高分三號影像在洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用

任正情

摘要：合成孔徑雷達(dá)（SAR）廣泛應(yīng)用于洪澇災(zāi)害監(jiān)測中，本文針對2020年安徽六安的特大洪水災(zāi)害及時獲取高分三號（GF-3）衛(wèi)星的實時SAR數(shù)據(jù)，開展了應(yīng)急監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示：六安市北部霍邱縣境內(nèi)的城東湖、城西湖以及淮河兩側(cè)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)較為嚴(yán)重，對嚴(yán)重區(qū)進(jìn)行了多期的動態(tài)監(jiān)測和統(tǒng)計分析，取得了良好的效果。同時認(rèn)為GF-3衛(wèi)星影像具有較高的災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測能力，可為國家減災(zāi)備災(zāi)、應(yīng)急救災(zāi)、恢復(fù)重建工作提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞 高分三號；合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)；應(yīng)急監(jiān)測；洪澇災(zāi)害

1.引言

2020年我國經(jīng)歷了規(guī)模較大的洪澇災(zāi)害，共有超148條河流發(fā)生超過警戒水位的洪水。我國一直是水災(zāi)大國，因此當(dāng)洪澇災(zāi)害發(fā)生時，如何快速有效的監(jiān)測災(zāi)害情況對災(zāi)害評估與災(zāi)后重建都極為重要。衛(wèi)星遙感技術(shù)由于其覆蓋范圍廣、性價比高、快速便捷等優(yōu)點已成為洪澇災(zāi)害監(jiān)測常用的一種技術(shù)，而合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星技術(shù)不受雨云等惡劣天氣影響，全天時、全天候成像，突破了以往光學(xué)遙感衛(wèi)星依賴于晴朗天氣的局限性。

高分三號（GF-3）衛(wèi)星是我國自主研制的首顆多極化、C頻段合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星，同時也是世界上性能最先進(jìn)的C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星，于2016年8月10日發(fā)射，作為一顆C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)成像衛(wèi)星，高分三號能夠全天候和全天時實現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測，通過左右姿態(tài)機(jī)動擴(kuò)大對地觀測的范圍和提升快速響應(yīng)的能力。高分三號衛(wèi)星已廣泛應(yīng)用于城市減災(zāi)備災(zāi)、應(yīng)急救災(zāi)、恢復(fù)重建等工作中。

本文概略介紹了SAR數(shù)據(jù)在洪澇災(zāi)害監(jiān)測上的理論方法，應(yīng)用GF-3影像數(shù)據(jù)對2020年安徽六安市的特大洪水災(zāi)害開展應(yīng)急監(jiān)測，驗證了應(yīng)急監(jiān)測能力。同時為GF-3衛(wèi)星在自然災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用提供參考。

2. SAR在洪澇災(zāi)害中的應(yīng)用依據(jù)

洪澇災(zāi)害往往伴隨著暴雨、大風(fēng)等強(qiáng)烈雨云天氣，使光學(xué)遙感器的應(yīng)用受限制。由于微波具有穿透雨云的能力，因此微波遙感器，尤其是SAR，可以對自然災(zāi)害進(jìn)行全天候、全天時的監(jiān)測，已成為自然災(zāi)害監(jiān)測中極其重要的手段。

