許小華 黃 萍 張秀平 周信文 鄭 璞

（1.江西省水利科學(xué)院，南昌 330000；2.江西省鄱陽湖流域生態(tài)水利技術(shù)創(chuàng)新中心，南昌 330000）

0 引 言

遙感技術(shù)具有宏觀、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，大范圍地表狀態(tài)采集能力強(qiáng)，可為防汛指揮部門提供大量的洪澇地區(qū)基礎(chǔ)信息和洪水淹沒實(shí)時(shí)信息，成為現(xiàn)代洪水監(jiān)測(cè)與評(píng)估的重要手段。對(duì)于汛情監(jiān)測(cè)而言，遙感技術(shù)具有監(jiān)測(cè)反應(yīng)快、范圍廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠大幅提高效率[1-3]。基于星載傳感器的航天遙感能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍成像，為汛情監(jiān)測(cè)提供全局視角的信息支撐。當(dāng)前我國(guó)衛(wèi)星遙感事業(yè)迅速發(fā)展，能夠應(yīng)用于洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源日漸增多，如風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星、資源系列衛(wèi)星、北京一號(hào)小衛(wèi)星、環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星等。

我國(guó)學(xué)者在利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)洪澇災(zāi)害方面做了諸多研究，如段秋亞等[4]分別采用歸一化差分水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）閾值法、支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）和面向?qū)ο蟮确椒▽?duì)鄱陽湖區(qū)的高分一號(hào)（GF-1）影像進(jìn)行水體信息提取實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)提取結(jié)果分析和比較各種方法的優(yōu)勢(shì)與不足；朱輝等[5]發(fā)現(xiàn)區(qū)域生長(zhǎng)法結(jié)合多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可以快速準(zhǔn)確地提取洪澇災(zāi)害范圍，實(shí)現(xiàn)洪澇災(zāi)害信息的時(shí)效性和高頻次監(jiān)測(cè)。徐涵秋[6]在NDWI基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI），并用于不同類型的遙感影像實(shí)驗(yàn)。莫偉華等[7]根據(jù)MODIS傳感器波段特點(diǎn)，構(gòu)建了混合水體指數(shù)（CIWI），實(shí)現(xiàn)水體信息快速有效提取，效果和精度均優(yōu)于NDWI和MNDWI的效果和精度等。

以上研究主要利用可見光近紅外波段光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到水體指數(shù)，確定水體判識(shí)閾值從而計(jì)算出洪澇淹沒面積，對(duì)比災(zāi)前災(zāi)后水體范圍變化，對(duì)災(zāi)情特征進(jìn)行分析。由于降雨過后洪澇淹沒地區(qū)通常被云層覆蓋，可見光近紅外波段的衛(wèi)星傳感器均無法穿透云層，難以及時(shí)獲得洪澇信息。微波傳感器不受天氣制約，具有全天候、全天時(shí)的數(shù)據(jù)獲取能力，能夠穿云透霧，迅速為災(zāi)區(qū)提供第一手信息[8]。2016年8月，我國(guó)高分三號(hào)衛(wèi)星（GF-3）成功發(fā)射并投入使用，改變了目前我國(guó)洪水災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)大多基于中、低分辨率遙感影像難以滿足行業(yè)應(yīng)用精度要求的現(xiàn)狀，也是我國(guó)首顆C波段1 m高分辨率合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）遙感衛(wèi)星，能夠?yàn)樗?、氣象、農(nóng)業(yè)、國(guó)土、測(cè)繪等部門提供監(jiān)測(cè)服務(wù)，全面提高行業(yè)應(yīng)用能力[8-10]。

2022 年6 月，受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，江西省樂安河流域遭遇歷史罕見特大暴雨，樂安河虎山站洪峰流量接近50年一遇，造成樂平市發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。本文針對(duì)2022年樂安河流域洪水災(zāi)害，利用GF-3數(shù)據(jù)，開展了洪澇災(zāi)害動(dòng)態(tài)應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究，驗(yàn)證了衛(wèi)星的應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力，可為星載SAR數(shù)據(jù)在洪水災(zāi)害評(píng)估中的應(yīng)用提供參考，同時(shí)可為汛情監(jiān)測(cè)全局視角提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

