基于GF-3号遥感影像水体信息提取的郑州市洪涝灾害监测

王景旭， 邱士可， 王 正， 王 超， 杜 军

（河南省科学院地理研究所，郑州 450000）

目前，利用遥感手段快速大面积获取水体分布对于洪涝灾害评估、土地资源调查等方面具有重要意义［1-3］.光学遥感中利用水体的光谱特征来提取水体分布，但无法穿透阴雨天气的云雨雾，形成清晰的光谱影像，因此在洪涝灾害的评估方面存在较多劣势［4-5］. 而合成孔径雷达（SAR）能够穿透云雨雾，反映地表物体信息，因此SAR影像可以弥补光学遥感在阴雨雾天的局限［6-8］. 基于SAR影像对洪涝灾害进行遥感监测，需要快速准确地提取洪涝水体信息，目前应用最为广泛的水体信息快速提取方法为阈值分割法［9］. 安成锦等通过实测SAR图像对比分析了不同Otsu分割算法的阈值关系［10］. 郭欣等采用双峰法、Otsu算法和区域生长法提取水体信息对宁乡市洪水掩膜监测［11］.

高分三号卫星（GF-3）是我国首颗高分辨率多极化SAR卫星，为国内多极化SAR遥感发展提供了支持，解决了国内SAR影像数据源缺乏的问题，为国内洪涝灾害研究提供了重要的数据支持［12-14］. 目前，利用GF-3卫星数据来提取水体信息，监测国内洪涝灾害的研究已有不少成果［15-17］. 李胜阳等通过GF-3号卫星数据对2017年黄河第1号洪水开展遥感监测［18］.

国家卫星应用中心在7月20日河南省遭受强降雨过程时，利用GF-3号卫星拍摄不同时间段河南省主要受灾区域的SAR 影像，并免费对外公布. 本文以郑州市“7.20”特大洪涝灾害为背景，利用GF-3 号卫星SAR数据提取郑州市强降雨前后主要水体面积变化，评估郑州市主要洪涝灾害区域.

1 研究区域

1.1 研究区概况

根据所获取的GF-3数据，研究区选取郑州市市辖区，包括金水区、惠济区、二七区、中原区、管城回族区及荥阳市（图1）. 郑州市位于伏牛山脉向黄淮平原的过渡地带，全市平均海拔110 m，地势由西南向东北逐步倾斜. 郑州市属北温带季风气候，年平均气温14.4 ℃，年平均降水量640.9 mm［19］. 2021 年7 月20 日，郑州市遭遇罕见强降雨过程，城市内涝严重.本文以此次强降雨过程中郑州市受重点关注区域，主要包括常庄水库、尖岗水库、丁店水库以及居民区周围水面（帝湖、龙湖）以及受灾较为严重的航海路.

图1 研究区Fig.1 Study area of Zhengzhou

1.2 强降雨过程

7月17日至21 日，河南省出现历史罕见的持续性强降水天气过程，全省各地市均出现暴雨，北中部出现大暴雨和特大暴雨. 全省平均降水量150.5 mm，地市平均降水量最大为郑州461.7 mm，最大降水站点出现在新密市白寨931.5 mm. 7月20日16时至17时，郑州市1 h降雨量为创纪录的201.9 mm，20日全天，郑州地区出现大暴雨、特大暴雨，平均降水量302 mm，最大降水为二七区尖岗水库696.9 mm.

2 研究方法

2.1 数据源

GF-3卫星是我国目前“高分卫星专项”中唯一的微波遥感卫星，属C频段多极化高分辨率合成孔径雷达SAR卫星. GF-3卫星的SAR影像具有幅宽大、模式多等特点，能够获取分辨率1～500 m的多极化SAR影像.本文选取GF-3 L2 级精细成像模式（FSII）的HV 极化SAR 影像，成像时间分别为郑州市暴雨前的6 月9 号SAR数据，以及降雨过程中7月20号与降雨过后的7月22号和24号的SAR数据（图2）.

图2 GF-3 FSII模式HV极化影像Fig.2 HV images of GF-3 in FSII mode

2.2 数据处理

2.2.1 GF-3号影像配准 为确保6月9日、7月20日、7月22日及7月24日的GF-3号影像数据之间的地理坐标一致，且解译的水体成果与实际地理位置相同，以郑州市5 m分辨率的可见光影像作为参考影像，利用PIE-Basic软件中影像配准工具选取控制点，对GF-3号SAR影像进行影像配准和几何精校正.

2.2.2 水体信息提取 PIE-Basic 6.3软件中提供了自动化的地物提取工具，利用工具中的魔术棒功能可以实现单体地物的智能化提取. 魔术棒功能是根据图像像元的RGB三个数值的均值提取像素区域，由于图像的拉伸显示效果不同，可能会影响提取出的效果，因此GF-3号影像均采用2%线性拉伸的方式来显示影像.魔术棒提取单体地物是以当前标记的中心点为准，向周边进行标记搜索，以中心点的RGB均值与周边像素RGB均值计算差值，并与阈值作为判断标准来提取地物边界. 当差值小于等于阈值时，像元作为目标地物被提取出来，否则不进行标记（图3）.