洪澇遙感監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)在于水體的識別。水體識別技術(shù)主要基于水體的光譜特征和空間位置關(guān)系分析，將其從其它非水體信息中提取出來。利用遙感數(shù)據(jù)提取水體信息的方法有閾值法、譜間分析法和多波段運算法等。針對SAR影像的水體提取方法目前多應(yīng)用閾值法。由于SAR圖像后向散射能力的大小與地物的表面粗糙度及影像入射角大小息息相關(guān)。城鎮(zhèn)、植被等非水體表面粗糙，對雷達(dá)波束具有較強(qiáng)的后向散射能力，影像上以灰色和灰白色調(diào)為主，而陸地水體以鏡面散射為主，對雷達(dá)波束的后向散射能力很弱，呈現(xiàn)暗色調(diào)，因此可利用閾值分割的方法，當(dāng)圖像的后向散射強(qiáng)度小于閾值時確定為水體，大于閾值確定為非水體，從而實現(xiàn)水體信息的識別和提取。閾值的判定主要有經(jīng)驗法、雙峰法及以最大類間方差法為代表的數(shù)理統(tǒng)計法等。但其難點是不同雷達(dá)數(shù)據(jù)水體的后向散射系數(shù)值差異較大，很難確定一個統(tǒng)一的閾值。由于陰影在圖像上的反射系數(shù)也較低，水體和陰影的區(qū)分仍存在難度，多結(jié)合DEM去除陰影。另外，雷達(dá)受噪聲影響嚴(yán)重，基于像元的水體提取容易出現(xiàn)“椒鹽”現(xiàn)象，提取的圖斑過于破碎，后期整理工作量較大，目前有采用濾波或者圖像變換的技術(shù)以改進(jìn)。

3.數(shù)據(jù)源

3.1高分三號成像模式

3.1.1條帶成像模式

條帶模式是星載SAR最常用的成像模式，在條帶模式工作時，雷達(dá)以一個固定視角對地面進(jìn)行照射。星載SAR一般工作在脈沖模式，即以一定的頻率（PRF）向地面發(fā)射脈沖并接收地面反射的回波信號。在距離向，星載SAR通過發(fā)射寬帶線性調(diào)頻信號（LFM）并用匹配濾波器來提高分辨率。而在方位向，星載SAR使用較寬的天線波束，通過對多個脈沖進(jìn)行相干積累以提高分辨率。這樣，從單個目標(biāo)來看，雷達(dá)信號從不同角度進(jìn)行照射，相當(dāng)于一個較大的天線孔徑，這就是合成孔徑的原理。

高分三號在條帶成像模式下能夠?qū)崿F(xiàn)的分辨率及測繪帶寬如下表：

3.1.2滑動聚束成像模式

滑動聚束模式是通過控制天線輻照區(qū)在地面的移動速度來控制方位分辨率，其成像的面積比聚束SAR大，高于相同天線尺寸條帶SAR的分辨率，圖像也不會產(chǎn)生扇貝效應(yīng)。高分三號在該模式下能夠?qū)崿F(xiàn)分辨率1m，成像面積10km*10km。

3.1.3掃描成像模式（ScanSAR）

ScanSAR是星載SAR寬測繪帶觀測的重要模式，通過多個子測繪帶間切換，擴(kuò)展觀測地區(qū)觀測帶的寬度，實現(xiàn)寬測繪帶觀測。高分三號能夠采用ScanSAR模式成像，它工作于C波段，有全球監(jiān)測、寬、窄三種掃描模式，測繪帶寬分別為650km、500km和300km，分辨率分別為500m×500m、100m×100m和50m×50m。

3.1.4波成像模式

波成像模式分辨率及成像范圍為：10m/5km*5km（全極化），連續(xù)兩次觀測間隔約50km。

3.1.5高低入射角成像模式

高分三號在成像時的常規(guī)入射角為20°～50°，在擴(kuò)展入射角成像模式時10°～60°。其分辨率及帶寬分別為：

低入射角25m/130km（雙極化）以及高入射角25m/80km（雙極化）。

3.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次監(jiān)測使用GF-3衛(wèi)星精細(xì)條帶2（FSII）的HH、HV雙極化影像數(shù)據(jù)，由于獲取的數(shù)據(jù)為L1A級圖像，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。預(yù)處理過程一般包括輻射定標(biāo)、多視、斑點噪聲濾波、地理編碼、重采樣等。利用PIE-SAR軟件對GF-3 SAR原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)。地理編碼過程中采用的高程數(shù)據(jù)是ALOS 12.5m的DEM。

