哨兵一號SAR數據在鄱陽湖洪澇災害監測中的應用

文 | 呂素娜 薛思涵 謝婷 胡利平 耿旭樸

1. 廈門大學 近海海洋環境科學國家重點實驗 2. 海洋遙感大數據福建省高校工程研究中心3. 廈門大學 海洋與地球學院 4. 北京環境特性研究所

一、前言

我國是一個洪澇災害頻發的國家，洪澇災害的發生具有多發性、廣泛性和突發性等特點，影響人們的生命安全和國家的經濟發展，因此需要持續監控和管理，以降低洪澇災害帶來的損失。

衛星遙感監測技術覆蓋面積廣、周期短且時效性強，可為洪澇災害防治提供依據。光學數據和微波遙感數據均可應用于洪災的遙感監測中，但考慮到受災地區常伴有復雜的天氣條件，減災救災具有時效性的要求，因此微波遙感數據尤為適合災情監測。在微波遙感領域，星載合成孔徑雷達（SAR）不僅可以進行全天時、全天候監測，且監測時不受天氣條件影響。其中，哨兵一號作為歐洲航天局（ESA）“哥白尼計劃”的地球觀測衛星，由A、B兩顆星組成，不僅能提供高分辨率遙感影像，且數據可免費獲取，多種優勢相結合，非常有利于災害監測。

圩堤作為防洪排澇的筑堤，保護著地勢低洼區，潰堤決口是造成村莊內澇的一個重要原因，評估圩堤潰堤情況對監測洪澇災害具有重要意義。因此，本文基于哨兵一號的SAR影像數據，首先利用變化檢測方法提取受災嚴重的鄱陽湖及周圍區域的水體淹沒信息，分析鄱陽湖的湖體變化，之后監測洪災下三個圩堤漫堤險情，評估鄱陽縣昌洲鄉和永修縣三角鄉的受災程度。

二、研究區域與數據源

1.研究區域

鄱陽湖位于江西省北部，長江中下游南岸，呈狹長狀，是我國最大的淡水湖（圖1）。

圖1 研究區域位置

鄱陽湖匯聚贛江、撫河、信江、饒河和修河五條河流及各級支流，北端與長江相連，并設有水文站對鄱陽湖及周圍水體的水流交互進行監測。由于鄱陽湖的補給支流處于東亞季風區，降水主要集中在夏季，因此每年7-9月為鄱陽湖豐水期，湖內面積漲幅較大，易導致洪澇災害頻發，增加防洪壓力。

2020年7月以來，江西省出現持續強降雨天氣，多日暴雨加上安徽、景德鎮等上游地區降雨及水庫泄洪的影響，導致鄱陽湖水位突破1998年歷史極值，湖體面積迅速擴大。此次洪災還導致多個縣鄉出現漫堤險情，7月8日、9日和12日鄱陽縣昌洲鄉的問桂道圩、中洲圩與永修縣三角鄉的三角聯圩相繼潰堤，造成昌洲鄉和三角鄉多個村莊受災，上萬畝良田被淹。

2.數據源及預處理

本文所使用的數據為哨兵一號B星（Sentinel-1B）地距（GRD）影像，成像方式為干涉寬幅模式（IW），極化方式為VV極化。其中2020年7月2日為災前影像，7月14日為災后影像。利用ESA開發的SNAP7.0軟件對雷達圖像做預處理，包括圖像裁剪、輻射定標、濾波、地形校正和對數轉換等，獲得具有地理坐標的SAR影像，圖2為監測區域預處理前后的對比圖，圖中黑色區域的后向散射系數低，表示粗糙度低的區域，例如水體。

圖2 哨兵一號圖像預處理前（a）后（b）對比

三、研究方法

本研究采用變化檢測方法（CDAT），該方法是由Long等于2014年提出的水體提取方法。此方法易操作，可快速提取水體淹沒區，應用于季節性洪水監測時效果更好。圖3為洪水監測數據處理流程圖。方法原理如下：

圖3 洪水監測數據處理流程圖

監測災情前首先要確定參考圖像，即災前的SAR影像，參考影像的選取會影響水體提取結果。一般選擇離洪災發生較近的影像作為參考圖像，這樣可以排除季節變化帶來的影響。

1.波段運算

經過圖像預處理后得到的災后影像（F）和災前影像（R）進行相減的波段運算，得到差異圖 （D）：

D = |float(F)| - |float(R)| （1）

由于水體的后向散射系數較小，在SAR影像中易呈現黑色，因此若災后為水體，災前為非水體，該區域差異圖的數值小于差異圖的均值，呈現黑色，即為新增水體。而若災前和災后兩幅影像均為水體的區域，在差異圖中接近于其均值，表現為灰白色，表示水體范圍未發生變化。

