高分三号影像在洪涝灾害应急监测中的应用

任正情

摘要：合成孔径雷达（SAR）广泛应用于洪涝灾害监测中，本文针对2020年安徽六安的特大洪水灾害及时获取高分三号（GF-3）卫星的实时SAR数据，开展了应急监测。监测结果显示：六安市北部霍邱县境内的城东湖、城西湖以及淮河两侧的乡镇受灾较为严重，对严重区进行了多期的动态监测和统计分析，取得了良好的效果。同時认为GF-3卫星影像具有较高的灾害应急监测能力，可为国家减灾备灾、应急救灾、恢复重建工作提供有力的数据支撑。

关键词 高分三号；合成孔径雷达数据；应急监测；洪涝灾害

1.引言

2020年我国经历了规模较大的洪涝灾害，共有超148条河流发生超过警戒水位的洪水。我国一直是水灾大国，因此当洪涝灾害发生时，如何快速有效的监测灾害情况对灾害评估与灾后重建都极为重要。卫星遥感技术由于其覆盖范围广、性价比高、快速便捷等优点已成为洪涝灾害监测常用的一种技术，而合成孔径雷达（SAR）卫星技术不受雨云等恶劣天气影响，全天时、全天候成像，突破了以往光学遥感卫星依赖于晴朗天气的局限性。

高分三号（GF-3）卫星是我国自主研制的首颗多极化、C频段合成孔径雷达卫星，同时也是世界上性能最先进的C频段多极化合成孔径雷达卫星，于2016年8月10日发射，作为一颗C频段多极化合成孔径雷达成像卫星，高分三号能够全天候和全天时实现全球海洋和陆地信息的监视监测，通过左右姿态机动扩大对地观测的范围和提升快速响应的能力。高分三号卫星已广泛应用于城市减灾备灾、应急救灾、恢复重建等工作中。

本文概略介绍了SAR数据在洪涝灾害监测上的理论方法，应用GF-3影像数据对2020年安徽六安市的特大洪水灾害开展应急监测，验证了应急监测能力。同时为GF-3卫星在自然灾害监测中的应用提供参考。

2. SAR在洪涝灾害中的应用依据

洪涝灾害往往伴随着暴雨、大风等强烈雨云天气，使光学遥感器的应用受限制。由于微波具有穿透雨云的能力，因此微波遥感器，尤其是SAR，可以对自然灾害进行全天候、全天时的监测，已成为自然灾害监测中极其重要的手段。

洪涝遥感监测的关键技术在于水体的识别。水体识别技术主要基于水体的光谱特征和空间位置关系分析，将其从其它非水体信息中提取出来。利用遥感数据提取水体信息的方法有阈值法、谱间分析法和多波段运算法等。针对SAR影像的水体提取方法目前多应用阈值法。由于SAR图像后向散射能力的大小与地物的表面粗糙度及影像入射角大小息息相关。城镇、植被等非水体表面粗糙，对雷达波束具有较强的后向散射能力，影像上以灰色和灰白色调为主，而陆地水体以镜面散射为主，对雷达波束的后向散射能力很弱，呈现暗色调，因此可利用阈值分割的方法，当图像的后向散射强度小于阈值时确定为水体，大于阈值确定为非水体，从而实现水体信息的识别和提取。阈值的判定主要有经验法、双峰法及以最大类间方差法为代表的数理统计法等。但其难点是不同雷达数据水体的后向散射系数值差异较大，很难确定一个统一的阈值。由于阴影在图像上的反射系数也较低，水体和阴影的区分仍存在难度，多结合DEM去除阴影。另外，雷达受噪声影响严重，基于像元的水体提取容易出现“椒盐”现象，提取的图斑过于破碎，后期整理工作量较大，目前有采用滤波或者图像变换的技术以改进。

3.数据源

3.1高分三号成像模式

3.1.1条带成像模式

条带模式是星载SAR最常用的成像模式，在条带模式工作时，雷达以一个固定视角对地面进行照射。星载SAR一般工作在脉冲模式，即以一定的频率（PRF）向地面发射脉冲并接收地面反射的回波信号。在距离向，星载SAR通过发射宽带线性调频信号（LFM）并用匹配滤波器来提高分辨率。而在方位向，星载SAR使用较宽的天线波束，通过对多个脉冲进行相干积累以提高分辨率。这样，从单个目标来看，雷达信号从不同角度进行照射，相当于一个较大的天线孔径，这就是合成孔径的原理。