江西省樂安河流經(jīng)婺源、香屯、樂平、波陽等縣，屬饒河支流，地理坐標(biāo)28°55′41″-29°1′21″N、116°29′35″-117°48′24″E，海拔12～57 m，全 長(zhǎng)279 km，流域總面積7 946.71 km2。樂安河流域地處中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，年均氣溫17.5 ℃。多年平均降水量1 887.8 mm，降水分布不均勻，4-6月冷暖氣流交綏于境內(nèi)，形成大范圍的降水，其降雨量占年降雨量的47.3%；枯水期為10月至次年2月，其降雨量?jī)H占年降雨量的21.8%[11]。降雨量年際變化較大，最大年降雨量2 328.2 mm（1973 年），最小年降雨量1 204.5 mm（1978 年）。樂安河洪水主要由暴雨形成，洪水出現(xiàn)的季節(jié)特性與暴雨出現(xiàn)的季節(jié)特性基本相同，每年4-6 月多鋒面、氣旋雨，降水強(qiáng)度大、面積廣、歷時(shí)長(zhǎng)，為樂安市流域的主汛期。7-9月也常出現(xiàn)暴雨，多為臺(tái)風(fēng)雨，此時(shí)也可能形成大洪水。其他月份出現(xiàn)暴雨的機(jī)會(huì)小，量級(jí)也不大。

2 2022年超標(biāo)準(zhǔn)洪水分析

2.1 雨情

2022年6月18日8時(shí)至22日14時(shí)，樂安河流域遭遇歷史罕見特大暴雨；6月21日8時(shí)，樂安河虎山站洪峰流量接近50 年一遇，造成樂平市發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。2022 年6 月18 日8 時(shí)至22 日14 時(shí)，樂平全市平均降雨量404.2 mm，超過400 mm 的地區(qū)有：臨港610.8 mm，洪巖506.5 mm，浯口497.0 mm，高家495.5 mm，金鵝山453.7 mm，洄田451.6 mm，眾埠444.9 mm，十里崗438.7 mm，塔山工業(yè)園區(qū)435.8 mm，禮林432.8 mm，鸕鶿429.2 mm，接渡429.1 mm，名口412.7 mm。相應(yīng)時(shí)段周邊縣（市）降雨量極大。如婺源縣704.6 mm，德興市699.3 mm，鄱陽縣337.5 mm。

2.2 水情

洪峰流量和洪水位超歷史極值。受降雨影響，樂安河虎山站水位從2022 年6 月18 日10 時(shí)5 分起漲，起漲水位20.05 m。6月21日8時(shí)20分，虎山站出現(xiàn)32.28 m（吳淞高程，以下同）的洪峰水位，洪峰流量10 900 m3/s（虎山站50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為11 200 m3/s），超警戒水位6.28 m，超1952 年建站以來最高洪水位（2011 年6 月16 日31.18 m）1.10 m?；⑸秸?月16-26日水位-流量曲線見圖1。

圖1 樂安河虎山站6月16-26日水位-流量曲線

其中樂安河上游三都站洪峰一般出現(xiàn)在主峰雨后6～8 h，即洪峰滯時(shí)6～8 h，中游虎山站洪峰一般出現(xiàn)在主峰雨后18 h 左右，若降雨量間隔半天左右，就可將兩次洪峰分隔開，此次洪水過程3個(gè)水文站特征值統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 2022年樂安河流域水文站洪水特征值統(tǒng)計(jì)

從虎山站年最大洪峰流量變化圖來看，1953-2022 年，洪峰流量有增加趨勢(shì)（圖2（a）），尤其是2011年以來，洪峰流量增加明顯，1953-2010 年均值為4 383 m3/s，2011-2022 年均值為6 100 m3/s，較1953-2010 年均值增加39%。從年最高洪水位變化圖來看，樂安河洪水位也有升高趨勢(shì)（圖2（b）），尤其是2011 年以來，水位增加明顯，1953-2010 年均值為26.87 m，2011-2022 年均值為28.86 m，較1953-2010年均值增加1.99 m。

圖2 虎山站洪峰流量水位變化圖

3 洪水遙感監(jiān)測(cè)

3.1 GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)特性

GF-3衛(wèi)星是“國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)”中唯一的微波遙感衛(wèi)星，也是我國(guó)首顆C頻段多極化高分辨率SAR 衛(wèi)星。GF-3 衛(wèi)星發(fā)射重量約2 779 kg，在軌設(shè)計(jì)壽命8 a。衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度約755 km，為太陽同步回歸晨昏軌道，采用側(cè)視成像飛行狀態(tài)。GF-3衛(wèi)星平臺(tái)指標(biāo)如表2所示。GF-3衛(wèi)星具有成像空間分辨率高、幅寬大、輻射精度高、模式多和連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，并可通過編程成像方式提升快速響應(yīng)能力，能夠獲取分辨率1～500 m、成像幅寬10～650 km的C波段多極化微波遙感影像，實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)海洋與陸地觀測(cè)，填補(bǔ)了我國(guó)民用自主高分辨多極化微波遙感影像空白[9-10]。

