多源遙感技術(shù)在洪水監(jiān)測中的應(yīng)用研究

趙 琳 董 端 劉金玉

(中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

1 概 述

近年來,全球氣候復(fù)雜多變,頻頻發(fā)生極端暴雨洪水事件,防洪防澇任務(wù)艱巨。20世紀(jì)90年代以來,我國長江、黃河、珠江、嫩江、遼河及淮河等流域洪水災(zāi)害此起彼伏,損失嚴(yán)重并呈逐步加重趨勢(shì)[1]。水是人類賴以生存的重要資源,水資源的均衡對(duì)人類具有重要意義,對(duì)水量的監(jiān)測歷來是人們關(guān)注的重點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)水體提取的研究方法在不斷改進(jìn)和提升。同時(shí),衛(wèi)星遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展,將人類帶入一個(gè)多層、立體、多角度、全方位和全天候?qū)Φ赜^測的新時(shí)代[2]。由不同成像機(jī)理相互彌補(bǔ)而組成的全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng),能夠準(zhǔn)確有效、快速及時(shí)地提供多種空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率的對(duì)地觀測數(shù)據(jù)。因此,利用衛(wèi)星遙感手段可以有效提取水體信息,日益成為水環(huán)境監(jiān)測的研究熱點(diǎn)[3]。

本文將“21·7”河南省鄭州市特大洪水作為試驗(yàn)研究對(duì)象,建立洪水天、空、地協(xié)同監(jiān)測體系架構(gòu),基于多源遙感數(shù)據(jù)的洪水發(fā)展全過程監(jiān)測,利用光學(xué)、雷達(dá)等影像進(jìn)行洪水水體范圍提取;利用數(shù)字高程模型對(duì)洪水水深、水量進(jìn)行快速估算;利用災(zāi)前災(zāi)后的遙感影像進(jìn)行變化檢測,評(píng)估受災(zāi)情況,從而為洪水調(diào)度方案的制定及災(zāi)后重建的精細(xì)化評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

2 洪水遙感監(jiān)測體系

2.1 洪水遙感監(jiān)測指標(biāo)

為了有效地監(jiān)測、評(píng)估洪澇災(zāi)害,必須建立一套能夠描述洪災(zāi)屬性的統(tǒng)一的指標(biāo)集。綜合考慮洪災(zāi)的自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響三個(gè)方面因素,針對(duì)遙感監(jiān)測的實(shí)際情況,洪澇災(zāi)害的遙感監(jiān)測指標(biāo)主要包括致災(zāi)因子和承載體兩方面[4],具體監(jiān)測指標(biāo)見圖1。

圖1 洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測指標(biāo)

2.2 多源遙感平臺(tái)

洪災(zāi)不同方面的特性對(duì)遙感衛(wèi)星的技術(shù)指標(biāo)提出了不同的要求。就洪災(zāi)發(fā)生的大尺度而言,需要大幅寬的衛(wèi)星成像系統(tǒng);就洪災(zāi)的突發(fā)性和動(dòng)態(tài)性而言,需要具有快速響應(yīng)的能力、能夠?qū)崿F(xiàn)高頻次觀測的衛(wèi)星系統(tǒng);由于洪災(zāi)的發(fā)生通常會(huì)伴隨著惡劣的天氣條件,這樣就需要衛(wèi)星具有全天候、全天時(shí)的監(jiān)測能力[5];而對(duì)于洪災(zāi)引起的房屋、道路等承災(zāi)體的損毀,則需要運(yùn)用米級(jí)甚至亞米級(jí)的空間辨識(shí)能力進(jìn)行精細(xì)化評(píng)估[6]。經(jīng)過多年的發(fā)展,全球范圍內(nèi)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)資源日益豐富,而且上述各方面的技術(shù)水平都顯著提高[7]。針對(duì)洪水應(yīng)急監(jiān)測的需求,本文對(duì)國內(nèi)外主流衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行了梳理及研究,在此基礎(chǔ)上,明確了各平臺(tái)的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo),從而得到了洪災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星平臺(tái)及主要參數(shù),見表1。

表1 洪災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星主要參數(shù)

2.3 洪澇災(zāi)害應(yīng)急應(yīng)用體系

本文針對(duì)洪水應(yīng)急監(jiān)測的需求,對(duì)主流洪災(zāi)遙感監(jiān)測平臺(tái)進(jìn)行了有針對(duì)性的梳理及研究,通過研究明確了各平臺(tái)的特點(diǎn)及關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,提出了洪水天、空、地協(xié)同監(jiān)測體系架構(gòu);同時(shí),針對(duì)多源遙感數(shù)據(jù),開展數(shù)據(jù)配準(zhǔn)分析、監(jiān)測指標(biāo)動(dòng)態(tài)提取等方面問題的研究,形成從數(shù)據(jù)獲取、分析到監(jiān)測指標(biāo)提取的洪水監(jiān)測全過程的技術(shù)方案(見圖2),并開展監(jiān)測方案應(yīng)用試驗(yàn),為洪水災(zāi)害監(jiān)測提供理論和技術(shù)支撐,對(duì)洪水應(yīng)急監(jiān)測具有指導(dǎo)意義。另外,本研究成果對(duì)于其他突發(fā)災(zāi)害的應(yīng)急調(diào)查、預(yù)警、分析評(píng)估以及決策咨詢等,也具有一定的借鑒意義。

