基于GF-3衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)的鄭州及豫北地區(qū)“21·7”暴雨洪澇遙感監(jiān)測

郭 鵬， 耿維成， 張翠萍

(1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003； 2.河南省氣象科學(xué)研究所，鄭州 450003；3.國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081； 4.鄭州市氣象局，鄭州450003)

引 言

隨著全球氣候變化和城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，近年來大城市及其周邊區(qū)域暴雨洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生[1-5]，嚴(yán)重危及人民群眾生命財產(chǎn)安全和城市的正常運(yùn)行。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有覆蓋面廣、時效性強(qiáng)等特點(diǎn)，可對洪澇發(fā)生區(qū)域及時進(jìn)行大范圍掃描，獲取洪澇水體范圍、淹沒范圍、水量水深、受災(zāi)影響等多種要素[6-7]，實(shí)現(xiàn)對洪澇的快速響應(yīng)、持續(xù)觀測和影響分析，提升防汛工作的科學(xué)決策能力。

衛(wèi)星遙感監(jiān)測水體主要原理是根據(jù)衛(wèi)星傳感器接收的從地表水體反射的電磁波的波段反射特征，提取識別水體信息[8]。在各種遙感水體監(jiān)測方法中，應(yīng)用較多的是歸一化水體指數(shù)(NDWI)方法。Mcfeeters[9]在歸一化植被指數(shù)(NDVI)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)。該指數(shù)采用綠光波段與近紅外波段的比值來最大程度地抑制植被信息并突出水體信息。徐涵秋[10]在NDWI基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)，并用于不同類型的遙感影像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提取的大部分水體信息特別是城鎮(zhèn)范圍內(nèi)的水體信息比NDWI的效果好。莫偉華等[11]根據(jù)MODIS傳感器波段特點(diǎn)，構(gòu)建了混合水體指數(shù)(CIWI)，實(shí)現(xiàn)水體信息快速有效提取，效果和精度均優(yōu)于NDWI和MNDWI的效果和精度。李博等[12]對多日MODIS數(shù)據(jù)中的典型地物進(jìn)行采樣分析，在歸一化植被指數(shù)法(NDVI)基礎(chǔ)上，將其與MODIS第1波段數(shù)據(jù)組合得到山區(qū)水體增強(qiáng)指數(shù)(MEWI)，實(shí)現(xiàn)了圖像中山區(qū)溝壑的模糊處理，突出了水體信息。以上研究主要利用可見光-近紅外波段光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得到NDWI或其他水體指數(shù)，確定水體判識閾值，確定洪澇淹沒面積，通過對比災(zāi)前災(zāi)后水體范圍變化，對災(zāi)情特征進(jìn)行分析。

不同類型的遙感數(shù)據(jù)源在洪澇災(zāi)情監(jiān)測中具有各自的優(yōu)勢，目前應(yīng)用較多的主要有風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星、高分辨率系列衛(wèi)星、EOS/MODIS系列衛(wèi)星等[13-20]。由于降雨過后洪澇淹沒地區(qū)通常被云層覆蓋，可見光-近紅外波段的衛(wèi)星傳感器均無法穿透云層，難以及時獲得洪澇信息。微波傳感器不受天氣制約，具有全天候、全天時的數(shù)據(jù)獲取能力[21]，能夠穿云透霧，迅速為災(zāi)區(qū)提供第一手信息。目前利用微波雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)開展洪澇監(jiān)測較少，SSM/I等被動微波遙感數(shù)據(jù)對地表水體敏感[22-23]，但空間分辨率較低，使其應(yīng)用受到一定限制。國產(chǎn)高分三號衛(wèi)星于2016年8月發(fā)射升空，是我國首顆空間分辨率達(dá)到1 m的多極化合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像衛(wèi)星，具有12種成像模式[24-25]，可提供1 m至500 m分辨率、10 km至650 km幅寬的微波遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全球海洋和陸地資源的全天候、全天時監(jiān)測，為洪澇監(jiān)測提供了新的技術(shù)途徑。本研究擬利用高分三號主動雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對河南鄭州及其周邊地區(qū)在2021年7月20日和7月21-22日豫北地區(qū)特大暴雨形成的城市內(nèi)澇和河流洪澇淹沒地區(qū)進(jìn)行遙感監(jiān)測，計算城區(qū)內(nèi)澇淹沒面積，以及賈魯河下游河道決堤淹沒面積，為決策、防汛救災(zāi)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

