基于高分影像數(shù)據(jù)的正安縣碧峰鎮(zhèn)“6.12”特大暴雨災(zāi)害過程的三維GIS模擬研究

石 悅，石 方，宋善海，袁三明，李光一，胡 鋒

(1貴州省氣象局，貴州 貴陽 550002；2貴州省習水縣氣象局，貴州 習水 564600)

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2020年貴州汛期暴雨洪澇災(zāi)害共244起，其中，2020年6月11日07時至12日07時，遵義市正安縣碧峰鎮(zhèn)降264.6毫米特大暴雨，最大小時降雨163.3毫米，為貴州有氣象記錄以來歷史最大一小時降雨。研究選取區(qū)域正安縣碧峰鎮(zhèn)作為模擬區(qū)域，利用高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)影像，對研究區(qū)域5年、10年、20年、50年以及100年暴雨洪澇災(zāi)害進行場景演化模擬工作[1]，并借此演變分析結(jié)果提出相應(yīng)的災(zāi)害應(yīng)對措施建議[2]。

1 主要研究內(nèi)容方法

1.1 總體技術(shù)路線

首先對研究區(qū)域進行確認，實地調(diào)研，獲取高分遙感影像。影像處理方法包括：輻射定標、FLAASH大氣校正、幾何校正、正射校正等；把預(yù)處理好的影像數(shù)據(jù)用于模擬洪水災(zāi)害：a.獲取“洪水”數(shù)據(jù)：導入之前選取區(qū)域范圍的kml文件，將其導出為shp文件；b.影像處理：將影像以及DEM數(shù)據(jù)加載到ArcSence中進行疊加，獲得立體影像；c.進行淹沒分析：將之前生成的shp文件加載進來，按照洪水變化的量進行相應(yīng)動態(tài)視頻的制作；最后對洪水災(zāi)害結(jié)果進行分析以及應(yīng)對災(zāi)害措施的思考，見圖1。

圖1 研究技術(shù)總體路線圖Fig.1 Overall road map of the research

1.2 影像數(shù)據(jù)處理方法

在獲取到遙感衛(wèi)片原片后，需要對獲取的原片進行預(yù)處理，才能得到用于區(qū)域研究的高分辨率遙感影像。使用泰坦機服務(wù)器，ENVI軟件對高分2號衛(wèi)星影像進行預(yù)處理，處理流程見圖2。

圖2 遙感影像的預(yù)處理流程Fig.2 Preprocessing of the remote sensing images

1.3 三維GIS動態(tài)視頻介紹及處理方法

在ArcGIS軟件中，選用ArcScene三維場景建模[3]。制作場景時，ArcScene會將所有數(shù)據(jù)加載到場景中顯示，矢量數(shù)據(jù)以矢量形式顯示出來，柵格數(shù)據(jù)默認會降低分辨率來顯示以提高效率，但后期處理可以選擇高質(zhì)量渲染以提高分辨率[4]。此次研究通過加載影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)以及shp參數(shù)數(shù)據(jù)生成三維模型，具體流程圖見圖3。

圖3 三維影像預(yù)處理流程Fig.3 3D image preprocessing process

2 研究結(jié)果分析

2.1 高分衛(wèi)星影像預(yù)處理

1)數(shù)據(jù)源選擇

此次研究選擇高分二號(GF-2)衛(wèi)星，是我國自主研制的首顆空間分辨率優(yōu)于1米的民用光學遙感衛(wèi)星。高分二號影像可以達到亞米級別，完全滿足了研究的需求。高分二號詳細信息見表1。

表1 高分二號衛(wèi)星詳細信息Tab.1 Details of High Resolution Satellite 2

2)輻射定標

影像經(jīng)過輻射定標處理，其目的在于消除衛(wèi)星傳感器原本的誤差，校正誤差以至于得到準確的輻射值。

3)FLAASH大氣校正

得到準確的輻射值后再進行下一步大氣校正。大氣校正是將輻射亮度或者表面反射率轉(zhuǎn)換為地表實際反射率。其目的是消除大氣散射、吸收、反射引起的誤差。校正之后的結(jié)果對比見圖4。

圖4 大氣校正前后對比Fig.4 Comparison before and after atmospheric correction

4)正射校正

大氣校正的結(jié)果可能會產(chǎn)生扭曲變形，所以還要對其進行正射校正。正射校正是對影像進行幾何

畸變糾正的一個過程，它將對由地形、相機幾何特性以及與傳感器相關(guān)的誤差所造成的明顯的幾何畸變進行處理。正射校正之后的結(jié)果對比見圖5。

圖5 正射校正前后對比Fig.5 Comparison before and after orthophoto correction

5)影像融合

影像融合是指將多源信道所采集到的同一目標圖像整合處理，由于全色影像的空間信息在多光譜影像中難以更加清晰的展現(xiàn)，所以為了得到全色的高分辨率信息和豐富的多光譜信息，就得經(jīng)過影像融合，得到同時具有空間分辨率和光譜分辨率的影像圖。

6)影像裁切

根據(jù)項目需要，方便后續(xù)研究，用市州縣鄉(xiāng)的shp文件將遵義市正安縣碧峰鎮(zhèn)的影像數(shù)據(jù)裁切出來(圖6)。

圖6 2020年碧峰鎮(zhèn)GF-2影像Fig.6 GF-2 image of Bifeng Town in 2020

2.2 三維模擬災(zāi)害視頻制作

1)加載影像和區(qū)域dem數(shù)據(jù)