圖2 基于天空地協(xié)同的洪澇災(zāi)害應(yīng)急應(yīng)用體系

3 遙感影像數(shù)據(jù)處理及信息提取

3.1 洪水面積提取

利用覆蓋“21·7”鄭州市洪澇災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的GF-2號(hào)高分辨率衛(wèi)星遙感影像、SA-2號(hào)多光譜衛(wèi)星遙感影像、GF-3號(hào)雷達(dá)衛(wèi)星影像對(duì)整個(gè)災(zāi)害過程進(jìn)行水體信息提取,各遙感影像信息見表2。

對(duì)GF-2號(hào)、SA-2號(hào)和GF-3號(hào)三種數(shù)據(jù)源進(jìn)行影像處理和水體提取,獲取災(zāi)區(qū)的洪水發(fā)展信息。三種數(shù)據(jù)源使用的水體提取方法為面向?qū)ο蠓诸惙ā⑺w指數(shù)法(MNDVI)[8]、閾值分割法[5]。這三種方法已經(jīng)成熟應(yīng)用于多個(gè)研究中,本文不作贅述。

表2 數(shù)據(jù)源的衛(wèi)星參數(shù)

圖3展示了對(duì)7月20日、22日、24日的CF-3號(hào)SAR影像進(jìn)行水體提取的結(jié)果,整體可以看出,7月20日的洪水淹沒范圍較大,7月22日洪水有所消退,24日洪水大面積消退。

圖3 鄭州市水體“21·7”災(zāi)時(shí)洪水淹沒范圍

根據(jù)提取的洪水水體面積,分析和對(duì)比不同日期的洪水淹沒面積,具體結(jié)果見表3。

表3 災(zāi)時(shí)不同日期的淹沒面積統(tǒng)計(jì)

3.2 水深及水量信息提取

a.水深估算。收集覆蓋鄭州市的數(shù)字高程模型(DEM),格網(wǎng)間距為30m。利用洪水淹沒范圍裁剪DEM,并進(jìn)行水深反演[9]。圖4為常莊水庫和尖崗水庫的水深反演結(jié)果。可以看出,尖崗水庫最深處為12m,根據(jù)尖崗水庫管理處人員提供的“21·7”災(zāi)時(shí)數(shù)據(jù),當(dāng)時(shí)水位為153.34m,而數(shù)字高程模型得出的水面高程均值為145m,二者之差近似于兩地高程之差,間接驗(yàn)證了淹沒水深。因此,采取基于數(shù)字高程模型的水深測算方法監(jiān)測洪澇淹沒水深,得到淹沒水深的空間分布,可以了解淹沒情形,獲取災(zāi)情特征,為災(zāi)情評(píng)估奠定一定基礎(chǔ)。

b.水量估算。利用收集的數(shù)字高程模型,結(jié)合洪水淹沒范圍,對(duì)災(zāi)區(qū)周邊的蓄滯洪區(qū)白寺坡、柳圍坡、長虹渠、共渠西、良相坡和小灘坡等區(qū)域進(jìn)行水量估算,具體估算結(jié)果見圖5。可以看出,7月21—30日,相繼啟用良相坡、共渠西、長虹渠、柳圍坡、白寺坡、小灘坡等蓄滯洪區(qū)后,蓄滯洪區(qū)水量上升,而且各自上升的規(guī)律與蓄滯洪區(qū)啟用的時(shí)間和順序(7月22日11時(shí)和23時(shí)分別啟用良相坡、共渠西蓄滯洪區(qū),7月23日2時(shí)和12時(shí)分別啟用長虹渠、柳圍坡蓄滯洪區(qū),7月24日22時(shí)啟用白寺坡蓄滯洪區(qū),7月30日0時(shí)啟用小灘坡蓄滯洪區(qū),7月30日14時(shí),除長虹渠、白寺坡、小灘坡蓄滯洪區(qū)仍在進(jìn)蓄洪水,其他蓄滯洪區(qū)已基本停止進(jìn)洪)相一致。

