面向鄱阳湖洪涝风险分析的HY-1C/D卫星CZI影像水体面积与水位关系研究

刘建强, 叶小敏, 陈 鋆

(1.国家卫星海洋应用中心, 北京 100081； 2.自然资源部空间海洋遥感与应用重点实验室, 北京 100081；3.江西水利规划设计研究院, 南昌 330029)

湖泊水体是人类宝贵的可利用水资源，是全球水循环和生态系统极其重要的组成部分，在调节区域气候和控制干旱、洪涝等灾害方面发挥着不可替代的作用[1].在全球变暖和人类活动加剧的情况下，近几十年来内陆湖泊的数量、水位、面积都发生了剧烈的变化[2].因此，及时准确地监测湖泊的特征变化对有效管理水资源、评估人类活动和气候变化对湖泊的影响至关重要.水体范围作为表征湖泊流域水文状态的关键信息，在水资源调查、生态环境监测、旱洪灾害评估等领域具有广泛的应用[3-5].传统湖泊水体范围主要依靠人工测量湖岸线进行监测，需要消耗大量人力物力且数据更新周期长，难以满足旱洪灾害的动态跟踪需求，相比人工监测，遥感技术具有低成本、大范围、高时空分辨率等优势，目前已在全球湖泊水体范围监测上得到广泛应用.现阶段，已有大量研究基于Landsat系列卫星TM数据、Terra/Aqua卫星MODIS数据和环境减灾卫星CCD数据等卫星遥感多光谱数据，结合归一化水体指数法、归一化植被法等方法，实现水体范围的识别与提取，并通过人工目视解译、混淆矩阵等方式进行精度评估，也开展了部分洪涝监测应用探索[4,6-15].

2018年9月7日发射成功的海洋一号C星(HY-1C)是我国第一颗业务化海洋卫星，与2020年6月11日发射的海洋一号D星(HY-1D)可形成上、下午双星组网.HY-1C/D卫星搭载的海岸带成像仪(coastal zone imager，CZI)为四波段CCD相机，其星下点像元空间分辨率≤50 m，幅宽≥950 km，重访周期3 d，具有较高分辨率，大幅宽等观测优势[16]，已经在海岸带生态环境、应急减灾、水环境监测和农业遥感等方面得到初步应用，如，Cai等[17]基于HY-1C卫星数据分析了岛屿对舟山近海悬浮泥沙浓度的影响，结果表明岛屿附近悬浮泥沙浓度变化明显且有一定的规律性；梁超等[18]基于HY-1C CZI多光谱影像构建的多个指数实现了海岸带红树林的高精度自动化提取；沈亚峰等[19]探索了HY-1C光学载荷对海面溢油的识别能力，并指出CZI能够进一步实现对溢油污染类型的区别；周屈等[20]利用HY-1C卫星CZI数据对疫情期间武汉火神山、雷神山医院附近知音湖、黄家湖水体浊度变化进行监测，初步证明了应急医院建设与运营对邻近湖泊水环境无扰动影响；王利民等[21]基于HY-1C卫星CZI数据实现了对冬小麦分布区的提取.目前还未有利用HY-1C/D卫星组网的CZI多光谱影像开展内陆湖泊水体面积较长时序分析并服务于洪涝灾害的相关研究.

本文以中国最大的淡水湖——鄱阳湖洪涝监测为例，利用HY-1C/D卫星组网的CZI多光谱影像基于归一化水体指数(normalized difference water index，NDWI)-归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)联合方法开展水体范围提取与面积时间序列分析，并结合水文站水位现场数据开展水面积-水文定量关系研究与洪涝风险分析.

1研究区域数据与方法

1.1研究区概况

鄱阳湖位于江西省北部、长江中下游以南(28°22′N～29°45′N、115°47′E～116°45′E)，是长江流域最大的通江湖泊(见图1).鄱阳湖承纳赣江、抚河、信江、饶河、修河等重要河流的来水，经调蓄后由湖口注入长江，同时其水位还受长江径流水位的影响，是一个过水性、吞吐型、季节性湖泊，对调节长江径流流量、维护区域生态平衡至关重要[22-24].鄱阳湖流域地处亚热带季风气候区，一半以上的降水集中在3月至6月，因此具有极大的季节性水体面积波动(约2 300 km2).同时，鄱阳湖流域还是长江中下游的重要水源地、重要的生物物种遗传基因库、我国最大的淡水鱼产区、国际重要湿地和世界著名的候鸟越冬栖息地[3,25].鄱阳湖旱洪灾害频发，对利用星地联合多源数据进行水体范围动态跟踪提出了更高需求.

1.2卫星影像与现场水位数据

1.2.1卫星影像

1) HY-1C/D卫星CZI数据.本文使用的是2019年3月-2020年8月43景晴空无云经过大气瑞利校正后的L2A级HY-1C/D卫星CZI反射率数据.各月份的有效数据量基本相等.HY-1C/D卫星CZI波段设置和性能指标信息如表1所示.

2) GF-3号卫星SAR数据.本文采用2020年8月17日高分三号(GF-3)双极化标准条带SAR影像数据来评估近似同步的HY-1C卫星CZI提取水体范围结果的可靠性，其空间分辨率为25 m，幅宽130 km.