打開ArcSence三維顯示和分析，分別將處理好的碧峰鎮(zhèn)高分衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和碧峰鎮(zhèn)DEM文件加載到ArcScene內(nèi)，得出的效果見圖7。

圖7 加載影像數(shù)據(jù)Fig.7 Loading image data

2)疊加數(shù)據(jù)生成三維影像

點擊碧峰鎮(zhèn)高分2號影像屬性，將基本高度中表面浮動項添加碧峰鎮(zhèn)DEM數(shù)據(jù)，使它們聯(lián)系起來。從要素獲取的高層屬性欄這里，場景單位系數(shù)，當這個值越高，地形起伏就越大，看起來就更立體。也可以點擊渲染屬性，將“柵格影像的質(zhì)量增強”值調(diào)為最大，其目的在于渲染三維影像，看起來更加真實(圖8)。

圖8 碧峰鎮(zhèn)三維影像Fig.8 3D image of Bifeng Town

3)模擬洪水淹沒狀況

通過剪切把正安縣碧峰鎮(zhèn)shp數(shù)據(jù)導入到ArcSence中，選擇影像屬性，在“基本高度”選項內(nèi)，在“從表面獲取的高程”處選擇“沒有從表面獲取的高程值”，“圖層偏移量”處“添加常量高程偏移”設(shè)置數(shù)字，表示洪水水位的海拔高度，設(shè)置好以后可以看到研究區(qū)域被洪水淹沒的狀況[5]。見圖9所示。

圖9 碧峰鎮(zhèn)洪水淹沒狀況Fig.9 Flood inundation scenario in Bifeng Town

4)制作洪水災(zāi)害動畫

選擇ArcSence窗口中的動畫菜單，點擊“動畫”按鈕“創(chuàng)建關(guān)鍵幀”，在屬性欄中填寫“洪水”上漲的速度以及時間，創(chuàng)建好洪水流速后保存屬性，點擊“動畫控制器”按照之前提前設(shè)定的方位和水量上升狀態(tài)，最后生成洪水災(zāi)害動畫視頻。

形成洪澇災(zāi)害的主要因素包括降雨量不均、水資源利用率低，巖溶地貌發(fā)育完全、水資源開發(fā)難度大，巖層含水性等原因。此次研究針對碧峰鎮(zhèn)暴雨模擬災(zāi)害分別研究了5年、10年、20年、50年的災(zāi)害模型，見圖10至圖13所示。

圖10 5年一遇暴雨洪災(zāi)場景模擬Fig.10 Scenario simulation of once-every-five-years rainstorm

圖11 10年一遇暴雨洪災(zāi)場景模擬Fig.11 Scenario simulation of once-every-ten-years rainstorm

圖12 20年一遇暴雨洪災(zāi)場景模擬Fig.12 Scenario simulation of once-every-twenty-years rainstorm

圖13 50年一遇暴雨洪災(zāi)場景模擬Fig.13 Scenario simulation of once-every-fifty-years rainstorm

3 討論

通過模擬暴雨災(zāi)害研究直觀的感受到洪水災(zāi)害的全過程，能夠確切分析出高低緯地區(qū)洪水來臨時受災(zāi)情況，對于發(fā)生暴雨洪水災(zāi)害，結(jié)合模擬演練視頻得出碧峰鎮(zhèn)具體應(yīng)急措施。

1)應(yīng)急轉(zhuǎn)移

從模擬的視頻上可以看出，東南面的海拔比較低，所以當洪水來臨時受災(zāi)群眾應(yīng)該往西北方位的高海拔地區(qū)進行轉(zhuǎn)移，但更重要的是洪水來臨之前，相關(guān)部門要做好應(yīng)急預(yù)警工作，及時通知到位，避免“人未走水先到”的情況發(fā)生。

2)河道清理

正安縣碧峰鎮(zhèn)有條名為下司河的河流，為保證下暴雨時水流能夠更好的引流，應(yīng)防止河流受到堵塞，定期清理河流。

3)基礎(chǔ)建設(shè)

山洪的發(fā)生對社會造成極大的傷害，碧峰鎮(zhèn)近3萬人口來說，人口相對較多，基礎(chǔ)設(shè)施、配套設(shè)施等都應(yīng)具備，應(yīng)該讓有關(guān)部門進行配合評估，不達標的應(yīng)給予重建或改造。

4)疾病預(yù)防

洪水災(zāi)害不僅損壞了家園，也有可能帶來疾病，所以洪水過后受損壞的自來水設(shè)施應(yīng)抓緊修整，蓄水池、水井要清洗干凈，可以使用漂白粉、明礬等進行殺菌消毒，并配合防疫部門工作，預(yù)防疾病的發(fā)生。

4 結(jié)果

通過高分影像數(shù)據(jù)以及模擬三維GIS的研究，得出了研究區(qū)域的真實災(zāi)害過程。通過泰坦處理器、ENVI技術(shù)等方法對高分影像進行預(yù)處理，完成了影像的高分辨出圖；通過ArcSence完成了對研究區(qū)域的三維地圖展現(xiàn)并制作模擬災(zāi)害動態(tài)視頻，直觀的讓人感受到災(zāi)害發(fā)生的全過程。本研究工作完成后，可針對洪水災(zāi)害事故事先模擬結(jié)果提出相應(yīng)的應(yīng)急措施建議，增強社會的應(yīng)急抗災(zāi)意識，減少洪災(zāi)事故，減少經(jīng)濟損失，為后續(xù)災(zāi)害防范提供了一定的基礎(chǔ)支撐。