四湖地區暴雨后澇漬害遙感空間分析

摘要：通過分析降雨前后ENVISAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P數據，總結出運用ENVISAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P數據反演四湖地區澇漬害的指標，即澇害的反演指標為降水前后向散射系數介于０．１２～０．２５且降水前后向散射系數大于降水后后向散射系數，漬害的反演指標為降水前后向散射系數介于０．１２～０．２５且降水后的后向散射系數較降水前的后向散射系數高０．３０。并運用指標計算出２０１０年７月８~１１日暴雨過后四湖地區澇漬害空間分布，通過利用高分辨率ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１數據對局部地區分析比較表明反演指標能真實反映澇漬害現狀。

關鍵詞：ENVISAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P數據；澇漬害；遙感反演

中圖分類號：Ｓ１２７獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）10－1980-04

Ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｓｐａｔｉａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｉｎｖｅｒｓｅｄ ｂｙ Ｒｅｍｏｔｅ Sensing ａｆｔｅｒ Ｒａｉｎｓｔｏｒｍ

ｉｎ Ｓｉｈｕ Ｒｅｇｉｏｎ

ＸＩＯＮＧ Ｑｉｎ－ｘｕｅ１，２

（１． Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ＆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｏｎｏｍｙ， Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｊｉｎｇｚｈｏｕ ４３４０２５， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ENVISAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P ｄａｔａ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ ａｎｄ ｐｏｓｔ rａｉｎｓｔｏｒｍ， ｔｈｅ ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｒｅｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎｄｅｘｅｓ ｏｆ Ｓｉhｕ rｅｇｉｏｎ ｗere ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ， Ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｆｌｏｏｄ ｉｎｊｕｒｙ ｗａｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖａｌｕｅ ａｔ ｐｒe and post ｒａｉｎｓｔｏｒｍ ｗａｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ０．１２～０．２５， ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖａｌｕｅ ａｔ ｐｒe-ｒａｉｎｓｔｏｒｍ ｗａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｐｏｓｔ－ｒａｉｎｓｔｏｒｍ； ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ ｗａｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖａｌｕｅ ａｔ ｐre and post ｒａｉｎｓｔｏｒｍ ｗａｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ０．１２～０．２５， ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｔ ｐｏｓｔ rａｉｎｓｔｏｒｍ ｍｕｓｔ ｂｅ ０．３0 ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｐｒｅ． Ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒ ａｆｔｅｒ ｒａｉｎｓｔｏｒｍ （ｆｒｏｍ Ｊｕｌｙ ７， ２０１０ ｔｏ Ｊｕｌｙ １１， ２０１０） ｉｎ Ｓｉｈｕ ｒｅｇｉｏｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｉｎｄｅｘｅｓ， ｔｈｅｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ＨＪ-1-A-CCD1 ｄａｔａ， ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｓｅ ｒｅｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎｄｅｘｅｓ ｗｅｒｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ENVISAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P dａｔａ； ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒ； ｒｅｍｏｔｅ ｓensing ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ

澇漬害是指地表長期滯水或遭受地下水浸漬， 還原作用強烈，土壤層理化性狀惡化，水、熱、氣和養分失調，影響作物生長或危及作物存活而產生的一種災害［１］。四湖平原是湖北省最大的糧棉產區，也是澇漬害危害最為嚴重的地區，四湖地區產生澇漬害主要成因為地勢低洼，降水后積水排不出去［２］，因此了解降水后澇漬害的空間分布能掌握澇漬害的發生過程與特點，為治理澇漬地和減災防災提供科學依據。降水后澇漬害空間監測最快捷、最有效的方法是利用遙感數據進行分析，而降水往往會伴隨著大量云層的出現，常規的以可見光為主的被動遙感數據反映不了地面真實狀況。微波遙感具有全天時、全天候、多極化和對植被及土壤有一定的穿透能力等特點，其原理是土壤對微波后向散射的主要影響因子為土壤的介電常數，而土壤的介電特性明顯地依賴于土壤的水分變化，所以當土壤中含水量很高時，微波后向散射系數高，反之土壤干旱時，微波后向散射系數很低，但當地面出現明顯的地表水時，微波后向散射系數會因發生鏡面反射而減小，這些水分影響微波后向散射系數的特點使之成為反演澇漬害最為精確的方法。

