黄河冰凌监测技术及实践：遥感监测成果及应用

黄河内蒙古河段处于黄河流域最北端，介于106°10′E—112°50′E、37°35′N—41°50′N之间，干流全长约830km，占黄河总长的1/6，流域面积15.1万km2，占黄河总流域面积的1/5。从石嘴山入流向东北至巴彦淖尔市瞪口县，河道流向大致是西南流向东北，瞪口县至包头市基本自西向东，包头市至清水河县喇嘛湾由西北流向东南，至伊克昭盟马栅乡出境，基本自北向南。河段总的呈“门”形大弯曲（张志红，2000）。黄河内蒙古河段纬度高，冬季严寒而漫长，气温在0℃以下的时间可持续4～5个月，冰情严重，再加之不利的河道条件，极易产生凌汛灾害（可素娟，1998）。黄河内蒙段封河首封地点一般在三湖河口，以三湖河口为中心向上下游两端封冻，日期一般是在11月下旬，冰厚在2月达到最大值，开河一般在3月中下旬。

由于黄河内蒙古河段自低纬度向高纬度的河流流向，冰期严寒而漫长，同时同期气温较上游的甘肃、宁夏回族自治区（以下简称宁夏）气温低，河道流凌封冻常由内蒙段溯源而上，自下而上封河；而解冻开河正与此相反，自上而下开河（韩俊丽，1996）；封冻河段和封冻时间长，冰期槽蓄水增量大；封河期受气温和宁夏灌区引退水造成的冰期流量变化的影响，容易形成冰塞灾害；开河时槽蓄水量的集中释放，往往形成冰坝壅水，并形成高水位的凌峰，造成灾害（贺顺德，2009）。

黄河宁夏河段自中县卫南长滩入境，至惠农县石嘴山麻黄沟出境，介于104°39′E—106°49′E，37°17′N—39°13′N之间，河道呈“三放两收”形势，流程397km。冬季常为冷高压控制，气候寒冷，寒潮活动频繁，冬季凌汛期冰凌量大。宁夏河段为天然情况和水库运行双重过渡性河段，冰情变化复杂，灾害频繁。境内中宁县枣园以上130km为不稳定封河段，枣园至石嘴山260多千米为常封河段。

宁夏段凌汛特征如下（杨林平，2010）。

（1）封开河时序相反：黄河宁夏段位置偏北属于南北流向，凌汛期河水中有大量的冰凌形成，流凌、封河逆源而上，下游先封，上游后封，开河时则自上游向下游发展，上游先开，下游后开，河槽蓄水、上游来水以及消冰水向下游汇流，这种时序相反的倒封、开河形势极易形成冰塞、冰坝，造成河水漫滩，形成凌汛灾害。

（2）河道槽蓄量大：由于河道为倒封河形式，封河时上游来冰堆积河道，减缓了水流速度，抬高了水位，形成槽蓄水增量。(www.xing528.com)

（3）受强冷空气影响较大：冷空气的强弱，入侵时间的早晚，直接影响到冰情的发生、发展和变化，导致不同河段出现不同程度的冰情凌灾发生。

（4）受水库调蓄影响大：刘家峡、龙羊峡水库建成运行后，改变了河道天然水力和热力条件，使河道的水文情势也发生了变化，在封、开河期适时控制流量，大大改善了宁夏段封、开河形势，冰情减轻，平均封河日期推迟，开河日期提前，宁夏河段封河距离及封河天数缩短，封河形势一般由立封转为平封，开河形势一般由武开河、半武开河转为文开河。

黄河下游位于113°30′E—118°40′E，34°50′N—38°N之间，自河南省郑州附近的桃花峪至山东省垦利县注入渤海，黄河下游河道由西南流向东北，纬度逐渐增加。由于黄河下游上、下河段纬度的差异，以及河道上段宽浅、下段窄而弯曲的特殊地理环境，使得气温、流量变幅大，从而构成了黄河下游冰情变化的复杂性和某些年份凌汛的严重性（彭梅香，2000）。黄河下游一般是先从河口地区封河，然后梯级上延。封冻时间一般上河段比下河段晚10天左右，而开河时间则上河段比下河段早20天左右。这就使得上河段淌凌往往受阻，宣泄不畅，大量的冰水集蓄在上段宽浅的河槽内。开河期上河段的冰水一齐涌向尚未解冻的窄而多弯的下河段，从而容易形成冰塞、冰坝等凌情，使局部河段水位陡涨，甚至决口成灾（安增美，1993）。每年12月到次年2月为黄河下游河段凌汛期。据不完全统计，自1883至1936的54年中，就有21年发生凌汛决口，1951年、1955年、1969年、1979年等曾出现过年度很严重的凌情。

黄河凌汛具有突发性强、持续时间长、灾害期天寒地冻等特点，传统的凌情观测手段主要有水文、河务部门的冰情目测、固定点冰厚测量、冰流量测验等，主要观测冰的生消及范围情况、冰厚度、冰流量等，无法从全局上观测凌情现状。卫星遥感全面宏观的观测手段在冰凌封河、开河长度估算等方面具有优势。遥感技术可监测冰情生成、发展及消退的整个过程，使防汛部门及时获得大范围河道的封冻情况，及时做出封、开河时间、河段的预报，并监测和分析有无冰坝形成及可能造成的决口、漫溢、漫滩等凌汛灾害。

黄河水利委员会2002年首次启用MODIS数据开展黄河冰凌的日常监测（刘良明，2012）。MODIS幅宽大、重访周期高，为黄河冰凌动态监测提供了及时、宏观、全面的技术手段（许志辉，2003；鄢俊洁，2004）。何源浩等（2012）建立了基于MODIS的冰凌灾害监测预报系统。但是MODIS空间分辨率较低，对封冻之前流凌凌情不能有效监测（李云鹏，2011）。随着一系列国产卫星的发射，相关研究人员开始利用较高分辨率的国产卫星开展冰凌监测。许志辉等（2010）利用CBERS-02B对2008年3月20日黄河内蒙古杭锦旗奎素段出现的凌汛溃堤险情进行了跟踪监测。杨中华等（2006）利用CBERS-02B开展黄河凌汛监测，实践表明CBERS-02B对冰凌具有良好的识别能力。夏辉宇等（2012）利用环境减灾卫星开展2009—2010年度黄河凌汛重点时间段和区域的监测，为防灾减灾决策提供了支撑。为了充分发挥各卫星的优势，陈琳等（2012，2013）利用多星多源数据组合开展黄河凌汛监测，实现了对黄河凌汛的日宏观动态监测。目前，主要依据冰凌与其他地物的反射率的差异来提取冰凌，常用的凌情监测方法有目视解译、非监督分类、归一化差分积雪指数（NDSI）阈值检测方法、主成分分析方法、决策树分类方法等（孙振谦，2004）。但是普遍存在冰凌提取易受其他地物影响、分类自动化程度不高、需要大量人为干预的特点，迫切需要能够满足业务需求的全自动识别算法。本节利用决策树分类技术探索冰凌全自动识别方法，开展2012/2013年黄河宁夏河段冰凌时空监测应用，为动态监测黄河宁夏河段凌情提供支撑。