4. 2020年六安市洪澇災(zāi)害監(jiān)測

六安市位于安徽省西部，處于長江與淮河之間，是安徽省洪災(zāi)較為嚴(yán)重的城市，2020年7月洪災(zāi)發(fā)生時，境內(nèi)六大水庫均超汛限水位。其下轄霍邱縣境內(nèi)有城東湖、城西湖、姜唐湖三大行蓄洪區(qū)，總面積901km2，面積和行蓄洪量均占全省沿淮行蓄洪區(qū)總量的三分之一。7月20日，為減輕淮河流域防洪壓力，按照安徽省防汛抗旱指揮部命令，六安市霍邱縣開啟姜唐湖進(jìn)洪閘、退洪閘，向姜唐湖行蓄洪區(qū)泄洪，抗災(zāi)形勢嚴(yán)峻。

GF-3衛(wèi)星迅速啟動應(yīng)急響應(yīng)，獲取了災(zāi)前7月13日及災(zāi)中18、21、23日覆蓋六安市大部分地區(qū)以及受災(zāi)嚴(yán)重的六安市北部霍邱縣的精細(xì)條帶SAR數(shù)據(jù)（分辨率10m）。對影像預(yù)處理后，采用最大類間方差法的方法進(jìn)行閾值計算并分割影像，提取水體，對六安市洪澇災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測。圖1為預(yù)處理后六安市7月13日HV極化強(qiáng)度影像以及提取的水體信息，并與18日水體進(jìn)行了對比（圖2）。

針對六安市部分地區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重鄉(xiāng)鎮(zhèn)水體面積進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表2，其中羅集鄉(xiāng)、固鎮(zhèn)鎮(zhèn)和木廠鎮(zhèn)受災(zāi)面積最大。

由圖看出六安市北部霍邱縣境內(nèi)的城東湖、城西湖以及淮河兩側(cè)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)較為嚴(yán)重，重點對該地區(qū)的水體淹沒范圍的動態(tài)變化作分析，將13日、18日、21日、23日的水體信息提取出來并相互之間進(jìn)行空間疊加對比，結(jié)果見圖3。

針對六安市北部受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)域水體面積進(jìn)行統(tǒng)計（表3），結(jié)果顯示，從13日到18日，六安市北部水體增幅最大，水體面積增加近一半，到21日增幅降低，23日因開展各項泄洪防洪措施，洪水逐漸消退，淹沒面積也逐漸降低。

最終各期的監(jiān)測結(jié)果及時提交給了六安市應(yīng)急管理相關(guān)部門，快速準(zhǔn)確了解了洪災(zāi)范圍和災(zāi)情程度，為救災(zāi)工作提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

5.結(jié)論

針對2020年六安市發(fā)生的特大洪水災(zāi)害，連續(xù)獲取該區(qū)災(zāi)前、災(zāi)中以及接近災(zāi)后的高分三號影像開展應(yīng)急監(jiān)測，及時快速的獲取災(zāi)區(qū)洪水淹沒范圍及淹沒動態(tài)變化情況，結(jié)果證明GF-3衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)的洪澇災(zāi)害監(jiān)測中，數(shù)據(jù)獲取快捷，影像質(zhì)量較好，且具有較高的監(jiān)測精度，為救災(zāi)工作提供了近實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。高分三號衛(wèi)星作為國家減災(zāi)救災(zāi)業(yè)務(wù)體系的一員，依據(jù)其提供的穩(wěn)定、可靠的高分辨率微波遙感圖像，可以為減災(zāi)備災(zāi)、應(yīng)急救災(zāi)、恢復(fù)重建等提供多源動態(tài)信息，加快災(zāi)害的監(jiān)測與評估進(jìn)程，增強(qiáng)對災(zāi)害的快速反應(yīng)能力，對防災(zāi)救災(zāi)工作提供有力的數(shù)據(jù)支持。

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