鄭州市是河南省省會，位于黃淮海平原中心地區(qū)，常住人口超過1000萬，是全國重要的鐵路、航空、電力樞紐城市。2021年7月17日至22日鄭州市遭遇持續(xù)強(qiáng)降雨，全市184個氣象站降水量均超過200 mm，其中180個站的降水量超過250 mm。鄭州國家氣象站最大小時降水量達(dá)201.9 mm(20日16-17時)，突破中國大陸2418個國家級氣象站小時雨量歷史極值。另外，7月21日至22日，受切變線影響，河南中北部出現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)降水天氣，新鄉(xiāng)市等地出現(xiàn)特大暴雨。受此次暴雨影響，鄭州市及豫北多條河流超過防汛保證水位，并淹沒部分城區(qū)及低洼地區(qū)，防汛形勢嚴(yán)峻。

此次“21·7”特大暴雨降水強(qiáng)度大、影響范圍廣，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可第一時間對暴雨產(chǎn)生的洪澇災(zāi)害作出響應(yīng)。由于天氣原因，研究區(qū)在暴雨結(jié)束后長時間被云層覆蓋，極大限制了可見光—近紅外波段遙感傳感器的應(yīng)用。為及時獲取地表洪澇信息，并為防汛救災(zāi)提供決策參考，河南省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心聯(lián)合國家衛(wèi)星氣象中心，分別選取暴雨前后的高分三號合成孔徑雷達(dá)(SAR)數(shù)據(jù)，對河南鄭州及豫北地區(qū)洪澇淹沒情況進(jìn)行監(jiān)測。

2 洪澇水體遙感識別方法和結(jié)果

由于不同地物具有不同的電磁散射特性，合成孔徑雷達(dá)(SAR)后向散射強(qiáng)度與地物表面粗糙度密切相關(guān)。在SAR圖像中，由于水體表面光滑，對雷達(dá)信號后向散射能力較弱，因此呈現(xiàn)暗色調(diào)，與其他地物類型有較大差別。水體閾值的判定主要有經(jīng)驗(yàn)法、雙峰法等[26]。此外，由于地物陰影的反射系數(shù)也較低，一般情況下在SAR圖像上水體和陰影難以有效區(qū)分，但本文研究區(qū)都位于平原及城市周邊地區(qū)，因此較少考慮地形起伏及陰影影響。

利用中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心開發(fā)的高分辨率衛(wèi)星資料氣象應(yīng)用軟件洪澇監(jiān)測專題分析工具，首先對研究區(qū)域的高分三號SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(輻射定標(biāo)、多視處理、圖像濾波、地形校正)，得到散射系數(shù)強(qiáng)度局部圖；利用地形指數(shù)計算研究區(qū)陰影，由于研究區(qū)域地勢較為平坦，判識結(jié)果為該地區(qū)未產(chǎn)生陰影。最終生成HH和HV的Tiff格式產(chǎn)品，本研究選用HV通道，通過人機(jī)交互判識確定閾值，得到研究區(qū)的水體分布及變化情況。

2.1 鄭州及其附近地區(qū)洪澇遙感監(jiān)測結(jié)果

將鄭州及其附近地區(qū)暴雨開始前的7月15日和暴雨結(jié)束后的7月21日兩幅SAR影像分別進(jìn)行處理，設(shè)置閾值提取水體信息，得到暴雨前后研究區(qū)內(nèi)水體變化情況(圖1和圖2)。在影像中，各種地物根據(jù)各自后向散射強(qiáng)度大小以不同灰度顯示，其中水體由于表面光滑后向散射最小，在圖中以黑色顯示，包括黃河、賈魯河、城郊水庫及暴雨后產(chǎn)生的洪澇水體。