２０１０年７月８~１１日，四湖地區普降１００ ｍｍ以上的暴雨，圖１是利用湖北省氣象局自動雨量站獲取的２０１０年７月８~１１日降雨量經Ｋｒｉｇｉｎｇ插值后得到的四湖地區降水空間分布圖，雨量從西到東、從北至南增加，洪湖降雨量甚至超過２５０ ｍｍ，許多地方被淹，四湖地區出現大面積的澇漬區。研究擬通過分析比較降雨前后ＥＮＶＩSAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P數據變化特點，監測澇漬害的面積，并分析澇漬害的成因，為科學治理澇漬害提供基礎數據。

１研究區概況與遙感數據介紹

１．１研究區概況

四湖地區南枕長江，北濱漢水——東荊河，東至東荊河入長江的新灘口，西北大致以漳河水庫總干渠、三干渠為界。境內大小湖泊星羅棋布，各級干支流縱橫交錯，水網密集。域內包括荊州市區、監利縣和洪湖市全境以及荊門、潛江、石首市的部分地區，總面積約為１２ ０００ ｋｍ２。該區位于江漢平原沉降帶的低洼地區，地勢相對平坦，河湖密布，垸田眾多。構造格局為西北—東南向，區內地勢西北高、東南低，自西北向東南傾斜。南北為呈條帶狀的沿江（河）高亢平原，沿江（河）高地之間為一巨大的河間槽形洼地。地貌類型可分為低丘陵、崗地、平原三大類，丘陵、崗地占１８％，分布在地勢較高的西北部（四湖上區部分），海拔４０～１２０ ｍ，中部及東南部為平原湖區，占地面積８２％，海拔２０～３５ ｍ，由盆形的湖泊和湖垸組成，是江漢平原有名的“水袋子”［３，４］，“水高田低，雨汛同期，氣候多變，地勢各異”導致的澇漬害及低溫冷害頻繁，澇漬害尤為嚴重。據統計［３］，與同類地區豐產田相比，澇漬低產田單產水稻低３０％～５０％、油菜低４０％～６０％、大小麥低５０％～７０％，災害嚴重的年份甚至絕收，成為阻礙本地區農業持續穩定發展的主要限制因子。

１．２ＥＮＶＩＳＡＴ ＡＳＡＲ ＩＭＭ＿１Ｐ數據介紹

環境衛星（ＥＮＶＩＳＡＴ）是歐空局２００２年３月１日發射的一顆與太陽同步的極軌衛星，可以提供關于大氣、海洋、陸地和冰的測量信息及對環境、氣候變化進行監測。ＥＮＶＩＳＡＴ 上搭載的ＡＳＡＲ（Ａｄｖａｎｃｅｄ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｒａｄａｒ） 傳感器運行波長為５．６ ｃｍ，頻率５．３ＧＨｚ（Ｃ波段）。ＡＳＡＲ所有工作模式（Ｉｍａｇｅ模式、Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ模式、Ｗｉｄｅ ｓｗａｔｈ模式、Ｇｌｏｂａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ模式和Ｗａｖｅ模式共５種） 在發射和接收時都可以選擇Ｈ或者Ｖ極化（相應得到ＨＨ或ＶＶ極化圖像）。ＥＮＶＩSAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ＿１Ｐ （ＥＮＶＩSAT ＡＳＡＲ Ｉｍａｇｅ ｍｏｄｅ ｍｅｄｉｕｍ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ）數據為Ｉｍａｇｅ模式１Ｐ產品，盡管其空間分辨率（１５０ ｍ）比ＥＮＶＩSAT ＡＳＡＲ ＩＭＰ低，但輻射分辨率很高，產品像元尺寸為７５ ｍ，是進行土壤澇漬害反演的理想產品［５］。

