“哨兵”系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)在洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

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(zāi)工程技術(shù)研究中心/中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 2.電子科技大學(xué)

一、引言

洪水災(zāi)害是發(fā)生頻率比較高的自然災(zāi)害，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的損害。以2018年為例，我國(guó)共出現(xiàn)39次強(qiáng)降水天氣過(guò)程，全國(guó)3526.2萬(wàn)人次受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失1060.5億元[1]。作為非工程措施的遙感技術(shù)手段在近年來(lái)的重大洪澇災(zāi)害事件處理中發(fā)揮了重要的作用。實(shí)時(shí)高效的遙感數(shù)據(jù)獲取是洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)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(cè)目標(biāo)涉及大氣、陸地和海洋等，研究其在洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用對(duì)于我國(guó)的洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)具有重要的意義。

二、“哨兵”系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)介紹

“哨兵”系列衛(wèi)星是歐洲“哥白尼”（Copernicus）計(jì)劃空間部分（GSC）的專(zhuān)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(yùn)行。歐洲航天局目前已經(jīng)免費(fèi)公開(kāi)了Sentinel-1-3的數(shù)據(jù)。[2]

1.Sentinel-1衛(wèi)星

Sentinel-1衛(wèi)星是高分辨率合成孔徑雷達(dá)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(yáng)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(cè)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(nèi)河水道和沿海區(qū)在內(nèi)的全球陸地觀測(cè)。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(jiàn)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(jù)，每個(gè)軌道周期的平均觀測(cè)時(shí)間為16.3min，峰值為31min。

3.Sentinel-3衛(wèi)星

Sentinel-3是一個(gè)極軌、多傳感器衛(wèi)星，搭載的傳感器主要包括光學(xué)儀器和地形學(xué)儀器，光學(xué)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(jì)（SLSTR）；地形學(xué)儀器包括合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)（SRAL）、微波輻射計(jì)（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?qū)崿F(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(cè)量海面地形、海面和地表溫度、海洋水色和土壤特性測(cè)量，還支持海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)及環(huán)境與氣候監(jiān)測(cè)[3]。

三、面向洪澇監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的“哨兵”數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析

1.多星協(xié)同，觀測(cè)頻次高

以Sentinel-1和Sentinel-2數(shù)據(jù)為例，Sentinel-1A和Sentinel-1B兩顆雷達(dá)衛(wèi)星同時(shí)運(yùn)行，對(duì)同一地區(qū)的觀測(cè)效率為6天。而Sentinel-2A和2B，同時(shí)運(yùn)行重訪周期小于5天。因此，Sentinel-1和Sentinel-2協(xié)同觀測(cè)，可以獲取大范圍、高重訪周期的數(shù)據(jù)。這些高分辨率觀測(cè)數(shù)據(jù)，可提供洪澇災(zāi)害整個(gè)過(guò)程的災(zāi)情監(jiān)測(cè)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(dá)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(gè)光譜波段，幅寬達(dá)290km[1]。其在近紅外（B8）、紅（B4）、綠（B3）、藍(lán)（B2）四個(gè)光學(xué)波段空間分辨率高達(dá)10m。這些特點(diǎn)對(duì)于洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)任務(wù)非常適合。

3.免費(fèi)共享，實(shí)時(shí)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(kāi)獲取”原則的數(shù)據(jù)政策。目前已發(fā)射并成功在軌運(yùn)行的衛(wèi)星中，已經(jīng)免費(fèi)公開(kāi)了Sentinel-1—3的數(shù)據(jù)，尤其是Sentinel-1數(shù)據(jù)，它是全球首個(gè)向外界開(kāi)放、免費(fèi)的雷達(dá)數(shù)據(jù)。

四、基于“哨兵”數(shù)據(jù)的洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建和應(yīng)用

1.系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)的需求，基于“哨兵”數(shù)據(jù)（主要是Sentinel-1雷達(dá)數(shù)據(jù)），開(kāi)發(fā)了可實(shí)時(shí)獲取的遙感影像數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)輻射校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)和圖像計(jì)算融合等遙感圖像處理功能的洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)基本功能如下：

（1）“哨兵”數(shù)據(jù)的檢索與下載

由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)更新滯后于實(shí)時(shí)洪澇災(zāi)害，需要設(shè)定數(shù)據(jù)檢索和更新的規(guī)則，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)需求規(guī)則，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害區(qū)域“哨兵”衛(wèi)星數(shù)據(jù)的檢索和下載。

（2）輻射定標(biāo)

