GNSS反射遙感在安徽省洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

陳璞，楊鑫麗，汪俊濤

（1.安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會(huì)）水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000；2.武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223；3.中鐵四局設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230023）

1 引言

洪澇災(zāi)害是一種分布區(qū)域廣、頻率高、突發(fā)性強(qiáng)的嚴(yán)重自然災(zāi)害，是對(duì)安徽經(jīng)濟(jì)影響最大的自然災(zāi)害之一[1]。近年來，連續(xù)性暴雨造成的內(nèi)澇和外洪災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，對(duì)安徽省國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)穩(wěn)定造成很大影響。2020年，淮河以南山區(qū)普降大暴雨，淮河上中游干流及支流多條河流發(fā)生超警以上洪水，最終造成全省16個(gè)市受災(zāi)，受災(zāi)人口約1046.53萬人，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)600.65億元，且造成了14人死亡[2]。國內(nèi)外研究表明，開展科學(xué)有效的洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)，是避免或減少洪澇災(zāi)害損失簡單有效的途徑。隨著全球衛(wèi)星遙感技術(shù)的蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星遙感影像被廣泛應(yīng)用于洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)，但光學(xué)遙感易受云雨霧等氣候條件的影響，在暴雨發(fā)生時(shí)往往無法獲取有效的數(shù)據(jù)。以合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar）為代表的主動(dòng)微波遙感技術(shù)具有高空間分辨率的特點(diǎn)，但獲取長時(shí)間序列的數(shù)據(jù)成本較高，且重訪周期較長，不能滿足汛期高時(shí)間分辨率的要求。

以北斗、GPS、Galileo和GLONASS為代表的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）不僅可以為全球用戶提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，而且其信號(hào)可用于探測(cè)地表與空間參數(shù)。GNSS反射遙感（Global Navigation Satellite System Reflec?tometry,GNSS-R）是一種利用GNSS反射信號(hào)反演地球物理參數(shù)的新型遙感技術(shù)[3]，該技術(shù)利用GNSS衛(wèi)星免費(fèi)的信號(hào)源，具有無源探測(cè)、成本低、功耗低、時(shí)空分辨率高等優(yōu)勢(shì)。

GNSS-R技術(shù)的研究開始于上世紀(jì)90年代，近年來已成為衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著英國UK-DMC（Unit?ed Kingdom-Disaster Monitoring Con?stellation）、TDS-1（TechDemoSat-1）和美國 CYGNSS（Cyclone Global Navi?gation Satellite System）等星載GNSS-R衛(wèi)星試驗(yàn)的實(shí)施，星基GNSSR技術(shù)得到了快速發(fā)展。研究表明，星基GNSS-R觀測(cè)值對(duì)土壤或地表中的含水量十分敏感，為星基GNSS-R洪水探測(cè)提供了契機(jī)。Chew等人[4]利用CYGNSS數(shù)據(jù)分析了GNSS反射信號(hào)對(duì)土壤濕度的敏感性，并利用SMAP數(shù)據(jù)對(duì)GNSS-R土壤濕度探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估。隨后，Clara等人[5]利用CYGNSS數(shù)據(jù)繪制了高分辨率的洪水分布圖，與SMAP相比，星基GNSS-R對(duì)洪水淹沒區(qū)域繪制范圍更加清晰。隨著研究的深入，Cynthina等人[6]提出了一種基于閾值分割的水體掩膜繪制方法，對(duì)水體分布情況進(jìn)行了繪制。我國學(xué)者萬瑋等人[7]利用CYGNSSS數(shù)據(jù)研究了2017年中國東南部臺(tái)風(fēng)期間的洪水淹沒情況，研究結(jié)果表明星基GNSS-R監(jiān)測(cè)地表水文參數(shù)的可行性。Mahmoud等人[8]于2020年研究了利用CYGNSS數(shù)據(jù)繪制了伊朗東南部洪水分布情況，并計(jì)算了洪水淹沒面積。總體來說，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量星基GNSS-R洪水探測(cè)方面研究，但依然處于初級(jí)階段，還有很大的發(fā)展空間。

本文首先介紹星基GNSS-R基本原理，然后將安徽省作為研究對(duì)象，通過實(shí)測(cè)CYGNSS數(shù)據(jù)研究星基GNSS-R技術(shù)在洪水探測(cè)方面的應(yīng)用。

2 星基GNSS-R基本原理

GNSS衛(wèi)星向地球發(fā)射圓極化微波信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)地表前向散射后由CYGNSS衛(wèi)星接收機(jī)采集，這個(gè)過程中CYGNSS衛(wèi)星和GNSS衛(wèi)星構(gòu)成了一個(gè)雙基地雷達(dá)系統(tǒng)，如圖1所示。GNSS系統(tǒng)的目標(biāo)是通過分析反射信號(hào)獲取反射面的特征信息，主要觀測(cè)值是地表反射率值，這些觀測(cè)值來自CYGNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品2.1版本L1數(shù)據(jù)集記錄的時(shí)延多普勒?qǐng)D（Delay-Doppler Mapping，DDM）中，從中獲取信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）數(shù)據(jù)。

