下降，直至降到 20% 左右[5]。黄河冰凌信息提取算法根据其与积雪光谱特征具有很高的相似性这一特点，即具有强的可见光反射和短波红外吸收的特性，选定归一化差分积雪指数（NDSI）和近红外通道的反射率作为 2 个判别标准。NDSI 主要用来鉴别冰凌，并区分大量积云。由于水也可能出现NDSI 值比较高的情况，而水在近红外波段的反射率很低，因此选择近红外通道区分冰凌和水[6]。

每年凌期黄河封冻河段都会在河道内蓄滞大量凌水，称为槽蓄水量，对于水库防凌调度、堤防安全等影响重大。传统槽蓄水量计算是采用水文断面测验方法，利用入口、出口水文断面流量，通过一定的算法计算得到。这种方法受测验频次、水文断面冲淤变化、沿程引退水，以及下渗、蒸发等因素制约和影响，会引起一定误差。随着现代技术发展，基于遥感数据和高精度河道数字高程模型（DEM）估算河道槽蓄水量成为可能。基于遥感数据和 DEM 估算河道槽蓄水量，不仅能够得到槽蓄水量大小，还能够掌握槽蓄水量沿河道空间分布情况。采集黄河稳封期的遥感数据，解译提取水边线，将水边线与 DEM 数据融合，获得水边高程点，通过空间插值方法拟合生成黄河稳封期水（冰）面高程模型，最后利用黄河稳封期水（冰）面高程模型和 DEM 数据进行栅格空间分析计算，得到河道槽蓄水量及空间分布图。

监测和掌握凌水漫滩后的漫滩区域信息和堤防偎水情况，对于防凌工作起着重要作用。基于 GIS和基础地理空间数据、社会经济数据，建立漫滩信息分析统计模型，实现漫滩区域本底情况和堤防偎水的快速监测和分析统计。以居民点等基础地理空间数据为载体，将人口等社会经济数据作为属性进行赋值。利用遥感数据提取淹没范围，与居民点、道路、耕地等进行空间叠加分析，得到漫滩区域信息。利用遥感数据提取水边线，进行适当缓冲，与堤防等进行空间叠加分析，得到堤防偎水位置和长度等信息。

黄河凌情信息提取流程图如图 3 所示。

图 3 凌情信息提取流程图

3.4 凌情信息服务系统开发

开发凌情信息服务系统，实现凌情遥感监测现状信息、封河前后对比信息、历史凌情信息、河道槽蓄水量分布、堤防偎水、典型凌情事件等信息服务。现状信息展现最新的遥感数据、水边线（冰缘线）、清沟、封河或开河位置和长度。封河前后对比信息展现封河前本底遥感数据、水边线，以及与最新的遥感数据、水边线（冰缘线）进行对比情况。历史凌情信息展现往年凌情遥感监测情况。河道槽蓄水量分布、堤防偎水展现根据凌情信息解译模型得到的河道槽蓄水量和堤防偎水情况。典型凌情事件展现凌汛险情灾情监测情况。

系统采用面向服务架构（SOA）构建，数据层包括遥感、基础地理空间、凌情解译等数据，服务层包括标准接口地图和其它数据服务，应用层展现各应用功能。

系统开发要注重用户的分类分级，做好系统使用权限的划分，用户主要包括黄河防汛指挥、河务、水文和流域省（区）防汛等部门。

系统开发要重视与当前即时通信和智能手机等新技术、新载体的结合，在做好桌面端应用开发同时加强移动端应用开发，实现凌情信息服务的便捷化、即时化。

3.5 河道视频图像信息和水雨情信息集成

根据防凌工作需要，将现有沿河分布的各类固定点视频图像、无人机应急监测视频和水雨情等信息，无缝集成到黄河凌情遥感监测系统中，为防凌决策提供星空地一体化全方位的信息支撑。

目前已建立统一的黄河视讯平台，整合集成了多路沿河视频图像信息，凌情信息服务系统通过黄河视讯平台调用固定点视频图像信息，为黄河防凌工作提供关键河段的视频图像服务。

无人机应急监测主要应对局部河段突发凌情事件，无人机应急监测视频信息通过 3G/4G 公网实时接入黄河通信专网，纳入黄河视讯平台，凌情信息服务系统通过视讯平台根据需要调用。

凌情信息服务系统通过访问水雨情共享数据库方式调用水雨情信息。

4 结语

1）利用遥感技术及时准确地监测黄河凌情，对于确保黄河防凌安全具有重要意义。研究和建设黄河凌情遥感监测系统，能够全面提升凌情遥感监测服务能力，为黄河防凌安全提供重要信息保障，提高黄河防凌现代化水平。

2）对黄河凌情遥感监测存在的问题及凌情遥感监测系统的建设目标、建设思路、系统组成等进行了分析和思考，黄河凌情遥感监测系统需求明确，技术可行，应进一步加强前期工作力度，推动系统建设。

[1] 孙振谦，马浩录，刘道芳，等. 遥感监测黄河凌情的技术与方法[J]. 人民黄河，2004，26 (12): 8-10.

[2] 杨中华，王卫东，马浩录.“四星三源”模式监测黄河凌汛的研究与实践[J]. 科技导报，2006，24 (4): 64-67.

[3] 夏辉宇，孟令奎，李继园，等. 环境减灾卫星数据在黄河凌汛监测中的应用[J]. 水利信息化，2012 (2): 20-23.

[4] 许志辉，马浩录，陈杨，等. CBERS-02B 星数据在黄河凌汛监测中的应用[J]. 人民黄河，2010，32 (1): 22-23.

[5] RIGGS G A，HALL D K，SALOMONSON V V. A snow index of the landsat thematic mapper and moderate resolution imaging spectroradiometer[J]. Geoscience and Remote Sensing Symposium，1994 (4): 1942-1944.

[6] 鄢俊洁，刘良明，马浩录，等. MODIS 数据在黄河凌汛监测中的应用[J]. 武汉大学学报（信息科学版），2004，29 (8): 679-681.

Thoughts on construction of remote sensing monitoring system of Yellow River ice flood

XU Zhihui, ZHANG Chao

(Information Center of Yellow River Conservancy Commission, Zhengzhou 450004)

It is of great significance to ensure the safety of Yellow River by means of remote sensing monitoring of Yellow River ice flood. Based on the analysis of the existing problems in the remote sensing monitoring of Yellow River ice flood, it is necessary to study and construct the remote sensing monitoring system of Yellow River ice flood and comprehensively enhance the capacity of remote sensing monitoring of Yellow River ice flood. The construction goal, the construction idea and the system composition of the remote sensing monitoring system are discussed. And the system design is carried out.

Yellow River; ice flood; remote sensing; monitoring system

TP873；TV21

A

1674-9405(2017)05-0018-04

10.19364/j.1674-9405.2017.05.004

2017-06-21

许志辉（1979-），男，河南邓州人，高级工程师，主要从事水利遥感应用工作。