图1 研究区域与星子水文站站位图Fig.1 Study area and location of the Xingzi hydrological station

表1 HY-1C/D卫星CZI波段设置与性能指标Tab.1 Bands and specifications of CZI onboard HY-1C/D

1.2.2水位数据

为了构建水体面积-水位之间的关系模型，从2019年3月10日至2020年8月25日的星子水文站水位数据(基于黄海基准面的水位高度值)中遴选出同步的日水位观测值.

1.3CZI水体识别方法

归一化差分水体指数(normalized difference water index, NDWI)作为主要水体识别方法[30]，通过水体反射率最大的绿色波段和水体反射率最小的近红外波段之间的比值，可有效增强陆地和水体像元之间的光谱差异，计算方法如公式(1)所示.通常情况下，NDWI提取水体像素选择0作为分割阈值即可，但由于湖泊地区地物类型复杂多变，为了提高水体识别准确率，同时采用归一化差分植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)作为辅助信息，NDVI计算方法如公式(2)所示.

(1)

(2)

式中，ρG、ρR和分别为HY-1C/D卫星CZI传感器绿光(中心波长为560 nm的第2波段)、红光(中心波长为650 nm的第3波段)和近红外波段(中心波长为825 nm的第4波段)的反射率.为了进一步保证阈值的稳定性，研究采用经过大气瑞利散射校正后的HY-1C/D卫星CZI传感器L2A级反射率数据计算NDWI和NDVI.结合目视解译分析结果确定鄱阳湖HY-1C/D卫星CZI影像水体像元识别标准为：NDWI≥0或者-0.2

1.4水体面积-水位定量关系模型

假定较短时间内湖泊地形变化不大，则可通过分析水体面积和水位数据获得其定量关系.为了获得一般情况下鄱阳湖水体面积与水位的关系，可将少数异常数据剔除.采用最小二乘法对其水位和水体面积数值进行线性拟合，得到的鄱阳湖地区水体面积-水位定量关系模型：

S=a·H+b，

(3)

式中，H为水位，单位：m；S为水体面积，单位：km2，a、b为最小二乘拟合系数.

2结果与分析

2.1CZI鄱阳湖水体识别结果与精度评价

利用1.3节描述的数据处理方法和水体识别判定标准，进行数据处理实现了HY-1C/D卫星CZI影像鄱阳湖水体识别.图2为2020年2月18日HY-1C卫星与2020年7月17日HY-1D卫星CZI传感器获取的鄱阳湖遥感影像(R、G、B=3、2、1)及提取的水体范围叠加图，由图2可见，无论枯水期(图2(a))还是丰水期(图2(b))，HY-1C/D卫星CZI影像均能得到较好的水体范围识别结果.

图2 (a) 2020年2月18日(北京时间：10∶53) HY-1C卫星与(b)2020年7月17日(北京时间： 13∶45)HY-1D卫星CZI传感器获取的鄱阳湖遥感影 像(R、G、B=3、2、1)及提取的水体范围叠加图Fig.2 February 18, 2020 (Beijing time: 10∶53) HY-1C satellite (a) and July 17, 2020 (Beijing time: 13∶45) HY-1D satellite (b) CZI sensor acquired Poyang Lake remote sensing Image (R, G, B=3, 2, 1) and the superimposed map of the extracted water bodyrange

为进一步验证HY-1C/D卫星CZI影像水体范围识别结果的精度，选取同步的GF-3卫星SAR影像数据的识别结果来进行对比验证.星载合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)是主动探测微波成像雷达，对云雨不敏感.由于以镜面反射为主的水体和以散射为主的粗糙地表对微波反射信号存在较大差异，SAR影像上水陆像元存在明显的亮暗差异，能够显著区分.已有研究表明，SAR影像能够作为识别提取地表水体的可靠数据源和光学多光谱遥感影像的有效补充和验证[26-29].图3(a)为2020年8月16日10∶51 HY-1C卫星CZI在28.75°N～29.15°N，116.48°E～116.85°E范围内水体识别结果局部放大图.图3(b)为2020年8月17日06:19(北京时间)成像的GF-3卫星标准条带成像的C波段HH极化SAR影像及水体提取结果叠加图.可以看出，利用CZI提取的水体范围信息与SAR影像显示的水体信息基本一致.结合前序目视解译结果分析，CZI提取的面积为5 824.58 km2，SAR提取的面积为5 591.32 km2两者相对差异为4.0 %.部分地区存在边界差异可能与两个卫星传感器的空间分辨率、获取时间等方面差异有关(HY-1C/D CZI分辨率50 m，GF-3 SAR分辨率25 m，时间相差约1 d).