圖4 常莊水庫和尖崗水庫水深反演空間分布圖

圖5 典型區(qū)域水量反演結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖

3.3 洪澇災(zāi)害災(zāi)前災(zāi)后變化檢測

利用2021年6月9日(災(zāi)前)的FC-3號(hào)影像與2021年7月22日(災(zāi)時(shí))的FC-3號(hào)影像進(jìn)行變化檢測,得到災(zāi)時(shí)淹沒范圍,疊加土地利用信息,分析淹沒范圍內(nèi)土地利用類型[10]。經(jīng)估算,“21·7”鄭州市洪澇災(zāi)害水體淹沒面積約70.5km2。其中,受淹沒的耕地面積約56km2,受淹沒的住宅用地、工礦倉儲(chǔ)用地和城鄉(xiāng)用地面積約22km2。淹沒的住宅用地、工礦倉儲(chǔ)用地和城鄉(xiāng)用地呈點(diǎn)狀零散分布在鄭州城市郊區(qū)及東部地區(qū),耕地主要集中在金水區(qū)、中牟縣、祥符區(qū)交界處。另外,由于受黃河上游降水影響,黃河水位有所上漲,黃河灘區(qū)有大量沙洲和沿岸土地被淹沒。

3.4 專題圖制作

將上述解譯成果進(jìn)行整理,制作洪澇災(zāi)害應(yīng)急專題圖,主要包括洪水淹沒分布圖、洪水與土地利用疊加圖。2021年7月20—28日衛(wèi)河洪水淹沒分布見圖6。

圖6 2021年7月20—28日衛(wèi)河洪水淹沒分布圖

4 分析與總結(jié)

4.1 應(yīng)用分析

a.多源遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析。本文通過對(duì)基于多源遙感數(shù)據(jù)的處理技術(shù)進(jìn)行研究和分析,并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn),得出以下結(jié)論:?水體面積提取方面,對(duì)于天氣晴朗、無云霧的情況,利用高分辨率光學(xué)遙感影像,基于面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行水體提取的結(jié)果較優(yōu),對(duì)于多云霧的天氣,利用雷達(dá)遙感影像,基于灰度閾值法進(jìn)行水體提取的結(jié)果效率較高,但是其精度依賴于閾值的選取;?水深、水量估算方面,估算結(jié)果對(duì)數(shù)字高程模型的依賴性較高,另外,其結(jié)果的準(zhǔn)確性有待提升;?變化檢測方面,利用最大類間方差法對(duì)災(zāi)前災(zāi)后的雷達(dá)衛(wèi)星影像進(jìn)行變化檢測,獲取受災(zāi)位置、面積等信息。

b.應(yīng)用成效分析。本文在總結(jié)梳理多源遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)河南省鄭州市“21·7”洪澇災(zāi)害進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用,主要取得了以下成效:?根據(jù)洪水遙感應(yīng)急監(jiān)測特點(diǎn),充分考慮洪澇災(zāi)害發(fā)生時(shí)的天氣情況,結(jié)合水、雨、工情的發(fā)展變化,多方協(xié)調(diào)并收集衛(wèi)星遙感影像資源,快速及時(shí)地對(duì)遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息解譯,并對(duì)解譯成果進(jìn)行應(yīng)用分析和成果發(fā)布,為洪澇災(zāi)害應(yīng)急防御提供技術(shù)支撐;?通過持續(xù)動(dòng)態(tài)地跟蹤監(jiān)測,獲取鄭州市“21·7”洪澇災(zāi)害的長時(shí)間、大范圍洪水發(fā)展過程遙感監(jiān)測信息,全程記錄了洪水暴發(fā)、發(fā)展、消退的時(shí)空變化過程,為區(qū)域洪澇災(zāi)害防御積累寶貴的水文要素觀測資料。

4.2 結(jié)語

本文針對(duì)洪水應(yīng)急監(jiān)測的需求,對(duì)主流洪災(zāi)遙感監(jiān)測平臺(tái)進(jìn)行了有針對(duì)性的梳理及研究,通過研究明確了各平臺(tái)的特點(diǎn)及關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,提出了洪水天、空、地協(xié)同監(jiān)測體系架構(gòu);同時(shí),針對(duì)多源遙感數(shù)據(jù),開展數(shù)據(jù)配準(zhǔn)分析、監(jiān)測指標(biāo)動(dòng)態(tài)提取等方面的研究,形成從數(shù)據(jù)獲取、分析到監(jiān)測指標(biāo)提取的洪水監(jiān)測全過程的技術(shù)方案,并開展監(jiān)測方案應(yīng)用試驗(yàn),為洪水災(zāi)害監(jiān)測提供理論和技術(shù)支撐,對(duì)洪水應(yīng)急監(jiān)測具有指導(dǎo)意義。另外,本研究成果對(duì)于其他突發(fā)災(zāi)害的應(yīng)急調(diào)查、預(yù)警、分析評(píng)估以及決策咨詢等,也具有一定的借鑒意義。