多源遥感技术在洪水监测中的应用研究

赵 琳 董 端 刘金玉

(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222)

1 概 述

近年来,全球气候复杂多变,频频发生极端暴雨洪水事件,防洪防涝任务艰巨。20世纪90年代以来,我国长江、黄河、珠江、嫩江、辽河及淮河等流域洪水灾害此起彼伏,损失严重并呈逐步加重趋势[1]。水是人类赖以生存的重要资源,水资源的均衡对人类具有重要意义,对水量的监测历来是人们关注的重点。随着科学技术的发展,人们对水体提取的研究方法在不断改进和提升。同时,卫星遥感技术的迅猛发展,将人类带入一个多层、立体、多角度、全方位和全天候对地观测的新时代[2]。由不同成像机理相互弥补而组成的全球对地观测系统,能够准确有效、快速及时地提供多种空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的对地观测数据。因此,利用卫星遥感手段可以有效提取水体信息,日益成为水环境监测的研究热点[3]。

本文将“21·7”河南省郑州市特大洪水作为试验研究对象,建立洪水天、空、地协同监测体系架构,基于多源遥感数据的洪水发展全过程监测,利用光学、雷达等影像进行洪水水体范围提取;利用数字高程模型对洪水水深、水量进行快速估算;利用灾前灾后的遥感影像进行变化检测,评估受灾情况,从而为洪水调度方案的制定及灾后重建的精细化评估提供数据支撑。

2 洪水遥感监测体系

2.1 洪水遥感监测指标

为了有效地监测、评估洪涝灾害,必须建立一套能够描述洪灾属性的统一的指标集。综合考虑洪灾的自然、社会经济和环境影响三个方面因素,针对遥感监测的实际情况,洪涝灾害的遥感监测指标主要包括致灾因子和承载体两方面[4],具体监测指标见图1。

图1 洪涝灾害遥感监测指标

2.2 多源遥感平台

洪灾不同方面的特性对遥感卫星的技术指标提出了不同的要求。就洪灾发生的大尺度而言,需要大幅宽的卫星成像系统;就洪灾的突发性和动态性而言,需要具有快速响应的能力、能够实现高频次观测的卫星系统;由于洪灾的发生通常会伴随着恶劣的天气条件,这样就需要卫星具有全天候、全天时的监测能力[5];而对于洪灾引起的房屋、道路等承灾体的损毁,则需要运用米级甚至亚米级的空间辨识能力进行精细化评估[6]。经过多年的发展,全球范围内的卫星遥感数据资源日益丰富,而且上述各方面的技术水平都显著提高[7]。针对洪水应急监测的需求,本文对国内外主流卫星平台进行了梳理及研究,在此基础上,明确了各平台的关键性技术指标,从而得到了洪灾监测卫星平台及主要参数,见表1。

表1 洪灾监测卫星主要参数

2.3 洪涝灾害应急应用体系

本文针对洪水应急监测的需求,对主流洪灾遥感监测平台进行了有针对性的梳理及研究,通过研究明确了各平台的特点及关键性技术指标。在此基础上,提出了洪水天、空、地协同监测体系架构;同时,针对多源遥感数据,开展数据配准分析、监测指标动态提取等方面问题的研究,形成从数据获取、分析到监测指标提取的洪水监测全过程的技术方案(见图2),并开展监测方案应用试验,为洪水灾害监测提供理论和技术支撑,对洪水应急监测具有指导意义。另外,本研究成果对于其他突发灾害的应急调查、预警、分析评估以及决策咨询等,也具有一定的借鉴意义。

图2 基于天空地协同的洪涝灾害应急应用体系

3 遥感影像数据处理及信息提取

3.1 洪水面积提取

利用覆盖“21·7”郑州市洪涝灾害发生区域的GF-2号高分辨率卫星遥感影像、SA-2号多光谱卫星遥感影像、GF-3号雷达卫星影像对整个灾害过程进行水体信息提取,各遥感影像信息见表2。

对GF-2号、SA-2号和GF-3号三种数据源进行影像处理和水体提取,获取灾区的洪水发展信息。三种数据源使用的水体提取方法为面向对象分类法、水体指数法(MNDVI)[8]、阈值分割法[5]。这三种方法已经成熟应用于多个研究中,本文不作赘述。

表2 数据源的卫星参数

图3展示了对7月20日、22日、24日的CF-3号SAR影像进行水体提取的结果,整体可以看出,7月20日的洪水淹没范围较大,7月22日洪水有所消退,24日洪水大面积消退。