GNSS-R技術(shù)中接收功率是相干散射和非相干散射分量的組合，當(dāng)反射面光滑時(shí)，反射信號(hào)大多是相干的。隨著反射表面粗糙度的增加，反射信號(hào)趨于不相干。在穩(wěn)定平靜的天氣條件下，內(nèi)陸地表水體是光滑的。因此，來自它們的反射信號(hào)主要是相干散射的。在本研究中，假設(shè)通過CYGNSS衛(wèi)星探測(cè)水體存在相干散射機(jī)制，散射功率的相干分量的校正地表反射率表達(dá)式如式（1）所示[9]：

上式中，SNR為衛(wèi)星信號(hào)信噪比，λ為GPS L1信號(hào)波長（約為0.19m），dt和dr分別為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)至鏡面反射點(diǎn)的距離，Gt為發(fā)射機(jī)在鏡面反射點(diǎn)的天線增益，Gr為接收機(jī)在鏡面反射點(diǎn)的天線增益。

3 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)榘不帐10]，位于長江三角洲，中國的東部地區(qū)，東經(jīng)114°54′至119°37′，北緯29°41′至34°38′，總面積為14.01萬km2。安徽省地跨長江、淮河、新安江三個(gè)水系，共有2000多條河流，580多個(gè)湖泊。安徽省淮河以南屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，淮河以北屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。全年平均降水量在773～1670mm之間，夏季降水量非常多，占全年降水量的40%～60%。如圖2所示為安徽省的地圖。

圖2 安徽省地圖

在2020年梅雨期，安徽省多地出現(xiàn)多次強(qiáng)降水過程，多地發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年梅雨期持續(xù)降水造成安徽省16個(gè)市95個(gè)縣（市、區(qū)）受災(zāi)，1046.53萬人受災(zāi)，14人死于洪澇災(zāi)害，132.88 萬人被緊急轉(zhuǎn)移安置；1221.31千公頃農(nóng)作物受災(zāi)，其中393.7千公頃絕收；5927間房屋倒塌，2.75萬間房屋嚴(yán)重?fù)p壞，15.2萬間房屋一般損壞。

長江、新安江、巢湖、淮河等流域自南向北因強(qiáng)降雨全域受災(zāi)，其中受災(zāi)最重的是巢湖流域，其次是長江流域。包括肥西縣、廬江縣、阜南縣等29個(gè)縣（區(qū)）被評(píng)定為重災(zāi)縣。根據(jù)受災(zāi)損失、受災(zāi)區(qū)域及后續(xù)影響等因素分析，2020年洪澇災(zāi)害為全省重特大自然災(zāi)害。

4 星載GNSS-R洪水探測(cè)結(jié)果

2020年6月至7月，安徽省進(jìn)入了汛期，全省大部分地區(qū)持續(xù)遭遇強(qiáng)降雨襲擊，長江流域平均降雨量為1961年以為同期最多，淮河流域平均降雨量也較往年增加1/3,引發(fā)了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。如圖所示為2020年三個(gè)時(shí)期的地表反射率如圖3所示，圖3（a）為2020年1月至2月期間的地表反射率圖，圖3（b）為2020年6月至7月期間的地表反射率圖，圖3（c）為2020年11月至12月期間的地表反射率圖。

圖3 安徽省地表反射率圖

利用星載GNSS-R技術(shù)探測(cè)水體時(shí)采用閾值方法，研究中設(shè)置水體閾值為11dB，圖3中顏色較深的區(qū)域?yàn)樗w。從圖3中可以對(duì)比看出暴雨前后的水體情況，2020年6月至7月暴雨時(shí)期水體明顯增加。

5 結(jié)論與展望

本研究利用2020年1-2月、6-7月、11-12月三個(gè)不同時(shí)期的CYGNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)繪制了安徽省區(qū)域的地表反射率圖，探測(cè)2020年安徽省暴雨期間的洪水情況，利用經(jīng)過相干散射校正的信噪比作為水體特征值，繪制洪水分布圖。盡管缺乏對(duì)于水體的定量評(píng)估，但本研究的結(jié)果證明了GNSS-R技術(shù)在洪水探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用能力。隨著GNSS-R技術(shù)的發(fā)展，GNSS-R技術(shù)將會(huì)有質(zhì)量更好、時(shí)空分辨率更高的數(shù)據(jù)，將會(huì)在地表水文研究中擁有更為廣泛的應(yīng)用場景。