文|李小濤 湛南渝,2 路京選 李琳 曲偉 雷添杰

1.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心/中國水利水電科學研究院 2.電子科技大學

一、引言

洪水災害是發(fā)生頻率比較高的自然災害，給人們的生命和財產安全帶來了嚴重的損害。以2018年為例，我國共出現(xiàn)39次強降水天氣過程，全國3526.2萬人次受災，直接經濟損失1060.5億元[1]。作為非工程措施的遙感技術手段在近年來的重大洪澇災害事件處理中發(fā)揮了重要的作用。實時高效的遙感數(shù)據獲取是洪澇災害遙感監(jiān)測的前提和保障。“哨兵”（Sentinel）系列衛(wèi)星由歐洲航天局（ESA）研制發(fā)射，其觀測目標涉及大氣、陸地和海洋等，研究其在洪澇災害監(jiān)測中的應用對于我國的洪澇災害遙感監(jiān)測具有重要的意義。

二、“哨兵”系列衛(wèi)星數(shù)據介紹

“哨兵”系列衛(wèi)星是歐洲“哥白尼”（Copernicus）計劃空間部分（GSC）的專用衛(wèi)星系列，目前共有7顆 衛(wèi) 星（Sentinel-1A/B, Sentinel-2A/B, Sentinel-3A/B, Sentinel-5P）發(fā)射成功后在軌運行。歐洲航天局目前已經免費公開了Sentinel-1-3的數(shù)據。[2]

1.Sentinel-1衛(wèi)星

Sentinel-1衛(wèi)星是高分辨率合成孔徑雷達衛(wèi)星（C頻段），由兩顆衛(wèi)星組成（1A 衛(wèi)星2014年成功發(fā)射，1B 衛(wèi)星2016年成功發(fā)射），采用太陽同步軌道，軌道高度693km，軌道周期99min，重訪周期12天。中心頻率為5.405GHz，帶寬0～100MHz， 有4種成像模式：條帶模式（SM）、干涉測量寬幅模式（IW）、超寬幅模式（EWS）、波模式（WV）。

2.Sentinel-2衛(wèi)星

Sentinel-2衛(wèi)星是高分辨率多光譜成像衛(wèi)星，由兩顆衛(wèi)星組成（2A衛(wèi)星 2015年成功發(fā)射，2B 衛(wèi)星2017年成功發(fā)射），主要用于包括陸地植被、土壤以及水資源、內河水道和沿海區(qū)在內的全球陸地觀測。該衛(wèi)星具有高分辨率和高重訪率。主要有效載荷是多光譜成像儀（MSI），工作譜段為可見光、近紅外和短波紅外，地面分辨率分別為10m、20m和60m，多光譜圖像的幅寬為290km，每10天更新一次全球陸地表面成像數(shù)據，每個軌道周期的平均觀測時間為16.3min，峰值為31min。

3.Sentinel-3衛(wèi)星

Sentinel-3是一個極軌、多傳感器衛(wèi)星，搭載的傳感器主要包括光學儀器和地形學儀器，光學儀器包括海洋和陸地彩色成像光譜儀（OLCI）、海洋和陸地表面溫度輻射計（SLSTR）；地形學儀器包括合成孔徑雷達高度計（SRAL）、微波輻射計（MWR）和精確定軌（POD）系統(tǒng)。Sentinel-3A 衛(wèi)星和Sentinel-3B衛(wèi)星 分別于2015年和2017年成功發(fā)射,能夠實現(xiàn)海洋重訪周期小于3.8天，陸地重訪周期小于1.4天。Sentinel-3衛(wèi)星主要用于高精度測量海面地形、海面和地表溫度、海洋水色和土壤特性測量，還支持海洋預報系統(tǒng)及環(huán)境與氣候監(jiān)測[3]。

三、面向洪澇監(jiān)測業(yè)務的“哨兵”數(shù)據特點分析

1.多星協(xié)同，觀測頻次高

以Sentinel-1和Sentinel-2數(shù)據為例，Sentinel-1A和Sentinel-1B兩顆雷達衛(wèi)星同時運行，對同一地區(qū)的觀測效率為6天。而Sentinel-2A和2B，同時運行重訪周期小于5天。因此，Sentinel-1和Sentinel-2協(xié)同觀測，可以獲取大范圍、高重訪周期的數(shù)據。這些高分辨率觀測數(shù)據，可提供洪澇災害整個過程的災情監(jiān)測信息。

2.幅寬大，空間分辨率高

Sentinel-1衛(wèi)星有多種成像模式，空間分辨率最高可達5m，影像幅寬400km。 Sentinel-2A衛(wèi)星攜帶一枚多光譜成像儀，可覆蓋13個光譜波段，幅寬達290km[1]。其在近紅外（B8）、紅（B4）、綠（B3）、藍（B2）四個光學波段空間分辨率高達10m。這些特點對于洪澇災害遙感監(jiān)測任務非常適合。

3.免費共享，實時下載

“哨兵”系列衛(wèi)星研制期間，歐洲航天局就制定了“全面、公開獲取”原則的數(shù)據政策。目前已發(fā)射并成功在軌運行的衛(wèi)星中，已經免費公開了Sentinel-1—3的數(shù)據，尤其是Sentinel-1數(shù)據，它是全球首個向外界開放、免費的雷達數(shù)據。