１．３ＨＪ－１-Ａ／ＨＪ－１-Ｂ數據介紹

環境與災害監測預報小衛星ＨＪ－１-Ａ/ＨＪ－１-Ｂ衛星于２００８年９月６日１１∶２５成功發射，ＨＪ－１－Ａ衛星搭載了ＣＣＤ相機和超光譜成像儀（ＨＳＩ），ＨＪ－１－Ｂ衛星搭載了ＣＣＤ相機和紅外相機（ＩＲＳ）。在ＨＪ－１－Ａ衛星和ＨＪ－１－Ｂ衛星上均裝載的兩臺ＣＣＤ相機設計原理完全相同，以衛星下點對稱放置，平分視場、并行觀測，聯合完成對地刈幅寬度為７００ｋｍ、地面像元分辨率為３０ ｍ、４個譜段的推掃成像，ＨＪ－１－Ａ衛星和ＨＪ－１－Ｂ衛星的軌道完全相同，相位相差１８０°，兩臺ＣＣＤ相機組網后重訪周期僅為２ ｄ。

２遙感數據預處理

２．１ＥＮＶＩＳＡＴ ＡＳＡＲ ＩＭＭ＿１Ｐ數據預處理

使用２０１０年７月５日、７月８日、７月１１日３ｄ的ＥＮＶＩＳＡＴ ＡＳＡＲ ＩＭＭ＿１Ｐ（以下簡稱ASAR IMM）數據，從歐空局的網站（ｈｔｔｐｓ：／／ｏａ－ｅｓ．ｅｏ．ｅｓａ．ｉｎｔ）上下載（作者參加了歐空局的Ｃａｔｅｇｏｒｙ １ ｕｓｅ計劃），處理軟件為ＮＥＳＴ ３Ｃ（Ｔｈｅ nｅｘｔ ＥＳＡ ＳＡＲ tｏｏｌｂｏｘ），首先運用軟件中的Ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ功能進行輻射校正，計算每個柵格點的后向散射系數［公式（１）］和后向散射系數入射角校正［公式（２）］，然后利用Ｓｐｅｃｋｌｅ ｆｉｌｔｅｒ功能進行斑點噪音濾波，最后利用Ｇｅｏｍｅｔｒｙ進行幾何校正，校正后的數據導出為ＧＥＯＴＩＦ格式在ＥＮＶＩ軟件中進行幾何精校正。

式中，γ０——入射角校正后的后向散射系數

將７月５日、８日數據融合作為降雨前的ASAR ＩＭＭ數據，１１日數據作為降雨后的ASAR ＩＭＭ數據

２．２ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１數據處理

為驗證反演結果，從中國資源衛星網站上下載２０１０年６月３０日、７月１６日二景ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１數據，在ＥＮＶＩ軟件中進行輻射計算、大氣校正和幾何精校正后，將４號、２號、１號波段設置成紅、綠、藍，形成偽彩色圖，得到降水前后兩景地面真實現狀圖。

３結果與分析

３．１澇漬害反演指標的確定

將四湖地區土地利用現狀圖與降水前微波數據（７月５日、７月８日合成的ＡＳＡＲ ＩＭＭ數據）、降水后的微波數據（７月１１日ＡＳＡＲ ＩＭＭ數據）比較分析可知，正常情況下（降水前）ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系數小于０．１２的地區為水域或者人工漁池，主要是因為微波在水面發生鏡面反射的結果造成后向散射系數很小，水田盡管也有水，但水稻株高普遍大于２０ ｃｍ，ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系數為水稻植株與水面共同反射的結果，后向散射系數也在０．１２～０．２５，其他地物后向散射系數遠高于０．２５，降水后，如果地面出現徑流，ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系數因水面鏡面反射的作用會較降水前更低，因此確定澇害（地表水出現徑流）的指標為降水前后向散射系數介于０．１２～０．２５且降水前后向散射系數大于降水后后向散射系數。滿足上述條件的地方說明土壤表面有明顯的地表水。

漬害為土壤中的水分過多（超過田間持水量８０％以上）造成的，在沒有明顯地表水的情況下，土壤中水分含量越多，微波后向散射系數越大，因此在ＡＳＡＲ ＩＭＭ中降水前的后向散射系數明顯小于降水后的后向散射系數，確定漬害的反演指標為降水前后向散射系數介于０．１２～０．２５且降水后的后向散射系數較降水前的后向散射系數高０．３０。

運用７月５日、７月８日合成的ＡＳＡＲ ＩＭＭ數據作為降水前微波數據、７月１１日ＡＳＡＲ ＩＭＭ數據作為降水后微波數據，將上述反演指標變成ＩＤＬ語言代入ＥＮＶＩ軟件中，得到四湖地區澇漬害空間分布如圖２。

