衛(wèi)星遙感資料在山區(qū)洪澇災(zāi)害監(jiān)測及決策服務(wù)中的應(yīng)用

姚 熠，段 瑩，李光一，張開華,錢 玲，余玥郿

( 1.貴州省遵義市氣象局，貴州 遵義 563000;2.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽 550002；3.貴州省正安縣氣象局，貴州 正安 563400)

0 引言

衛(wèi)星搭載合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)因具有全天候全天時、空間分辨率高、覆蓋面積廣、不受云霧影響等特點，被廣泛應(yīng)用于海洋、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。哨兵1號(Sentinel-1)衛(wèi)星是歐洲航天局哥白尼計劃(GMES)中的地球觀測衛(wèi)星，由2顆衛(wèi)星組成，其中載有的12 m長C波段合成孔徑雷達(dá)(SAR)，單個衛(wèi)星每12 d映射全球1次，且具有4種成像模式：超精細(xì)模式、干涉寬幅模式、超寬幅模式和微波模式。陳志國[1]研究了不同水體區(qū)域在SAR遙感衛(wèi)星影像中的散射特征，對比分析了多種圖像濾波算法、水體提取算法在實際洪水區(qū)域提取應(yīng)用中的效果。并基于Sentinel-1雷達(dá)遙感衛(wèi)星影像長時間序列數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了孟加拉國賈木納流域河道全年季節(jié)性變化趨勢。針對水域面積較少時水體提取困難的問題，湛南渝等[2]提出了以Sentinel-1A SAR為數(shù)據(jù)源,用簡化的SLIC超像素分割算法對圖像進(jìn)行分割,根據(jù)相似度將分割后的圖像進(jìn)行分層區(qū)域合并,將圖像二值化得到最終水體信息的方法。其次，閾值分割法也是常用于SAR圖像水體信息的提取方法之一[3]，曾玲方等[4]利用斯里蘭卡遭受洪災(zāi)前后的Sentinel-1A影像，運用閾值法和RGB波段組合的方法，快速有效地提取出了洪水淹沒范圍。

汛期暴雨洪澇監(jiān)測及防災(zāi)減災(zāi)預(yù)防，多年來一直是喀斯特地貌地形山區(qū)防災(zāi)減災(zāi)工作的一個重點和難點，減災(zāi)工作重在防，也不可避免出現(xiàn)空防白防的情況，既耗時耗力，又浪費多部門資源。但保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全非常重要，為了提高暴雨洪澇災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力，提前發(fā)出預(yù)警，準(zhǔn)確作出預(yù)判，多年來貴州省氣象部門基于歷史災(zāi)害的發(fā)生，將災(zāi)情與降雨量進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計分析，得出指標(biāo)站和叫應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，分別制定了分級分區(qū)域的三個叫應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，在防災(zāi)減災(zāi)工作中作出了突出貢獻(xiàn)。如代瑞華等[5]、楊平會等[6]就縣域強(qiáng)降雨的“三個叫應(yīng)”氣象服務(wù)指標(biāo)作了大量分析研究，夏兆林等[7]還在前人基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對中小河流域跨行政區(qū)域的上下游聯(lián)防工作機(jī)制進(jìn)行完善，并將其延伸。但對上游指標(biāo)站的確定和下游影響區(qū)域的叫應(yīng)，還比較粗獷，存在一定主觀性。因此，以正安縣2020年6月出現(xiàn)的極端降水為研究對象，側(cè)重介紹如何運用哨兵資料來找出淹沒區(qū)的技術(shù)流程，同時與典型過程的實際情況進(jìn)行驗證，證明該技術(shù)方法可行，對于找出上游指標(biāo)站及明確洪澇影響具體范圍有重要補(bǔ)充意義。

1 研究區(qū)域概況

正安縣位于遵義市東北部，地處大婁山脈東麓、芙蓉江上游，喀斯特地貌特征明顯,東部以中山臺丘地貌為主，中部以低山、丘陵、盆壩地貌為主，西部則是典型的中山峽谷地貌。境內(nèi)最高海拔1838 m，最低海拔448 m，平均海拔1200 m，河流屬烏江水系，主要有芙蓉江、石梁河、清溪河等大小河流393條，其中，最大的河流為芙蓉江，其走向主要是西南東北走向，其中有南部支流向東北匯合。其地形地貌復(fù)雜，暴雨洪澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)和人民生命財產(chǎn)安全。如2020年6月遵義市正安縣多次發(fā)生特大暴雨洪澇災(zāi)害。

2 資料與方法

為充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感在防災(zāi)減災(zāi)工作中的應(yīng)用，本文選取2020年6月10日18時51分、6月22日18時51分2個時次的Sentinel-1A號L1級地距影像數(shù)據(jù)(通過https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home網(wǎng)站下載)，成像模式為干涉寬幅，極化方式為VH+VV，幅寬250 km，分辨率為10 m。