2.閾值分割

山體坡面反射的信號在SAR影像中呈現不同的亮度，易導致部分山體被誤認為是淹水區域，影響雷達影像對水體信息的提取。因此在提取水體信息之前，需對差異圖的像素進行掩膜處理。利用數字高程模型（DEM）生成坡度圖，提取坡度大于3°的較高地勢區域，建立掩膜文件，以去除虛假淹水信息。

利用式2確定水體分割閾值：

其中，P為洪災水體的分割閾值，lmean為差異圖像素的均值，lstdev為差異圖像素的方差值，K值定為1.5。

最后，利用SNAP軟件對經過坡度過濾的SAR圖像做閾值分割，得到的結果即為淹水信息。更多具體的方法原理詳見Long等文章。

四、結果

1.洪水淹沒范圍

利用變化檢測方法提取了監測區的洪水淹沒范圍，結合GIS軟件添加地理位置信息，獲得各縣淹水面積的空間分布情況（圖4）。可以看到鄱陽湖及附近區域有大量淹沒水體，湖東西兩側洪水泛濫嚴重，擴充水體多集中在五大河流入湖口處，并且上饒市鄱陽縣、九江市永修縣和南昌市新建區三個區縣水體增加尤為明顯，淹水面積均超過200km。據統計，監測區水域面積較7月2日擴大1184.41km。

圖4 鄱陽湖及周圍水體變化結果

2.圩堤潰堤狀況

圩堤通過防洪排澇保護著一方水土，圩堤一旦潰堤，大量洪水會涌入村莊，造成嚴重洪澇災害。SAR影像中可觀察圩堤潰堤情況，如圖5所示，由于問桂道圩已于7月13日順利合龍，因此在7月14日的災后SAR影像中未看到潰堤決口。而7月14日中洲圩還未合龍，表現在SAR圖像中為明顯的一段決口，問桂道圩和中洲圩的相繼潰堤致昌洲鄉全鄉被淹，附近鄉鎮也一片汪洋，受災面積約37km。同樣，三角聯圩也存在決口（圖6 a），實際災情調查結果顯示中洲圩潰口長為188m，三角聯圩潰口長約100余米。本文利用SNAP軟件測量潰口長度，結果顯示中洲圩潰口長約170m，三角聯圩潰口長約105m，與實際潰堤情況基本一致，說明哨兵一號在監測圩堤潰堤程度上具有巨大潛力。

圖5 鄱陽縣問桂道圩和中洲圩潰堤前（a）后（b）對比

圖6 永修縣三角聯圩潰堤前（a）后（b）情況對比

三角聯圩漫堤后洪水迅速涌入三角鄉，幾乎淹沒所有村莊和耕地，淹水面積約為45 km。根據三角鄉政府通報，圩堤潰堤后，三角鄉內澇面積達53km。由于監測結果是在中洲圩潰堤兩天后獲得的，此時洪水已退去少許，因此淹水面積小于官方數據也在合理范圍之內，可以證明哨兵一號監測提取的水體信息有效、快速。

五、結束語

本文利用哨兵一號影像數據對2020年7月鄱陽湖及周圍水域洪災情況進行監測。結論如下：①變化檢測方法原理簡單、易操作，可以快速提取水體淹沒信息。②經過災情評估發現鄱陽湖及周圍區域受災嚴重，受災面積多達1184.41km。其中上饒市鄱陽縣、九江市永修縣和南昌市新建區三個區縣受災最為嚴重，受淹面積均超過200km。③SAR影像中可以清晰看到潰堤決口，中洲圩和三角聯圩潰口長度分別為180m和105m。鄱陽縣昌洲鄉的問桂道圩、中洲圩與永修縣三角鄉的三角聯圩相繼潰堤導致昌洲鄉和三角鄉村莊幾乎全部被淹，淹水面積分別為37km和45km。結果證明，基于哨兵一號評估的災情信息準確、有效，已成為應急管理部門關鍵的信息來源，在洪澇災害監測中具有巨大潛力。