３．２澇漬害反演結果的驗證

運用與降水前后相距最近的二景無云的ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１數據（２０１０年６月３０日、７月１６日）驗證澇漬害反演結果的正確性，７月為長江主汛期，長江主要干渠的水位普遍高于農田高程，因此，只能通過電排方式排水，加上后期降水持續不斷，澇漬減少不明顯，可以將７月１６日地面狀況看作降水后的澇漬分布狀況，由于７月１６日ＨＪ－１Ａ－ＣＣＤ１數據大部分為云層遮蓋，因此選取監利縣朱河鎮無云地區作為結果驗證區，圖３為降雨前后監利縣朱河鎮合成偽彩色圖、ＡＳＡＲ ＩＭＭ數據圖和結果圖。

圖３a中的等值線是由圖３b數據生成的，等值線包含的區域其ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系數均小于０．１２。由圖３a可以看出，等值線的空間分布與水域的邊界空間分布相似，說明用０．１２作為農作物與水域劃分的閥門值是比較準確的，而降雨過后，由于地面有明顯地表水的聚集，農田被雨水淹沒，原來是農田的地方其ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系數小于０．１２，使得等值線明顯增大（圖３c），圖３c中的等值線是由圖３d數據生成的，它反映降水后監利縣朱河鎮ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系數的空間變化，由圖３c可知其ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系數小于０．１２區域明顯增加，而且與ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１據顯示的偽彩色圖中淺藍色部分反映的界線是一樣的；圖３e中黃色部分為根據澇害指標計算出受害區域，這剔除了原來水域的地方，而與ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１數據顯示的偽彩色圖中看到的受害區域相似，說明遙感反演指標還是很準確的。由于只有三景ＡＳＡＲ ＩＭＭ數據，只能反演四湖地區一部分澇漬害的空間分布（洪湖、江陵、荊州區、荊門的一部分、監利、潛江全部），從圖２反演的結果可以看出，四湖地區上部澇漬害很少，而中部則主要受漬害的影響而四湖地區下部主要以澇害為主，這與四湖地區澇漬害空間分布特點是相符合的［１］。

４結論與討論

微波遙感的全天候特點（因為不受云層的影響）、土壤水分敏感等特點成為反演澇漬害的理想工具。研究提出了ＡＳＡＲ ＩＭＭ數據反演澇漬害的指標，即澇害的指標為降水前后向散射系數介于０．１２～０．２５且降水前后向散射系數大于降水后后向散射系數；漬害的反演指標為降水前后向散射系數介于０．１２～０．２５且降水后的后向散射系數較降水前的后向散射系數高０．３０。通過利用高分辨率ＨＪ－１-Ａ－ＣＣＤ１數據分析比較表明反演指標還是比較準確的。

影響ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系數除了與土壤水分有關以外，還與農作物株高和葉面積系數有關，如何在反演指標中考慮農作物株高和葉面積系數的影響是將來澇漬害反演研究的重點。

參考文獻：

［１］ 朱建強． 易澇易漬農田排水應用基礎研究［Ｍ］． 北京：科學出版社，２００７．

［２］ 徐瑞瑚，楊禮茂． 江漢平原漬害田機理與地下排水治漬［Ｊ］． 地域研究與開發，１９９５，１４（４）：６１－６６．

［３］ 蔡述明，王學雷，黃進良，等．江漢平原四湖地區區域開發與農業持續發展［Ｍ］． 北京：科學出版社，１９９６． ２８－６４．

［４］ 李勁峰，李蓉蓉，李仁東． 四湖地區湖泊水域萎縮及其洪澇災害研究［Ｊ］． 長江流域資源與環境，２０００，９（２）：２６５－２６８．

［５］ ＨＯＬＡＨ Ｎ，ＢＡＧＨＤＡＤＩ Ｎ，ＺＲＩＢＩ Ｍ，ｅｔ ａｌ． Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ＡＳＡＲ／ＥＮＶＩＳＡＴ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｖｅｒ ｂａｒｅ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｆｉｅｌｄｓ［Ｊ］． Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ oｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ２００５，９６（１）：７８－８６．

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文