图3 PIE-Basic软件的水体边界提取Fig.3 Water body extraction in PIE-Basic software

3 结果

3.1 水体边界提取

在郑州市“7.20”强降水过程中，郑州周边多个水库处于高水位运行状态. 选取的6个郑州市主要区域的水体边界信息可以看出，7月20日和7月22日水体面积最大. 其中，位于索须河的丁店水库与航海东路的水体面积变化最大. 常庄水库、尖岗水库、龙湖和帝湖的面积变化较小. 常庄水库与尖岗水库由于面积相对较大，且河道排水较为顺畅，因此面积变化不明显. 龙湖水面变化同样不明显，但龙湖金融中心由于雨水未能及时排出，形成大面积洪涝积水. 位于索须河的丁店水库由于面积较小，强降雨后水量明显超出水库承载力，积水面积明显增加. 位于航海东路与陇海路之间的低洼地势在7月20日的强降雨下出现严重积水，直至7月24号仍未完全退去.

图4 郑州市主要水体面积变化Fig.4 Change of main water body area in Zhengzhou

3.2 水体特征分析

为了便于未来对城市洪涝灾害进行快速监测，对SAR 影像中的水体信息进行统计，分析水体的像元后向散射强度特征. 利用PIE-Basic 选取水体和非水体ROI 区域，然后统计水体和非水体像元的强度特征的灰度直方图，用于判断分析水体-非水体的边界特征阈值. 从水体-非水体的灰度直方图中可以看出，水体的后向散射明显小于非水体［20］. 水体一般呈现镜面反射，其粗糙度较低，由于微波雷达后向散射对镜面反射的敏感程度较低，造成的散射强度低，利于水体的识别. 图5 中可以看出，水体像元主要集中于小于50 dB 强度值范围内，而非水体像元的像元值则大多大于100 dB 强度值，因此选取50 dB 作为特征阈值，来提取水体分布信息，以获取郑州市洪涝灾害的最佳提取效果.

图5 GF-3号HV图像中水体-非水体灰度直方图Fig.5 The water-nonwater gray histogram of HV image of GF-3

3.3 洪水分类监测结果

采用水体-非水体中直方图中的特征阈值50 dB对郑州市的GF-3号SAR影像进行水体分类提取，结果如图6所示. 可以看出，7月20日强降雨过程中，整个郑州市区出现大面积的水体范围，直至7月22日降雨过程结束，部分区域仍然存在一定的积水. 图6中可以看出，强降雨过程中郑州东部金水区和管城区洪涝淹没区域的面积较大. 由于郑州市整体地势呈现西高东低，降雨过程产生的积水逐渐往郑州市东部区域汇集，造成较大范围的洪涝积水.

3.4 郑州市市辖区水体信息统计分析

以6月9日的郑州市市辖区水体面积为基准，计算强降雨后的水体面积变化，并结合郑州市市辖区边界对各市辖区水体面积变化进行统计分析. 图7 中可以看出，各市辖区7 月20 日水体面积变化最大，随着降雨过程的停止，水体面积逐渐下降. 中原区、上街区、管城回族区及二七区洪涝积水在24日已恢复到降雨前的面积，金水区和惠济区在24 日仍存在部分积水. 7月20日由于瞬时降雨较大，郑州市内各河流及水库受排水功能限制，水体面积存在明显上升. 东部的金水区和管城回族区水面面积变化较大，惠济区则因黄河水位上涨的原因，面积变化最大. 7月22日降水停止后，随着水体中雨水逐渐排出，水面面积逐渐降低. 惠济区紧靠黄河，排水较为顺畅，水位下降较快，在7月22日便保持水面稳定. 其次洪涝积水回落速度较快的是管城回族区.

图7 强降雨前后基于GF-3影像提取的郑州市市辖区水体面积变化Fig.7 Changes of water area extracted from GF-3 images in Zhengzhou municipal district before and after heavy rainfall

4 结论

本文以GF-3号雷达影像对郑州市“7.20”特大暴雨过程中市辖区水体进行识别，分析了暴雨前后郑州市主要水体的面积变化. 结果表明，郑州市市辖区水体面积在7月20日强降雨过程中增加较为快速，且东部区域的水体面积要大于西部区域，这是由于郑州西高东低的地势原因形成的. 惠济区由于紧靠黄河，有着较为便捷的排涝渠道，因此洪涝积水下降速度最快. GF-3号卫星与传统光学影像相比，能够在降雨过程中对目标区域进行实时的水体变化监测，可以在降雨过程前后清晰地反映城市积水及内涝信息，能够较好地识别水体面积变化；利用水体-非水体的灰度直方图统计可以较快地确定水体的分割阈值，较快地提取城市水体面积.

GF-3号作为我国首个高分辨率合成孔径雷达卫星，能够全天候获取受灾区域的遥感影像，如果能够结合国产遥感软件，提升GF-3号影像处理及水体淹没区域自动提取的时效性，这对于洪涝灾害监测以及防灾减灾领域业务化应用前景具有重要意义.