图3 (a) 2020年8月16日10∶52(北京时间)HY-1C 卫星CZI影像识别的水体范围结果与 (b)2020年8月17日06∶19(北京时间)GF-3卫星SAR影像水体范围提取结果的比较Fig.3 Comparison of land and water recognition results from CZIdata with SAR image at 10∶52 (Beijing Time) on August16, 2020 by HY-1C Satellite CZI (a) and at 6∶19 (Beijing Time) on August17, 2020 by GF-3 Satellite SAR (b)

2.2鄱阳湖水体面积时序变化与洪涝风险分析

为了分析鄱阳湖水体面积变化与洪涝风险之间的关系，对自2019年3月10日至2020年8月25日共43个时相的HY-1C/D卫星CZI数据进行鄱阳湖地区的水体识别；经过几何配准后叠加所有影像，并统计每个像元被识别为水体的次数，获得了此间约18个月时间跨度的鄱阳湖水体淹没范围频次分布图，如图4(a).在所有的43景影像中，通过频率分布直方图及目视解译易知，鄱阳湖大面积水体的覆盖频次均在19次以上，这可能与季节性因素有关.因此本文将被水淹没频次小于19次的区域判定为洪涝风险区.如图4(a)所示，洪涝风险区主要在鄱阳湖东南区域和西部区域.例如2020年7月汛期江西省鄱阳县发生了洪灾，莲湖乡和昌州乡大面积土地被洪水大面积淹没.对比2019年8月16号和2020年7月17号两景CZI影像的局部放大图(图4(b))，可以明显看出洪灾的影响范围，通过对比计算得到该次洪灾的洪水淹没面积约为1 320 km2.

2.3鄱阳湖水体面积-水位关系分析

通过对比水体面积和水位波动的结果，可以发现鄱阳湖水体面积和水位变化呈现极为一致的增减规律，即水位升高，则同步的水体面积增大；水位降低，同步水体面积减小(见图5).在个别水位日期升高或降低的情况中，水体面积变化相对于滞后，可能与个别低洼地区或汛期洪水淹没地区有关.低洼的内涝区及洪灾淹没区，在水位降低时部分积水的地区排洪不及时；或者水位升高时，由于水体漫过防洪堤坝，低洼地区被突然淹没所致.例如，2020年7月9日鄱阳县昌洲乡汛期期间决堤后，洪水无法在水位降低时及时排出，从而导致2020年7月鄱阳湖水位较快降低时，水体面积却缓慢减小.此外，从提取结果的时序变化来看，鄱阳湖水体面积具有明显的季节特征.9月中旬至1月，水体面积最小，约1.6×103km2；2月至6月，水体面积增大至2×103～3×103km2；7月和8月，水体面积最大，最大面积达4.7×103km2.鄱阳湖作为一个通江湖泊，提取结果明显表征其水体面积季节性变化剧烈.

采用最小二乘方法对水体面积和水位数据进行线性拟合，拟合系数计算为：a=293.10,b=-787.49，进而得到鄱阳湖水体面积-水位定量关系模型:

S=293.10H-787.49，

(4)

鄱阳湖水体面积和水位相关性较高，其相关系数R高达0.97.该结果表明鄱阳湖水体面积与水位可以根据两者拟合关系互相补充.有实测水位时可以在一定程度上估算同期鄱阳湖水体面积，为云雨雾环境条件下湖泊水体面积监测提供参考.在极端情况下，甚至可以根据水文站水位数据计算出水体面积，也可以基于不同区域的淹没频率粗略判断出潜在的淹没区域.同时，也可由HY-1C/D遥感数据所获得的水体面积估算鄱阳湖的水位，即可通过遥感手段间接估算其水位值.当然，由于受人类活动或自然灾害(如洪涝灾害引起决堤等)等影响，地形可能发生改变，则其水位与水体面积关系也可能发生相应改变.

图4 (a)2019年3月-2020年9月HY-1C/D卫星CZI传感器获取的鄱阳湖水体淹没范围频次分布图及 (b)淹没范围局部放大图(以2019年8月16日和2020年7月17日为例)Fig.4 (a) Frequency distribution map of the submerged area of Poyang Lake obtained by the HY-1C/D satellite CZI sensor from March 2019 to September 2020 and (b) Partial enlarged view of inundation range (take August 16, 2019 and July 17, 2020 as examples)

图5 HY-1C/D卫星CZI数据监测的鄱阳湖地区水体面积与水位实测值随时间变化曲线Fig.5 Time series of water area and water level in Poyang Lake area monitored by CZI data of HY-1C and HY-1D Satellites

3结语

本文通过HY-1C/D卫星CZI影像数据计算归一化水体指数(NDWI)和归一化植被指数(NDVI)，并建立像元识别规则获取了2019年3月至2020年8月鄱阳湖水体面积.结合星子站的水位数据分析了鄱阳湖水体面积-水位定量关系，识别出鄱阳湖洪涝风险区域.可得到如下结论：1) HY1-C/D卫星数据重访周期短、幅宽大、信噪比优良，可快速获取图像细节特征清晰的光学遥感数据，具有沿海信息监测、内陆水体提取的潜力和价值，拓展了国产卫星的应用领域，为洪涝灾害监测提供了新的备用数据源；2) 鄱阳湖水体面积季节性变化较大，易发生洪涝区域主要位于湖东南区域和西部区域；3) 鄱阳湖地区的水体面积与水位具有高相关性，该探索对于鄱阳湖水体面积的星地联合动态监测具有一定的积极意义.