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

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(guó)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(guó)是一個(gè)洪澇災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)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(guó)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(cè)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(cè)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(cè)。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(cè)，且監(jiān)測(cè)時(shí)不受天氣條件影響。其中，哨兵一號(hào)作為歐洲航天局（ESA）“哥白尼計(jì)劃”的地球觀測(cè)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(shì)相結(jié)合，非常有利于災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

圩堤作為防洪排澇的筑堤，保護(hù)著地勢(shì)低洼區(qū)，潰堤決口是造成村莊內(nèi)澇的一個(gè)重要原因，評(píng)估圩堤潰堤情況對(duì)監(jiān)測(cè)洪澇災(zāi)害具有重要意義。因此，本文基于哨兵一號(hào)的SAR影像數(shù)據(jù)，首先利用變化檢測(cè)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(cè)洪災(zāi)下三個(gè)圩堤漫堤險(xiǎn)情，評(píng)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(zhǎng)江中下游南岸，呈狹長(zhǎng)狀，是我國(guó)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(jí)支流，北端與長(zhǎng)江相連，并設(shè)有水文站對(duì)鄱陽湖及周圍水體的水流交互進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(gè)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(gè)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(hào)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(duì)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(duì)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(cè)區(qū)域預(yù)處理前后的對(duì)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(hào)圖像預(yù)處理前（a）后（b）對(duì)比

三、研究方法

本研究采用變化檢測(cè)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(cè)時(shí)效果更好。圖3為洪水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程圖。方法原理如下：

圖3 洪水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程圖

監(jiān)測(cè)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(huì)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(hào)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(duì)水體信息的提取。因此在提取水體信息之前，需對(duì)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(shì)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(duì)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(cè)方法提取了監(jiān)測(cè)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）。可以看到鄱陽湖及附近區(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(gè)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(cè)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(huì)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(zhǎng)為188m，三角聯(lián)圩潰口長(zhǎng)約100余米。本文利用SNAP軟件測(cè)量潰口長(zhǎng)度，結(jié)果顯示中洲圩潰口長(zhǎng)約170m，三角聯(lián)圩潰口長(zhǎng)約105m，與實(shí)際潰堤情況基本一致，說明哨兵一號(hào)在監(jiān)測(cè)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(duì)比

圖6 永修縣三角聯(lián)圩潰堤前（a）后（b）情況對(duì)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(cè)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(hào)監(jiān)測(cè)提取的水體信息有效、快速。

五、結(jié)束語

本文利用哨兵一號(hào)影像數(shù)據(jù)對(duì)2020年7月鄱陽湖及周圍水域洪災(zāi)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)論如下：①變化檢測(cè)方法原理簡(jiǎn)單、易操作，可以快速提取水體淹沒信息。②經(jīng)過災(zāi)情評(píng)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(gè)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(zhǎng)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(hào)評(píng)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(cè)中具有巨大潛力。