高分三号在条带成像模式下能够实现的分辨率及测绘带宽如下表：

3.1.2滑动聚束成像模式

滑动聚束模式是通过控制天线辐照区在地面的移动速度来控制方位分辨率，其成像的面积比聚束SAR大，高于相同天线尺寸条带SAR的分辨率，图像也不会产生扇贝效应。高分三号在该模式下能够实现分辨率1m，成像面积10km*10km。

3.1.3扫描成像模式（ScanSAR）

ScanSAR是星载SAR宽测绘带观测的重要模式，通过多个子测绘带间切换，扩展观测地区观测带的宽度，实现宽测绘带观测。高分三号能够采用ScanSAR模式成像，它工作于C波段，有全球监测、宽、窄三种扫描模式，测绘带宽分别为650km、500km和300km，分辨率分别为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围为：10m/5km*5km（全极化），连续两次观测间隔约50km。

3.1.5高低入射角成像模式

高分三号在成像时的常规入射角为20°～50°，在扩展入射角成像模式时10°～60°。其分辨率及带宽分别为：

低入射角25m/130km（双极化）以及高入射角25m/80km（双极化）。

3.2数据预处理

本次监测使用GF-3卫星精细条带2（FSII）的HH、HV双极化影像数据，由于获取的数据为L1A级图像，需要进行数据预处理。预处理过程一般包括辐射定标、多视、斑点噪声滤波、地理编码、重采样等。利用PIE-SAR软件对GF-3 SAR原始数据进行处理，获取后向散射系数数据。地理编码过程中采用的高程数据是ALOS 12.5m的DEM。

4. 2020年六安市洪涝灾害监测

六安市位于安徽省西部，处于长江与淮河之间，是安徽省洪灾较为严重的城市，2020年7月洪灾发生时，境内六大水库均超汛限水位。其下辖霍邱县境内有城东湖、城西湖、姜唐湖三大行蓄洪区，总面积901km2，面积和行蓄洪量均占全省沿淮行蓄洪区总量的三分之一。7月20日，为减轻淮河流域防洪压力，按照安徽省防汛抗旱指挥部命令，六安市霍邱县开启姜唐湖进洪闸、退洪闸，向姜唐湖行蓄洪区泄洪，抗灾形势严峻。

GF-3卫星迅速启动应急响应，获取了灾前7月13日及灾中18、21、23日覆盖六安市大部分地区以及受灾严重的六安市北部霍邱县的精细条带SAR数据（分辨率10m）。对影像预处理后，采用最大类间方差法的方法进行阈值计算并分割影像，提取水体，对六安市洪涝灾害进行监测。图1为预处理后六安市7月13日HV极化强度影像以及提取的水体信息，并与18日水体进行了对比（图2）。

针对六安市部分地区受灾严重乡镇水体面积进行统计，结果见表2，其中罗集乡、固镇镇和木厂镇受灾面积最大。

由图看出六安市北部霍邱县境内的城东湖、城西湖以及淮河两侧的乡镇受灾较为严重，重点对该地区的水体淹没范围的动态变化作分析，将13日、18日、21日、23日的水体信息提取出来并相互之间进行空间叠加对比，结果见图3。

針对六安市北部受灾严重区域水体面积进行统计（表3），结果显示，从13日到18日，六安市北部水体增幅最大，水体面积增加近一半，到21日增幅降低，23日因开展各项泄洪防洪措施，洪水逐渐消退，淹没面积也逐渐降低。

最终各期的监测结果及时提交给了六安市应急管理相关部门，快速准确了解了洪灾范围和灾情程度，为救灾工作提供了有力的数据支持。

5.结论

针对2020年六安市发生的特大洪水灾害，连续获取该区灾前、灾中以及接近灾后的高分三号影像开展应急监测，及时快速的获取灾区洪水淹没范围及淹没动态变化情况，结果证明GF-3卫星SAR数据的洪涝灾害监测中，数据获取快捷，影像质量较好，且具有较高的监测精度，为救灾工作提供了近实时、准确的数据。高分三号卫星作为国家减灾救灾业务体系的一员，依据其提供的稳定、可靠的高分辨率微波遥感图像，可以为减灾备灾、应急救灾、恢复重建等提供多源动态信息，加快灾害的监测与评估进程，增强对灾害的快速反应能力，对防灾救灾工作提供有力的数据支持。

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