多源遙感技術在洪水監測中的應用研究

趙 琳 董 端 劉金玉

(中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津 300222)

1 概 述

近年來,全球氣候復雜多變,頻頻發生極端暴雨洪水事件,防洪防澇任務艱巨。20世紀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害此起彼伏,損失嚴重并呈逐步加重趨勢[1]。水是人類賴以生存的重要資源,水資源的均衡對人類具有重要意義,對水量的監測歷來是人們關注的重點。隨著科學技術的發展,人們對水體提取的研究方法在不斷改進和提升。同時,衛星遙感技術的迅猛發展,將人類帶入一個多層、立體、多角度、全方位和全天候對地觀測的新時代[2]。由不同成像機理相互彌補而組成的全球對地觀測系統,能夠準確有效、快速及時地提供多種空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率的對地觀測數據。因此,利用衛星遙感手段可以有效提取水體信息,日益成為水環境監測的研究熱點[3]。

本文將“21·7”河南省鄭州市特大洪水作為試驗研究對象,建立洪水天、空、地協同監測體系架構,基于多源遙感數據的洪水發展全過程監測,利用光學、雷達等影像進行洪水水體范圍提取;利用數字高程模型對洪水水深、水量進行快速估算;利用災前災后的遙感影像進行變化檢測,評估受災情況,從而為洪水調度方案的制定及災后重建的精細化評估提供數據支撐。

2 洪水遙感監測體系

2.1 洪水遙感監測指標

為了有效地監測、評估洪澇災害,必須建立一套能夠描述洪災屬性的統一的指標集。綜合考慮洪災的自然、社會經濟和環境影響三個方面因素,針對遙感監測的實際情況,洪澇災害的遙感監測指標主要包括致災因子和承載體兩方面[4],具體監測指標見圖1。

圖1 洪澇災害遙感監測指標

2.2 多源遙感平臺

洪災不同方面的特性對遙感衛星的技術指標提出了不同的要求。就洪災發生的大尺度而言,需要大幅寬的衛星成像系統;就洪災的突發性和動態性而言,需要具有快速響應的能力、能夠實現高頻次觀測的衛星系統;由于洪災的發生通常會伴隨著惡劣的天氣條件,這樣就需要衛星具有全天候、全天時的監測能力[5];而對于洪災引起的房屋、道路等承災體的損毀,則需要運用米級甚至亞米級的空間辨識能力進行精細化評估[6]。經過多年的發展,全球范圍內的衛星遙感數據資源日益豐富,而且上述各方面的技術水平都顯著提高[7]。針對洪水應急監測的需求,本文對國內外主流衛星平臺進行了梳理及研究,在此基礎上,明確了各平臺的關鍵性技術指標,從而得到了洪災監測衛星平臺及主要參數,見表1。

表1 洪災監測衛星主要參數

2.3 洪澇災害應急應用體系

本文針對洪水應急監測的需求,對主流洪災遙感監測平臺進行了有針對性的梳理及研究,通過研究明確了各平臺的特點及關鍵性技術指標。在此基礎上,提出了洪水天、空、地協同監測體系架構;同時,針對多源遙感數據,開展數據配準分析、監測指標動態提取等方面問題的研究,形成從數據獲取、分析到監測指標提取的洪水監測全過程的技術方案(見圖2),并開展監測方案應用試驗,為洪水災害監測提供理論和技術支撐,對洪水應急監測具有指導意義。另外,本研究成果對于其他突發災害的應急調查、預警、分析評估以及決策咨詢等,也具有一定的借鑒意義。

圖2 基于天空地協同的洪澇災害應急應用體系

3 遙感影像數據處理及信息提取

3.1 洪水面積提取

利用覆蓋“21·7”鄭州市洪澇災害發生區域的GF-2號高分辨率衛星遙感影像、SA-2號多光譜衛星遙感影像、GF-3號雷達衛星影像對整個災害過程進行水體信息提取,各遙感影像信息見表2。

對GF-2號、SA-2號和GF-3號三種數據源進行影像處理和水體提取,獲取災區的洪水發展信息。三種數據源使用的水體提取方法為面向對象分類法、水體指數法(MNDVI)[8]、閾值分割法[5]。這三種方法已經成熟應用于多個研究中,本文不作贅述。

表2 數據源的衛星參數

圖3展示了對7月20日、22日、24日的CF-3號SAR影像進行水體提取的結果,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”災時洪水淹沒范圍