輻射定標(biāo)校正了散射區(qū)域、雷達(dá)天線增益和方位向傳輸損失等因素的影響，實(shí)現(xiàn)了圖像與地物后向散射關(guān)系轉(zhuǎn)換。

（3）聲貝轉(zhuǎn)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(guò)類(lèi)似聲貝（dB）轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值范圍可控。

（4）正射校正

由于合成孔徑雷達(dá)（SAR）側(cè)視成像的特點(diǎn)，地形起伏會(huì)對(duì)SAR影像造成很大的幾何畸變，導(dǎo)致透視收縮、迭掩、陰影等現(xiàn)象，需要對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行正射校正。對(duì)SAR圖像受到透視收縮、定點(diǎn)位移、陰影和疊掩的影響，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了SAR圖像正射校正，改進(jìn)了以上因素造成的畸變。

（5）圖像濾波

斑點(diǎn)噪聲是由電磁波的相干現(xiàn)象所導(dǎo)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(diǎn)噪聲的影響。

（6）波段計(jì)算與融合

波段計(jì)算和融合功能主要實(shí)現(xiàn)多極化雷達(dá)圖像的波段計(jì)算，生成RGB組合的三波段圖像。

（7）洪澇淹沒(méi)區(qū)域提取和分析

為進(jìn)行圖像的水體淹沒(méi)區(qū)域提取，需要對(duì)圖像進(jìn)行分析。雷達(dá)影像的水體提取，主要是基于微波范圍內(nèi)水體較低的后向散射特性來(lái)進(jìn)行識(shí)別，閾值法常常被用在雷達(dá)影像的水體提取上。對(duì)于Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)，適宜利用雙峰法和最大類(lèi)間方差法來(lái)確定最優(yōu)閾值[3]。結(jié)合水體提取模型提取的災(zāi)后水體區(qū)域和災(zāi)前本底水體，進(jìn)行洪水區(qū)域水體計(jì)算，提取洪水淹沒(méi)區(qū)域。將淹沒(méi)范圍圖和土地利用數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等進(jìn)行疊加分析，快速評(píng)估災(zāi)情。

2.系統(tǒng)應(yīng)用-以2019年“利奇馬”臺(tái)風(fēng)洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)為例

“利奇馬”臺(tái)風(fēng)是2019年第九號(hào)臺(tái)風(fēng)，8月10日凌晨1時(shí)45分在浙江溫嶺城南鎮(zhèn)沿海登陸。受其影響，浙江臺(tái)州市椒江流域臨海市上游的始豐溪、永安溪兩江同時(shí)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(shí)，洪峰水位10.98m，超保證水位4.28m。

在這次臺(tái)風(fēng)-洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)中，獲取了災(zāi)區(qū)災(zāi)前、災(zāi)中以及災(zāi)后3期“哨兵”衛(wèi)星數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1）。臺(tái)風(fēng)登陸后的8月11日中午，獲取了8月10日17時(shí)53分Sentinel-1B干涉測(cè)量寬幅模式影像數(shù)據(jù)（空間分辨率為20m）。利用該影像對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸后受災(zāi)最嚴(yán)重的浙江省臨海市進(jìn)行了災(zāi)情監(jiān)測(cè)。另外還獲取了災(zāi)區(qū)8月4日的Sentinel-1A干涉測(cè)量寬幅模式影像數(shù)據(jù)作為災(zāi)前對(duì)比數(shù)據(jù)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，見(jiàn)圖1（b）：受上游來(lái)水和下游高潮位頂托，靈江河道高負(fù)荷運(yùn)行，牛頭山水庫(kù)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(zāi)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(zāi)嚴(yán)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(kù)相接的塘頭溪沿岸兩側(cè)受災(zāi)嚴(yán)重；監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，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(zāi)區(qū)8月12日上午10點(diǎn)35分的四景Sentinel-2B光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)（空間分辨率為10m），對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了后序跟蹤監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：8月10日的洪水已基本退去，災(zāi)情基本解除,見(jiàn)圖1（c）中藍(lán)色部分。

圖1 浙江省臨海市洪澇災(zāi)害災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后遙感監(jiān)測(cè)圖

五、結(jié)束語(yǔ)

本文在面向洪澇監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的“哨兵”數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析基礎(chǔ)上，對(duì)基于“哨兵”數(shù)據(jù)的洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行了闡述，通過(guò)2019年“利奇馬”臺(tái)風(fēng)洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果表明：“哨兵”系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)是洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)的重要數(shù)據(jù)源，其多星協(xié)同可實(shí)現(xiàn)洪水過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。