圖1中偏上部黑色東西向河流為黃河，鄭州位于黃河以南，城區(qū)由于建筑物較多，后向散射強(qiáng)度大，在圖像中以淺色顯示。受地勢影響，城區(qū)積水無法排入黃河，只能通過賈魯河下泄。賈魯河發(fā)源于城區(qū)西南部丘陵地帶，繞過城北流向東南方，在河南省周口市匯入沙潁河，最終匯入淮河。賈魯河河道曲折，流速緩慢，這對鄭州及其附近地區(qū)及時排澇造成不利影響。

圖1 2021年7月15日河南鄭州及周邊區(qū)域高分衛(wèi)星監(jiān)測圖

圖2 2021年7月21日河南鄭州及周邊區(qū)域高分衛(wèi)星監(jiān)測圖

從圖2可見，7月21日暴雨后河南鄭州及周邊區(qū)域出現(xiàn)大范圍洪澇水體，其中城市建成區(qū)積水時間短，20日為集中降雨時段，21日大部積水已順利排出(地鐵、隧道、施工工地及老舊小區(qū)除外)。在21日的高分三號圖像上，市中心已無明顯積水，與15日暴雨前相比變化不大，但黃河沿岸、賈魯河沿岸水體范圍有了明顯擴(kuò)大，城區(qū)以東平原地區(qū)也出現(xiàn)了多處水體。

為了更精確地反映暴雨前后研究區(qū)水體變化情況，將7月15日和7月21日兩幅高分三號雷達(dá)衛(wèi)星監(jiān)測圖進(jìn)行處理，將暴雨后增加的水體(即洪澇水體)用紅色顯示(見圖3)。賈魯河是鄭州市主要的排水通道，城區(qū)內(nèi)多條河流、管道均流入賈魯河，由于河道排水不暢，致使沿岸地區(qū)積水較重；城市以東地區(qū)地勢低平，積水明顯多于其他地區(qū)的，又以潮河匯入東風(fēng)渠附近最為嚴(yán)重(圖3中紅框1所示)。同時，賈魯河流經(jīng)尉氏縣境內(nèi)發(fā)生決口，造成大量農(nóng)田淹沒(圖3中紅框2所示)。

為便于開展災(zāi)情評估，將暴雨前后水體變化與研究區(qū)土地利用圖疊加，分析淹沒范圍內(nèi)土地利用類型。結(jié)果顯示(圖4)，鄭州及周邊區(qū)域洪澇水體面積約95 km2，其中淹沒耕地面積約66 km2，淹沒城鄉(xiāng)、工礦和居民用地面積約28 km2。淹沒的城鄉(xiāng)、工礦和居民用地呈點(diǎn)狀零散分布在鄭州城市郊區(qū)及東部平原地區(qū)，耕地主要集中在尉氏縣、中牟縣、祥符區(qū)交界處。另外，由于受黃河上游降水影響，黃河水位有所上漲，黃河灘區(qū)有大量沙洲和沿岸土地被淹沒。

2.2 豫北部分地區(qū)洪澇遙感監(jiān)測結(jié)果

7月21日至22日，豫北地區(qū)遭遇特大暴雨，新鄉(xiāng)市及周邊地區(qū)所降雨水均需要通過衛(wèi)河下泄，衛(wèi)河水位迅速上漲，沿岸多地被淹。本研究利用同樣的方法，選取暴雨前(圖5，7月21日)和暴雨后(圖6，7月22日)兩幅SAR影像開展水體監(jiān)測，并分析暴雨造成的洪澇影響。

圖3 2021年7月15-21日河南鄭州及周邊區(qū)域洪澇變化高分衛(wèi)星監(jiān)測圖

圖4 2021年7月15-21日河南鄭州及周邊區(qū)域洪澇水體與土地利用疊加圖

圖5 2021年7月21日河南新鄉(xiāng)及周邊區(qū)域高分衛(wèi)星監(jiān)測圖

從圖5中可看出，衛(wèi)河是研究區(qū)內(nèi)主要的排水通道，流經(jīng)豫北地區(qū)多個市縣，途中有多條河流匯入。衛(wèi)河河道較窄，暴雨前(7月21日)河道較細(xì)，河道內(nèi)及沿岸水體面積較小，在圖像中不易區(qū)分。