表2 GF-3 衛(wèi)星平臺(tái)指標(biāo)

3.2 洪水微波遙感監(jiān)測(cè)原理

在出現(xiàn)洪澇等自然災(zāi)害時(shí)，往往伴隨惡劣天氣，監(jiān)測(cè)區(qū)域會(huì)受到云層、降水等因素影響，光學(xué)遙感難以發(fā)揮作用。微波遙感因其具有全天候、全天時(shí)能力，在惡劣的氣象條件下也能夠迅速獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域第一手遙感影像信息，為減災(zāi)救災(zāi)決策提供重要依據(jù)[12-16]。因此，微波遙感成為洪水災(zāi)害災(zāi)情評(píng)估的有力工具。與SAR波長(zhǎng)相比，陸地相對(duì)為粗糙表面，洪水水面相對(duì)為光滑表面，因此在SAR微波遙感影像上陸地通常為灰白色或黑灰色，水體為暗色或黑色[12-16]。

3.3 影像處理

使用GF-3衛(wèi)星影像監(jiān)測(cè)此次洪水，對(duì)GF-3衛(wèi)星影像進(jìn)行多視處理、圖像濾波、幾何精校正、影像假彩色合成、影像增強(qiáng)等處理，滿足本次洪水遙感監(jiān)測(cè)需要。

（1）多視處理。本次洪水遙感監(jiān)測(cè)獲取的GF-3衛(wèi)星影像是單視復(fù)數(shù)（Single Look Complex，SLC）數(shù)據(jù)，采用多視處理對(duì)單視復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行方位向和距離向平均，抑制斑點(diǎn)噪聲，提升影像的輻射分辨率。

（2）圖像濾波。采用中值濾波方法進(jìn)行圖像濾波處理，進(jìn)一步抑制GF-3 衛(wèi)星影像斑點(diǎn)噪聲，同時(shí)要有效保護(hù)邊緣信息，避免濾波后的影像水陸邊界變得模糊。

（3）幾何精校正。為保證洪水監(jiān)測(cè)期間獲取的遙感影像及解譯成果地理坐標(biāo)一致，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確套繪分析和制圖，選擇黃河中游河道0.5 m分辨率航空遙感影像作為參考影像，對(duì)GF-3衛(wèi)星影像進(jìn)行影像配準(zhǔn)和幾何精校正處理[12-13]。

4 結(jié)果與分析

本文獲取了2022 年6 月21 日和22 日遙感數(shù)據(jù)，分析了樂安河樂平市河段洪水淹沒范圍情況。6月21日樂安河流域淹沒區(qū)分析，樂平市接渡鎮(zhèn)、金鵝山鄉(xiāng)、鸕鶿鄉(xiāng)、文山鄉(xiāng)等地存在大片新增洪澇區(qū)域，樂平市整體受災(zāi)面積超過70 km2。災(zāi)情較為嚴(yán)重的鸕鶿鄉(xiāng)、文山鄉(xiāng)新增大量淹沒區(qū)，淹沒區(qū)主要為農(nóng)田，部分村莊受災(zāi)。如圖3（a）所示，藍(lán)色區(qū)域?yàn)闉?zāi)前水體范圍，紅色區(qū)域?yàn)橐驗(yàn)?zāi)新增水體范圍。

對(duì)比6 月21 日水域范圍，根據(jù)22 日18：30 數(shù)據(jù)分析，樂安河主體流域段還存在大片淹沒區(qū)，如圖3（b）所示，藍(lán)色區(qū)域?yàn)?月22日洪災(zāi)影像范圍。

圖3 6月21日與22日樂安河樂平市河段洪災(zāi)范圍監(jiān)測(cè)對(duì)比圖

鸕鶿鄉(xiāng)、文山鄉(xiāng)附近淹沒范圍縮小，汛情有所緩解。如圖3（c）所示，深藍(lán)色部分為6 月22 日洪水淹沒范圍，淹沒面積約為90 km2，紅色部分為21 日淹沒范圍，淹沒面積約為142 km2，兩期遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)比，如表3所示。