利用哨兵數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(SNAP)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理流程包括軌道校正、熱噪聲去除、輻射定標(biāo)、相干斑濾波、地形校正及分貝化。數(shù)據(jù)進(jìn)行完預(yù)處理后，采用SDWI水體提取指數(shù)：

SDWI=In(10×VV×VH)-8

(1)

由于研究區(qū)為多云雨的山地地區(qū)，根據(jù)水體指數(shù)的常用閾值0.1得到的結(jié)果并不理想，水體與非水體存在錯分和重疊現(xiàn)象，錯分誤差較高。此外，由于貴州山區(qū)山體陰影對水體提取影響很大，為了盡可能消除山體陰影影像，引入地形數(shù)據(jù)并建立決策樹提取相關(guān)閾值。反復(fù)試驗顯示，不同水體指數(shù)閾值提取的水體結(jié)果不同，李思慧[8]研究中高分影像目視解譯不斷對比調(diào)整閾值大小，同時借鑒周晗等[9]將數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)作為輔助數(shù)據(jù)的方法，最終選取SDWI>0.0047且DEM<650作為水體判識閾值，其余范圍皆為非水體。但初步提取結(jié)果還存在一些干擾斑點，利用分類后處理工具及人工判識結(jié)合的方式，對斑點進(jìn)行剔除，最終實現(xiàn)研究區(qū)水體提取。

同時，結(jié)合地面區(qū)域站對降水進(jìn)行監(jiān)測比對分析，對暴雨導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害進(jìn)行了災(zāi)后分析，選取受災(zāi)典型區(qū)域，即正安縣廟塘河小雅鎮(zhèn)段、石梁河瑞溪鎮(zhèn)段、芙蓉江格林鎮(zhèn)段、芙蓉江土坪鎮(zhèn)與和溪鎮(zhèn)交界段、正安縣縣城周邊出現(xiàn)的水體增長及易發(fā)生洪澇的區(qū)域，并與其上游氣象監(jiān)測站進(jìn)行匹配，結(jié)合地形和河流走勢找出上游指標(biāo)站。

3 結(jié)果與分析

3.1 2020年6月正安暴雨發(fā)生情況

統(tǒng)計正安2020年6月1—24日的逐日降水量可知，3次強(qiáng)降水天氣過程分別是12日、21日、22日。大部區(qū)域11—23日08時的累計雨量超過250 mm(圖1)，降水量大值區(qū)位于碧峰、瑞溪，2站均超過400 mm，其中碧峰最大小時雨量達(dá)到163.3 mm，為有歷史記錄以來貴州省最大的一次降雨強(qiáng)度，可見在天氣系統(tǒng)配合下，高大山脈迎風(fēng)坡的抬升和阻擋作用不可小覷。降雨次大值區(qū)位于縣中部的盆壩區(qū)域和東西部峽谷。

3.2 易澇區(qū)域衛(wèi)星遙感監(jiān)測識別

衛(wèi)星遙感具有監(jiān)測覆蓋范圍廣、信息客觀真實的特點，但由于降水前后多有云層影響，故難以通過光學(xué)傳感器接收的衛(wèi)星影像對水體面積變化進(jìn)行遙感監(jiān)測。而哨兵1號地球觀測衛(wèi)星載有合成孔徑雷達(dá)，可不受光照和氣候等條件限制提供全天候、全天時的連續(xù)影像，能夠在能見度極低的氣象條件下除去云層干擾獲得類似光學(xué)的高分辨雷達(dá)影像。但哨兵1號過境資料周期為12 d。因此，通過獲取哨兵1號2020年6月10日18時51分與6月22日18時51分的遙感影像資料，分別提取2個時次的水體數(shù)據(jù)，并通過對比得到該時段內(nèi)強(qiáng)降水造成的洪澇災(zāi)害區(qū)域。