图3 郑州市水体“21·7”灾时洪水淹没范围

根据提取的洪水水体面积,分析和对比不同日期的洪水淹没面积,具体结果见表3。

表3 灾时不同日期的淹没面积统计

3.2 水深及水量信息提取

a.水深估算。收集覆盖郑州市的数字高程模型(DEM),格网间距为30m。利用洪水淹没范围裁剪DEM,并进行水深反演[9]。图4为常庄水库和尖岗水库的水深反演结果。可以看出,尖岗水库最深处为12m,根据尖岗水库管理处人员提供的“21·7”灾时数据,当时水位为153.34m,而数字高程模型得出的水面高程均值为145m,二者之差近似于两地高程之差,间接验证了淹没水深。因此,采取基于数字高程模型的水深测算方法监测洪涝淹没水深,得到淹没水深的空间分布,可以了解淹没情形,获取灾情特征,为灾情评估奠定一定基础。

b.水量估算。利用收集的数字高程模型,结合洪水淹没范围,对灾区周边的蓄滞洪区白寺坡、柳围坡、长虹渠、共渠西、良相坡和小滩坡等区域进行水量估算,具体估算结果见图5。可以看出,7月21—30日,相继启用良相坡、共渠西、长虹渠、柳围坡、白寺坡、小滩坡等蓄滞洪区后,蓄滞洪区水量上升,而且各自上升的规律与蓄滞洪区启用的时间和顺序(7月22日11时和23时分别启用良相坡、共渠西蓄滞洪区,7月23日2时和12时分别启用长虹渠、柳围坡蓄滞洪区,7月24日22时启用白寺坡蓄滞洪区,7月30日0时启用小滩坡蓄滞洪区,7月30日14时,除长虹渠、白寺坡、小滩坡蓄滞洪区仍在进蓄洪水,其他蓄滞洪区已基本停止进洪)相一致。

图4 常庄水库和尖岗水库水深反演空间分布图

图5 典型区域水量反演结果统计图

3.3 洪涝灾害灾前灾后变化检测

利用2021年6月9日(灾前)的FC-3号影像与2021年7月22日(灾时)的FC-3号影像进行变化检测,得到灾时淹没范围,叠加土地利用信息,分析淹没范围内土地利用类型[10]。经估算,“21·7”郑州市洪涝灾害水体淹没面积约70.5km2。其中,受淹没的耕地面积约56km2,受淹没的住宅用地、工矿仓储用地和城乡用地面积约22km2。淹没的住宅用地、工矿仓储用地和城乡用地呈点状零散分布在郑州城市郊区及东部地区,耕地主要集中在金水区、中牟县、祥符区交界处。另外,由于受黄河上游降水影响,黄河水位有所上涨,黄河滩区有大量沙洲和沿岸土地被淹没。

3.4 专题图制作

将上述解译成果进行整理,制作洪涝灾害应急专题图,主要包括洪水淹没分布图、洪水与土地利用叠加图。2021年7月20—28日卫河洪水淹没分布见图6。

图6 2021年7月20—28日卫河洪水淹没分布图

4 分析与总结

4.1 应用分析

a.多源遥感数据处理技术分析。本文通过对基于多源遥感数据的处理技术进行研究和分析,并进行相应的数据处理实验,得出以下结论:ⓐ水体面积提取方面,对于天气晴朗、无云雾的情况,利用高分辨率光学遥感影像,基于面向对象的方法进行水体提取的结果较优,对于多云雾的天气,利用雷达遥感影像,基于灰度阈值法进行水体提取的结果效率较高,但是其精度依赖于阈值的选取;ⓑ水深、水量估算方面,估算结果对数字高程模型的依赖性较高,另外,其结果的准确性有待提升;ⓒ变化检测方面,利用最大类间方差法对灾前灾后的雷达卫星影像进行变化检测,获取受灾位置、面积等信息。

b.应用成效分析。本文在总结梳理多源遥感数据处理技术的基础上,对河南省郑州市“21·7”洪涝灾害进行试验应用,主要取得了以下成效:ⓐ根据洪水遥感应急监测特点,充分考虑洪涝灾害发生时的天气情况,结合水、雨、工情的发展变化,多方协调并收集卫星遥感影像资源,快速及时地对遥感影像进行数据处理和信息解译,并对解译成果进行应用分析和成果发布,为洪涝灾害应急防御提供技术支撑;ⓑ通过持续动态地跟踪监测,获取郑州市“21·7”洪涝灾害的长时间、大范围洪水发展过程遥感监测信息,全程记录了洪水暴发、发展、消退的时空变化过程,为区域洪涝灾害防御积累宝贵的水文要素观测资料。

4.2 结语

本文针对洪水应急监测的需求,对主流洪灾遥感监测平台进行了有针对性的梳理及研究,通过研究明确了各平台的特点及关键性技术指标。在此基础上,提出了洪水天、空、地协同监测体系架构;同时,针对多源遥感数据,开展数据配准分析、监测指标动态提取等方面的研究,形成从数据获取、分析到监测指标提取的洪水监测全过程的技术方案,并开展监测方案应用试验,为洪水灾害监测提供理论和技术支撑,对洪水应急监测具有指导意义。另外,本研究成果对于其他突发灾害的应急调查、预警、分析评估以及决策咨询等,也具有一定的借鉴意义。