暴雨后(7月22日)水體遙感監(jiān)測結(jié)果(圖6)顯示，在研究區(qū)內(nèi)各種水體有了明顯擴(kuò)大，主要分布在新鄉(xiāng)市衛(wèi)河沿岸，其中共產(chǎn)主義渠合河站附近有多條河流交匯，加上地勢低洼，水位上漲后淹沒面積較大(圖7中紅框所示)。另外，新鄉(xiāng)市轄區(qū)內(nèi)原有湖泊池塘等水體的面積均有明顯擴(kuò)大。

圖6 2021年7月22日河南新鄉(xiāng)及周邊區(qū)域高分衛(wèi)星監(jiān)測圖

圖7 2021年7月21-22日河南新鄉(xiāng)及周邊區(qū)域洪澇變化高分衛(wèi)星監(jiān)測圖

經(jīng)估算，從7月21日至22日暴雨過后，新鄉(xiāng)市及其周邊地區(qū)新增洪澇水體面積約121 km2(圖8)，主要受災(zāi)區(qū)域以耕地為主，其中淹沒耕地面積約112 km2，城鄉(xiāng)、工礦和居民用地受災(zāi)面積約6 km2，城區(qū)水體均及時排出，受影響較小。

圖8 2021年7月21-22日河南新鄉(xiāng)及周邊區(qū)域洪澇水體與土地利用疊加圖

3 小 結(jié)

河南省鄭州市和新鄉(xiāng)市分布于黃河兩岸，兩地所降暴雨產(chǎn)生的洪水均無法排入黃河，只能通過賈魯河和衛(wèi)河排泄。由于這兩條河流河道狹窄，排水不暢，降雨區(qū)又位于兩條河流源頭附近，洪水行程長，導(dǎo)致兩地大面積長時間受淹，造成工農(nóng)業(yè)嚴(yán)重?fù)p失。本研究在暴雨結(jié)束后的7月21日(鄭州)和7月22日(新鄉(xiāng))立即采用高分三號星載合成孔徑雷達(dá)SAR數(shù)據(jù)開展水體識別及淹沒范圍估算。估算結(jié)果證明，SAR數(shù)據(jù)不受云層影響，可有效彌補(bǔ)可見光-近紅外波段衛(wèi)星傳感器由于天氣原因造成的數(shù)據(jù)空缺，在暴雨過后及時準(zhǔn)確提取地表洪澇水體信息，為防汛救災(zāi)提供決策依據(jù)。由于耕地地物類型簡單，淹沒范圍大，利用高分三號SAR數(shù)據(jù)對耕地上水體的監(jiān)測效果要好于對城鎮(zhèn)、工礦和居民用地上的水體監(jiān)測效果，計算的淹沒面積、分布范圍更加準(zhǔn)確。

此次強(qiáng)降雨造成鄭州市內(nèi)多處街道積水。本研究試圖對城區(qū)內(nèi)淹沒范圍進(jìn)行提取，由于受到高分三號衛(wèi)星空間分辨率限制，雖然可以監(jiān)測到城市街道積水，但因水體范圍受混合像元影響而難以準(zhǔn)確提取。同時，由于市中心排水及時，地表積水時間短、面積小，地鐵、隧道處積水無法監(jiān)測，從選取的21日衛(wèi)星影像上看，監(jiān)測提取的城市洪澇水體主要集中在郊區(qū)與賈魯河沿岸，這符合城市排水系統(tǒng)分布及實(shí)際淹沒情況。今后在遙感監(jiān)測基礎(chǔ)上，開展地面與交叉數(shù)據(jù)驗(yàn)證，并結(jié)合驗(yàn)證結(jié)果，修正模型參數(shù)，進(jìn)一步提高遙感洪澇監(jiān)測精度。