雖然6月10—22日，正安有2次明顯天氣過程，但12日降雨過程距離22日有10 d之久，經(jīng)咨詢當(dāng)?shù)厝藛T，水位在一周之內(nèi)已消退，因此，重點對21—22日的降雨天氣過程對比分析。通過對分區(qū)域水體增加的衛(wèi)星遙感圖識別，得出本次天氣過程轄區(qū)內(nèi)5個水體增加明顯的區(qū)域(圖2b)，分別為正安縣廟塘河小雅鎮(zhèn)段(區(qū)域1)、石梁河瑞溪鎮(zhèn)段(區(qū)域2)、芙蓉江格林鎮(zhèn)段(區(qū)域3)、芙蓉江土坪鎮(zhèn)與和溪鎮(zhèn)交界段(區(qū)域4)、正安縣縣城周邊(區(qū)域5)。圖2a與2b對比可知，水體增加區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域5和降雨高值區(qū)域重合，不到2 d的過程降雨量在200 mm以上，地表出現(xiàn)明顯水體增長，因此強(qiáng)降雨是導(dǎo)致洪澇的直接原因；但區(qū)域1和區(qū)域4則不同，究其原因，區(qū)域1有廟塘河流過，且上游監(jiān)測到的降雨較大，其所處高大山脈一側(cè)的峽谷內(nèi)，海拔高差加強(qiáng)了地面徑流，因此雖然本地監(jiān)測雨量才126 mm，但地面徑流的增強(qiáng)作用較明顯，區(qū)域4是本地降雨疊加其上游綏陽縣境內(nèi)的芙蓉江支流附近的枧壩、旺草、茅埡出現(xiàn)100 mm以上強(qiáng)降水，海拔高差明顯加劇了地面匯流至芙蓉江下游所致(圖2c)。因此，出現(xiàn)強(qiáng)降雨期間，除了要關(guān)注強(qiáng)降雨區(qū)域，還要結(jié)合河流走向及其上下游和高大山脈對地面匯流的影響，形成聯(lián)動，綜合判斷。

圖2 正安縣6月20日20—22時雨量分布及影響區(qū)域Fig.2 Rainfall distribution and affected areas in Zheng'an County from 20:00 to 22：00 on June 20

圖3為本次暴雨過程正安縣分區(qū)域水體增加的衛(wèi)星遙感圖。區(qū)域1為廟塘河廟塘鎮(zhèn)和小雅鎮(zhèn)河段，水體位于廟塘鎮(zhèn)和小雅鎮(zhèn)的下游，水體增加面積較大，約13 324 m2，河流兩側(cè)植被相對較少，河道兩岸除在工農(nóng)村有1間小學(xué)外，其余兩岸無大的村寨，面積增加區(qū)域相對集中。區(qū)域2為石梁河瑞溪鎮(zhèn)段，水體增加約6398 m2，水體走向為自西向東，沿河兩岸瑞溪集鎮(zhèn)、三把車村段靠河較近區(qū)域有風(fēng)險，其余河段風(fēng)險較小，其河流兩側(cè)河岸坡度較小。注意水體增加面積下游的區(qū)域防范，其它段風(fēng)險相對較小。區(qū)域3為芙蓉江格林鎮(zhèn)段，水體增加面積最大達(dá)146 600 m2，在河道彎曲河段，水體面積增加明顯，且較為集中。河流左右兩側(cè)以農(nóng)田為主，連片農(nóng)田位于西面，該區(qū)域首先需加強(qiáng)農(nóng)業(yè)澇害的防范，東面主要為山體結(jié)構(gòu)，因此造成該處水體增加明顯，需防范滑坡泥石流風(fēng)險。水體下游無城鎮(zhèn)聚集區(qū)，防洪壓力較小。區(qū)域4為芙蓉江土坪鎮(zhèn)與和溪鎮(zhèn)交界段，水體面積增加區(qū)域呈現(xiàn)分段特征，約40 773 m2。水體流向為從南往北走，中段水體增加區(qū)位于鳳儀街道田生大灘村上游，因此該村需加強(qiáng)洪澇災(zāi)害的防范，是防洪以及人員轉(zhuǎn)移的重點關(guān)注區(qū)域，需隨時關(guān)注上游氣象站的降水情況及河流水位上漲情況。區(qū)域5為正安縣縣城周邊，水體面積增加區(qū)域相對分散，增加面積約24 991 m2，主要在縣城東北面的上游區(qū)域，增加水體末端下游即東南方向也有零星村莊，主要是安場鎮(zhèn)正江村風(fēng)險較大。

圖3 正安水體增加區(qū)域衛(wèi)星遙感對比圖Fig.3 Satellite remote sensing comparison map of Zheng'an water body increase area

根據(jù)對各段水體增加區(qū)域的分析，加上實際對其下游村落、農(nóng)田分布及人員集中區(qū)域的調(diào)查了解，整理了正安境內(nèi)部分對應(yīng)站點出現(xiàn)強(qiáng)降雨的指標(biāo)及其影響區(qū)域詳表(表1)，并將影響細(xì)分為人員影響或農(nóng)田影響。可知降雨量大的區(qū)域，地表水體未必增加大，而存在的風(fēng)險隱患也未必成正比，要充分考慮上游影響，特別關(guān)注海拔高差明顯區(qū)域的地表徑流匯流，再考慮人員分布。因此，在防汛工作中不應(yīng)麻痹大意，一味根據(jù)降雨大小來做出災(zāi)害防范決定。