四、基于“哨兵”數(shù)據的洪澇災害監(jiān)測系統(tǒng)構建和應用

1.系統(tǒng)構建

根據洪澇災害應急監(jiān)測的需求，基于“哨兵”數(shù)據（主要是Sentinel-1雷達數(shù)據），開發(fā)了可實時獲取的遙感影像數(shù)據，自動進行數(shù)據輻射校正、幾何校正、圖像增強和圖像計算融合等遙感圖像處理功能的洪澇災害監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)基本功能如下：

（1）“哨兵”數(shù)據的檢索與下載

由于衛(wèi)星數(shù)據更新滯后于實時洪澇災害，需要設定數(shù)據檢索和更新的規(guī)則，根據設定的數(shù)據需求規(guī)則，實現(xiàn)災害區(qū)域“哨兵”衛(wèi)星數(shù)據的檢索和下載。

（2）輻射定標

輻射定標校正了散射區(qū)域、雷達天線增益和方位向傳輸損失等因素的影響，實現(xiàn)了圖像與地物后向散射關系轉換。

（3）聲貝轉換

由于后向散射系數(shù)數(shù)值范圍差異太大，可將后向散射系數(shù)通過類似聲貝（dB）轉換方法轉換處理，轉換后的數(shù)值范圍可控。

（4）正射校正

由于合成孔徑雷達（SAR）側視成像的特點，地形起伏會對SAR影像造成很大的幾何畸變，導致透視收縮、迭掩、陰影等現(xiàn)象，需要對雷達圖像進行正射校正。對SAR圖像受到透視收縮、定點位移、陰影和疊掩的影響，系統(tǒng)實現(xiàn)了SAR圖像正射校正，改進了以上因素造成的畸變。

（5）圖像濾波

斑點噪聲是由電磁波的相干現(xiàn)象所導致，屬于乘性噪聲，是不可避免的。采用卷積空間濾波降低斑點噪聲的影響。

（6）波段計算與融合

波段計算和融合功能主要實現(xiàn)多極化雷達圖像的波段計算，生成RGB組合的三波段圖像。

（7）洪澇淹沒區(qū)域提取和分析

為進行圖像的水體淹沒區(qū)域提取，需要對圖像進行分析。雷達影像的水體提取，主要是基于微波范圍內水體較低的后向散射特性來進行識別，閾值法常常被用在雷達影像的水體提取上。對于Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據，適宜利用雙峰法和最大類間方差法來確定最優(yōu)閾值[3]。結合水體提取模型提取的災后水體區(qū)域和災前本底水體，進行洪水區(qū)域水體計算，提取洪水淹沒區(qū)域。將淹沒范圍圖和土地利用數(shù)據、社會經濟數(shù)據等進行疊加分析，快速評估災情。

2.系統(tǒng)應用-以2019年“利奇馬”臺風洪澇災害監(jiān)測為例

“利奇馬”臺風是2019年第九號臺風，8月10日凌晨1時45分在浙江溫嶺城南鎮(zhèn)沿海登陸。受其影響，浙江臺州市椒江流域臨海市上游的始豐溪、永安溪兩江同時暴發(fā)特大洪水,臨海靈江暴發(fā)80年一遇洪水，8月10日晚20時，洪峰水位10.98m，超保證水位4.28m。

在這次臺風-洪澇災害遙感監(jiān)測中，獲取了災區(qū)災前、災中以及災后3期“哨兵”衛(wèi)星數(shù)據（見圖1）。臺風登陸后的8月11日中午，獲取了8月10日17時53分Sentinel-1B干涉測量寬幅模式影像數(shù)據（空間分辨率為20m）。利用該影像對臺風登陸后受災最嚴重的浙江省臨海市進行了災情監(jiān)測。另外還獲取了災區(qū)8月4日的Sentinel-1A干涉測量寬幅模式影像數(shù)據作為災前對比數(shù)據。從監(jiān)測結果可以看出，見圖1（b）：受上游來水和下游高潮位頂托，靈江河道高負荷運行，牛頭山水庫水面積增加，水位上漲明顯；臨海市市區(qū)范圍南部和東部受災面積較大；靈江與其支流（始峰溪、永豐溪）交匯處沿岸地區(qū)受災嚴重，尤其是永豐鎮(zhèn)和括蒼鎮(zhèn)；另外汛橋鎮(zhèn)臨江位置和與牛頭山水庫相接的塘頭溪沿岸兩側受災嚴重；監(jiān)測范圍內，受淹總面積約29.09km2，其中耕地受淹面積最大，為23.98km2，城鎮(zhèn)居民用地受淹面積為0.48km2。

8月13日，獲取了災區(qū)8月12日上午10點35分的四景Sentinel-2B光學衛(wèi)星數(shù)據（空間分辨率為10m），對該地區(qū)進行了后序跟蹤監(jiān)測。監(jiān)測結果顯示：8月10日的洪水已基本退去，災情基本解除,見圖1（c）中藍色部分。

圖1 浙江省臨海市洪澇災害災前、災中、災后遙感監(jiān)測圖

五、結束語

本文在面向洪澇監(jiān)測業(yè)務的“哨兵”數(shù)據特點分析基礎上，對基于“哨兵”數(shù)據的洪澇災害監(jiān)測系統(tǒng)構建進行了闡述，通過2019年“利奇馬”臺風洪澇災害監(jiān)測實際應用的結果表明：“哨兵”系列衛(wèi)星數(shù)據是洪澇災害遙感監(jiān)測的重要數(shù)據源，其多星協(xié)同可實現(xiàn)洪水過程的動態(tài)監(jiān)測。