表3 兩期遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)比分析

經(jīng)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析結(jié)合實(shí)地調(diào)研情況，樂平市全境普遍受災(zāi)、個(gè)別鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）受災(zāi)嚴(yán)重。截至6月25日，樂平市除工業(yè)園區(qū)外，其余19個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、街道）不同程度受災(zāi)，受災(zāi)人口38萬余人，農(nóng)作物成災(zāi)面積38.79萬畝，農(nóng)作物絕收面積2.62 萬畝，林地受災(zāi)面積1.39 萬畝，水產(chǎn)養(yǎng)殖受災(zāi)面積2.53 萬畝，嚴(yán)重?fù)p壞房屋31間，一般損壞房屋300余間，水利直接經(jīng)濟(jì)損失3.1 億元。因?yàn)?zāi)緊急避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移人口3.7 萬人，緊急轉(zhuǎn)移安置人口3 000余人。其中接渡鎮(zhèn)、后港鎮(zhèn)、眾埠鎮(zhèn)、臨港鎮(zhèn)、浯口鎮(zhèn)等因漫堤受災(zāi)較重。

受極端暴雨和地理?xiàng)l件影響，樂安河流域極易形成超標(biāo)準(zhǔn)洪水。樂平市地處饒河中下游，城區(qū)以上的饒河流域面積超過6 000 km2，其上游處于江西省暴雨中心，暴雨強(qiáng)度大，汛期來水量大，加之樂安河流域上游地勢(shì)陡峭，源短流急，匯流速度快，極易形成洪水。虎山站2011-2022年洪峰流量均值較1953-2010 年均值增加39%，虎山站遭遇5 年一遇及以上洪水由1953-2010 年平均5.4 a/次上升至2011-2022年平均2 a/次，增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。這將對(duì)整個(gè)流域特別是樂平市帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)。樂平市現(xiàn)有主要圩堤4條，分別是樂北聯(lián)圩、鎮(zhèn)橋聯(lián)圩、續(xù)湖聯(lián)圩和牌樓聯(lián)圩，隨著城區(qū)人口增多，防洪要求逐漸提高，圩堤雖然已基本達(dá)到設(shè)計(jì)防御標(biāo)準(zhǔn)，但是依然存在許多以前建設(shè)時(shí)遺留的缺陷，且經(jīng)過多年運(yùn)行局部已出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫、錯(cuò)位，影響整體防洪，一旦出現(xiàn)險(xiǎn)情，將威脅整個(gè)城區(qū)。此外，樂平市附近無分蓄洪區(qū)，當(dāng)遇較大洪水時(shí)，無法分蓄一部分洪水。暴雨是樂安河流域形成洪水的主體，其暴雨特性直接決定了洪水發(fā)生的時(shí)間、洪水的等級(jí)及洪水的形態(tài)。由于樂安河流域多為山區(qū)，流域平均比降較大，下墊面與河槽調(diào)蓄作用小，暴雨發(fā)生后，雨水迅速由坡面匯集到河網(wǎng)匯集，極易在短時(shí)間內(nèi)形成洪峰。暴雨過后，各支流形成的洪水過程迅速消退，干流洪水也隨之消退，整個(gè)洪水歷時(shí)一般較短，與此次遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。

5 結(jié) 語

遙感與GIS技術(shù)相結(jié)合，能準(zhǔn)確、及時(shí)、全面地跟蹤整個(gè)流域洪水的汛情狀況及其發(fā)展變化趨勢(shì)，特別是解決了無觀測(cè)資料情況下對(duì)洪災(zāi)的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)難題，為防洪減災(zāi)提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。此次監(jiān)測(cè)結(jié)果證明，GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)不受云層水汽影響，是進(jìn)行大范圍、長(zhǎng)歷時(shí)、高頻次洪水監(jiān)測(cè)的理想數(shù)據(jù)源，可有效彌補(bǔ)可見光近紅外波段衛(wèi)星傳感器由于天氣原因造成的數(shù)據(jù)空缺，在暴雨過后及時(shí)準(zhǔn)確提取地表洪澇水體信息，為防汛救災(zāi)提供決策依據(jù)，在洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)中具有很大的應(yīng)用潛力。

此外，由于人類活動(dòng)和氣候波動(dòng)的影響，又迫于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)的巨大壓力，發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險(xiǎn)總體呈加劇態(tài)勢(shì)，根據(jù)樂安河流域的遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，建議進(jìn)一步從圩堤除險(xiǎn)加固、中小河流治理和非工程措施配套等方面提升，同時(shí)轉(zhuǎn)變洪水管理理念，與洪水共生存，適應(yīng)江湖自然節(jié)律，給洪水以出路，實(shí)現(xiàn)人水和諧。