表1 強(qiáng)降雨對應(yīng)雨量指標(biāo)站及影響區(qū)域Tab.1 Index stations and affected areas corresponding to heavy rainfall

表1對正安縣人民政府2017年下發(fā)的關(guān)于進(jìn)一步完善“三個叫應(yīng)”服務(wù)機(jī)制的文件中提及的三個叫應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了補(bǔ)充完善，該叫應(yīng)文件針對1 h、3 h、6 h及24 h叫應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了明確，但提及的重點河流只有芙蓉江，且規(guī)定當(dāng)芙蓉江鎮(zhèn)、樂儉鎮(zhèn)、和溪鎮(zhèn)、格林鎮(zhèn)、鳳儀鎮(zhèn)、安場鎮(zhèn)中有2個以上鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別達(dá)50 mm，叫應(yīng)相關(guān)鎮(zhèn)政府負(fù)責(zé)人，但沒有具體區(qū)分叫應(yīng)區(qū)域及靶向預(yù)防范圍。表1不僅增加了廟塘河、石梁河的叫應(yīng)閾值，還增加了芙蓉江上游區(qū)域站的叫應(yīng)閾值，明確了各條河流關(guān)注的重點區(qū)域及其下游的影響對象，即叫應(yīng)對象。為靶向叫應(yīng)提供了科學(xué)參考，可在實際工作中加以應(yīng)用，為防災(zāi)減災(zāi)爭取更多時間。

4 結(jié)論與討論

對于暴雨誘發(fā)的洪澇災(zāi)害，基于衛(wèi)星遙感資料的河流增長段及易澇區(qū)域的識別判定對于防災(zāi)減災(zāi)工作非常有意義。但由于搭載有雷達(dá)傳感器的衛(wèi)星資料過境時間間隔較長，故目前還不能實現(xiàn)洪澇災(zāi)害的實時監(jiān)測。但通過本次天氣過程對比分析，發(fā)現(xiàn)其對正安縣洪澇災(zāi)害防御決策指揮具有重要補(bǔ)充意義?？紤]河流走向、上下游疊加關(guān)系和高大山脈的影響，根據(jù)影響大小，得出以下結(jié)論：

①當(dāng)格林出現(xiàn)強(qiáng)降雨時，芙蓉江格林鎮(zhèn)段河道彎曲段的西面需關(guān)注農(nóng)業(yè)澇害，東面防范滑坡泥石流，農(nóng)業(yè)風(fēng)險高。

②當(dāng)綏陽枧壩、旺草、茅埡出現(xiàn)強(qiáng)降雨時，芙蓉江土坪鎮(zhèn)與和溪鎮(zhèn)交界段的田生大灘村是防洪以及人員轉(zhuǎn)移的重點關(guān)注區(qū)域，人員風(fēng)險極高。

③當(dāng)鳳儀出現(xiàn)強(qiáng)降水時，要關(guān)注安場鎮(zhèn)正江村，人員風(fēng)險較高。

④當(dāng)廟塘出現(xiàn)強(qiáng)降雨，重點關(guān)注下游小雅工農(nóng)村小學(xué)的人員安全。

⑤桴焉出現(xiàn)強(qiáng)降水時，要關(guān)注下游瑞溪，重點叫應(yīng)河兩岸瑞溪集鎮(zhèn)、三把車村段靠河較近區(qū)域，有一定人員風(fēng)險。

在山區(qū)洪澇災(zāi)害監(jiān)測與決策服務(wù)實際應(yīng)用中，還需要進(jìn)一步結(jié)合地區(qū)歷史天氣過程案例與對應(yīng)期間遙感影像研究結(jié)果，更加全面地摸清上游指標(biāo)站、指標(biāo)量級及其對應(yīng)的各河流流域易澇區(qū)域以及防災(zāi)減災(zāi)風(fēng)險區(qū)域，為做好相關(guān)區(qū)域風(fēng)險防控和防汛救災(zāi)指揮調(diào)度提供支撐。本文根據(jù)衛(wèi)星資料監(jiān)測水體增長及雨量對比，進(jìn)一步細(xì)化了正安“三個叫應(yīng)”的指標(biāo)及影響區(qū)域，同時完善了上下游聯(lián)動的指標(biāo)站，細(xì)化了叫應(yīng)指標(biāo)。

不足之處：由于強(qiáng)降雨出現(xiàn)時間與衛(wèi)星遙感監(jiān)測時間有一定跨度，洪水淹沒區(qū)域和程度較災(zāi)后峰值略有不同，考慮到前期出現(xiàn)過降水，地面土壤趨于飽和，因此未考慮地面徑流的不同。在精細(xì)化、定量化等研究分析中則需要考慮這一影響因素。