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        哨兵一號SAR數(shù)據(jù)在鄱陽湖洪澇災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

        2021-10-21 04:00:50呂素娜薛思涵謝婷胡利平耿旭樸
        衛(wèi)星應(yīng)用 2021年8期
        關(guān)鍵詞:中洲潰堤圩堤

        文 | 呂素娜 薛思涵 謝婷 胡利平 耿旭樸

        1. 廈門大學(xué) 近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 2. 海洋遙感大數(shù)據(jù)福建省高校工程研究中心3. 廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院 4. 北京環(huán)境特性研究所

        一、前言

        我國是一個洪澇災(zāi)害頻發(fā)的國家,洪澇災(zāi)害的發(fā)生具有多發(fā)性、廣泛性和突發(fā)性等特點(diǎn),影響人們的生命安全和國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,因此需要持續(xù)監(jiān)控和管理,以降低洪澇災(zāi)害帶來的損失。

        衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)覆蓋面積廣、周期短且時(shí)效性強(qiáng),可為洪澇災(zāi)害防治提供依據(jù)。光學(xué)數(shù)據(jù)和微波遙感數(shù)據(jù)均可應(yīng)用于洪災(zāi)的遙感監(jiān)測中,但考慮到受災(zāi)地區(qū)常伴有復(fù)雜的天氣條件,減災(zāi)救災(zāi)具有時(shí)效性的要求,因此微波遙感數(shù)據(jù)尤為適合災(zāi)情監(jiān)測。在微波遙感領(lǐng)域,星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)不僅可以進(jìn)行全天時(shí)、全天候監(jiān)測,且監(jiān)測時(shí)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(jì)劃”的地球觀測衛(wèi)星,由A、B兩顆星組成,不僅能提供高分辨率遙感影像,且數(shù)據(jù)可免費(fèi)獲取,多種優(yōu)勢相結(jié)合,非常有利于災(zāi)害監(jiān)測。

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

        二、研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

        1.研究區(qū)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(qū)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(shè)有水文站對鄱陽湖及周圍水體的水流交互進(jìn)行監(jiān)測。由于鄱陽湖的補(bǔ)給支流處于東亞季風(fēng)區(qū),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(nèi)面積漲幅較大,易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻發(fā),增加防洪壓力。

        2020年7月以來,江西省出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨天氣,多日暴雨加上安徽、景德鎮(zhèn)等上游地區(qū)降雨及水庫泄洪的影響,導(dǎo)致鄱陽湖水位突破1998年歷史極值,湖體面積迅速擴(kuò)大。此次洪災(zāi)還導(dǎo)致多個縣鄉(xiāng)出現(xiàn)漫堤險(xiǎn)情,7月8日、9日和12日鄱陽縣昌洲鄉(xiāng)的問桂道圩、中洲圩與永修縣三角鄉(xiāng)的三角聯(lián)圩相繼潰堤,造成昌洲鄉(xiāng)和三角鄉(xiāng)多個村莊受災(zāi),上萬畝良田被淹。

        2.數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

        本文所使用的數(shù)據(jù)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(zāi)前影像,7月14日為災(zāi)后影像。利用ESA開發(fā)的SNAP7.0軟件對雷達(dá)圖像做預(yù)處理,包括圖像裁剪、輻射定標(biāo)、濾波、地形校正和對數(shù)轉(zhuǎn)換等,獲得具有地理坐標(biāo)的SAR影像,圖2為監(jiān)測區(qū)域預(yù)處理前后的對比圖,圖中黑色區(qū)域的后向散射系數(shù)低,表示粗糙度低的區(qū)域,例如水體。

        圖2 哨兵一號圖像預(yù)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(qū),應(yīng)用于季節(jié)性洪水監(jiān)測時(shí)效果更好。圖3為洪水監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程圖。方法原理如下:

        圖3 洪水監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程圖

        監(jiān)測災(zāi)情前首先要確定參考圖像,即災(zāi)前的SAR影像,參考影像的選取會影響水體提取結(jié)果。一般選擇離洪災(zāi)發(fā)生較近的影像作為參考圖像,這樣可以排除季節(jié)變化帶來的影響。

        1.波段運(yùn)算

        經(jīng)過圖像預(yù)處理后得到的災(zāi)后影像(F)和災(zāi)前影像(R)進(jìn)行相減的波段運(yùn)算,得到差異圖 (D):

        D = |float(F)| - |float(R)| (1)

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

        2.閾值分割

        山體坡面反射的信號在SAR影像中呈現(xiàn)不同的亮度,易導(dǎo)致部分山體被誤認(rèn)為是淹水區(qū)域,影響雷達(dá)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(jìn)行掩膜處理。利用數(shù)字高程模型(DEM)生成坡度圖,提取坡度大于3°的較高地勢區(qū)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(zāi)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(jīng)過坡度過濾的SAR圖像做閾值分割,得到的結(jié)果即為淹水信息。更多具體的方法原理詳見Long等文章。

        四、結(jié)果

        1.洪水淹沒范圍

        利用變化檢測方法提取了監(jiān)測區(qū)的洪水淹沒范圍,結(jié)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)??梢钥吹桔蛾柡案浇鼌^(qū)域有大量淹沒水體,湖東西兩側(cè)洪水泛濫嚴(yán)重,擴(kuò)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(qū)三個區(qū)縣水體增加尤為明顯,淹水面積均超過200km。據(jù)統(tǒng)計(jì),監(jiān)測區(qū)水域面積較7月2日擴(kuò)大1184.41km。

        圖4 鄱陽湖及周圍水體變化結(jié)果

        2.圩堤潰堤狀況

        圩堤通過防洪排澇保護(hù)著一方水土,圩堤一旦潰堤,大量洪水會涌入村莊,造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)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(zāi)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(xiàn)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(xiāng)全鄉(xiāng)被淹,附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)也一片汪洋,受災(zāi)面積約37km。同樣,三角聯(lián)圩也存在決口(圖6 a),實(shí)際災(zāi)情調(diào)查結(jié)果顯示中洲圩潰口長為188m,三角聯(lián)圩潰口長約100余米。本文利用SNAP軟件測量潰口長度,結(jié)果顯示中洲圩潰口長約170m,三角聯(lián)圩潰口長約105m,與實(shí)際潰堤情況基本一致,說明哨兵一號在監(jiān)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(lián)圩潰堤前(a)后(b)情況對比

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

        五、結(jié)束語

        本文利用哨兵一號影像數(shù)據(jù)對2020年7月鄱陽湖及周圍水域洪災(zāi)情況進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)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(jīng)過災(zāi)情評估發(fā)現(xiàn)鄱陽湖及周圍區(qū)域受災(zāi)嚴(yán)重,受災(zāi)面積多達(dá)1184.41km。其中上饒市鄱陽縣、九江市永修縣和南昌市新建區(qū)三個區(qū)縣受災(zāi)最為嚴(yán)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(lián)圩潰口長度分別為180m和105m。鄱陽縣昌洲鄉(xiāng)的問桂道圩、中洲圩與永修縣三角鄉(xiāng)的三角聯(lián)圩相繼潰堤導(dǎo)致昌洲鄉(xiāng)和三角鄉(xiāng)村莊幾乎全部被淹,淹水面積分別為37km和45km。結(jié)果證明,基于哨兵一號評估的災(zāi)情信息準(zhǔn)確、有效,已成為應(yīng)急管理部門關(guān)鍵的信息來源,在洪澇災(zāi)害監(jiān)測中具有巨大潛力。

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