根據提取的洪水水體面積,分析和對比不同日期的洪水淹沒面積,具體結果見表3。

表3 災時不同日期的淹沒面積統計

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字高程模型(DEM),格網間距為30m。利用洪水淹沒范圍裁剪DEM,并進行水深反演[9]。圖4為常莊水庫和尖崗水庫的水深反演結果。可以看出,尖崗水庫最深處為12m,根據尖崗水庫管理處人員提供的“21·7”災時數據,當時水位為153.34m,而數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,間接驗證了淹沒水深。因此,采取基于數字高程模型的水深測算方法監測洪澇淹沒水深,得到淹沒水深的空間分布,可以了解淹沒情形,獲取災情特征,為災情評估奠定一定基礎。

b.水量估算。利用收集的數字高程模型,結合洪水淹沒范圍,對災區周邊的蓄滯洪區白寺坡、柳圍坡、長虹渠、共渠西、良相坡和小灘坡等區域進行水量估算,具體估算結果見圖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、小灘坡等蓄滯洪區后,蓄滯洪區水量上升,而且各自上升的規律與蓄滯洪區啟用的時間和順序(7月22日11時和23時分別啟用良相坡、共渠西蓄滯洪區,7月23日2時和12時分別啟用長虹渠、柳圍坡蓄滯洪區,7月24日22時啟用白寺坡蓄滯洪區,7月30日0時啟用小灘坡蓄滯洪區,7月30日14時,除長虹渠、白寺坡、小灘坡蓄滯洪區仍在進蓄洪水,其他蓄滯洪區已基本停止進洪)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 典型區域水量反演結果統計圖

3.3 洪澇災害災前災后變化檢測

利用2021年6月9日(災前)的FC-3號影像與2021年7月22日(災時)的FC-3號影像進行變化檢測,得到災時淹沒范圍,疊加土地利用信息,分析淹沒范圍內土地利用類型[10]。經估算,“21·7”鄭州市洪澇災害水體淹沒面積約70.5km2。其中,受淹沒的耕地面積約56km2,受淹沒的住宅用地、工礦倉儲用地和城鄉用地面積約22km2。淹沒的住宅用地、工礦倉儲用地和城鄉用地呈點狀零散分布在鄭州城市郊區及東部地區,耕地主要集中在金水區、中牟縣、祥符區交界處。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

將上述解譯成果進行整理,制作洪澇災害應急專題圖,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日衛河洪水淹沒分布見圖6。

圖6 2021年7月20—28日衛河洪水淹沒分布圖

4 分析與總結

4.1 應用分析

a.多源遙感數據處理技術分析。本文通過對基于多源遙感數據的處理技術進行研究和分析,并進行相應的數據處理實驗,得出以下結論:?水體面積提取方面,對于天氣晴朗、無云霧的情況,利用高分辨率光學遙感影像,基于面向對象的方法進行水體提取的結果較優,對于多云霧的天氣,利用雷達遙感影像,基于灰度閾值法進行水體提取的結果效率較高,但是其精度依賴于閾值的選取;?水深、水量估算方面,估算結果對數字高程模型的依賴性較高,另外,其結果的準確性有待提升;?變化檢測方面,利用最大類間方差法對災前災后的雷達衛星影像進行變化檢測,獲取受災位置、面積等信息。

b.應用成效分析。本文在總結梳理多源遙感數據處理技術的基礎上,對河南省鄭州市“21·7”洪澇災害進行試驗應用,主要取得了以下成效:?根據洪水遙感應急監測特點,充分考慮洪澇災害發生時的天氣情況,結合水、雨、工情的發展變化,多方協調并收集衛星遙感影像資源,快速及時地對遙感影像進行數據處理和信息解譯,并對解譯成果進行應用分析和成果發布,為洪澇災害應急防御提供技術支撐;?通過持續動態地跟蹤監測,獲取鄭州市“21·7”洪澇災害的長時間、大范圍洪水發展過程遙感監測信息,全程記錄了洪水暴發、發展、消退的時空變化過程,為區域洪澇災害防御積累寶貴的水文要素觀測資料。

4.2 結語

本文針對洪水應急監測的需求,對主流洪災遙感監測平臺進行了有針對性的梳理及研究,通過研究明確了各平臺的特點及關鍵性技術指標。在此基礎上,提出了洪水天、空、地協同監測體系架構;同時,針對多源遙感數據,開展數據配準分析、監測指標動態提取等方面的研究,形成從數據獲取、分析到監測指標提取的洪水監測全過程的技術方案,并開展監測方案應用試驗,為洪水災害監測提供理論和技術支撐,對洪水應急監測具有指導意義。另外,本研究成果對于其他突發災害的應急調查、預警、分析評估以及決策咨詢等,也具有一定的借鑒意義。