隨著全球氣候變化的加劇，自然災(zāi)害頻發(fā)已成為人類社會面臨的重大難題與挑戰(zhàn)。全球氣候變暖背景下，洪水災(zāi)害是全球范圍內(nèi)發(fā)生最為頻繁的自然災(zāi)害之一，其影響范圍之廣、破壞力之強，對人類生命與財產(chǎn)安全帶來了嚴峻的威脅。另外，臺風登陸、過境與殘余勢力都會增加洪水災(zāi)害的發(fā)生頻次，增加洪水持續(xù)時間，加重洪澇災(zāi)害的損失。依據(jù)國家防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)委員會辦公室及應(yīng)急管理部最新發(fā)布的全國自然災(zāi)害概況報告，2023年度洪澇災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失高達2445.7億元人民幣。
洪水應(yīng)急監(jiān)測對數(shù)據(jù)時效性的要求較高，及時掌握洪水的分布范圍、洪水時序動態(tài)變化，可有效減少洪澇災(zāi)害對居民生命財產(chǎn)的持續(xù)性破壞。傳統(tǒng)的人工觀測和簡易設(shè)備點位洪水監(jiān)測方式，需要大量的人力，時效性差且存在人員無法進入受災(zāi)區(qū)的問題。隨著遙感技術(shù)與大數(shù)據(jù)的發(fā)展，遙感衛(wèi)星的分辨率、重訪周期、幅寬等性能參數(shù)逐漸提升，遙感影像已被廣泛用于洪水監(jiān)測領(lǐng)域。相較于光學影像受光照、云霧影響大，合成孔徑雷達衛(wèi)星（SAR）能夠主動發(fā)射信號，不受光照和惡劣天氣的影響，恰好能夠滿足洪水應(yīng)急監(jiān)測的時效性需求。然而，當前國內(nèi)可用的SAR衛(wèi)星資源有限，應(yīng)用較多的有歐洲的哨兵一號和中國的民用衛(wèi)星高分三號。SAR衛(wèi)星星座運營商天儀研究院擁有海絲一號、巢湖一號及涪城一號3顆C波段SAR衛(wèi)星，衛(wèi)星具有分辨率高、重訪周期短、靈活性強的優(yōu)勢，在突發(fā)的洪水應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的實際應(yīng)用價值。本文以2023年第5號超強臺風“杜蘇芮”引發(fā)的洪澇災(zāi)害為例，介紹了應(yīng)用天儀SAR衛(wèi)星進行洪水應(yīng)急監(jiān)測、洪水淹沒范圍提取、重點區(qū)域的長時序監(jiān)測與洪水范圍變化分析。
一、天儀SAR衛(wèi)星概況
巢湖一號SAR衛(wèi)星于2022年2月27日在海南文昌發(fā)射，涪城一號SAR衛(wèi)星于2023年6月7日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，具備合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（InSAR）干涉成像功能，可實現(xiàn)對地表毫米級形變的監(jiān)測。針對本次“杜蘇芮”臺風帶來的洪澇災(zāi)害，天儀研究院利用巢湖一號、涪城一號兩顆C波段的SAR遙感衛(wèi)星對受災(zāi)區(qū)域進行持續(xù)性成像。
表1是兩顆衛(wèi)星的衛(wèi)星參數(shù)，表2是衛(wèi)星的成像參數(shù)。兩顆衛(wèi)星均具有5種標準成像模式，分別為聚束模式（SP）、條帶模式（SM）、掃描模式（ScanSAR，NS/ES）、逐行掃描地形觀測模式（TOPSAR）；均具備區(qū)域多點目標的連續(xù)成像能力、精密定軌能力、在軌成像處理等功能；均具備4小時應(yīng)急成像能力。獲取的信息可用于全球范圍內(nèi)的國土利用、海洋環(huán)境、應(yīng)急響應(yīng)、地質(zhì)災(zāi)害、水利和農(nóng)業(yè)監(jiān)測、森林防火、城市安全等領(lǐng)域。
二、水體提取技術(shù)流程與方法
完善、高效的水體提取技術(shù)流程與方法是開展洪水應(yīng)急監(jiān)測實際應(yīng)用的基礎(chǔ)。圖1是洪水監(jiān)測的總體技術(shù)路線，分為數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)預處理、水體范圍提取、應(yīng)急制圖四個環(huán)節(jié)。
（1）數(shù)據(jù)生產(chǎn)
SAR衛(wèi)星原始回波數(shù)據(jù)，傳到地面處理系統(tǒng)后依次經(jīng)過聚焦成像、地理編碼、輻射定標過程，生成帶有強度特征的正射影像。
（2）數(shù)據(jù)預處理
為了提升洪水提取的準確度，本文借助數(shù)字高程模型（DEM）生成水文數(shù)據(jù)，引入土地利用類型數(shù)據(jù)去除陰影的干擾，利用Lee濾波對SAR圖像中的乘性噪聲進行抑制。為了提升水體提取的效率，根據(jù)主影像的經(jīng)緯度與分辨率，將目標區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)和土地利用類型數(shù)據(jù)自動進行裁剪、拼接、重投影與重采樣。
（3）水體范圍提取
首先，對SAR影像的強度直方圖進行l(wèi)og變換，采用大津法求得閾值，進行二值化分割，得到水體的粗提取結(jié)果。隨后，利用全球流量積累數(shù)據(jù)生成流柵格與流向文件，并構(gòu)建高程模型生成水文模型，以預測淹沒區(qū)域。在精細分類階段，通過Sieve運算去除小斑塊與異常值，開運算優(yōu)化水體邊緣，提高數(shù)據(jù)處理效率。最后，將精細分類的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量格式。
（4）應(yīng)急制圖
應(yīng)急制圖的主要流程包括矢量數(shù)據(jù)與輔助地理信息數(shù)據(jù)疊加、制圖要素填充等步驟，目的是能夠直觀展示洪水淹沒區(qū)域。
三、“杜蘇芮”臺風洪澇應(yīng)急監(jiān)測
1．臺風概況
2023年第5號臺風“杜蘇芮”于7月28日晚以強臺風級強度登陸福建晉江沿海，7月29日，在安徽境內(nèi)減弱為熱帶低壓并停止編號，但其殘余環(huán)流仍繼續(xù)北上并持續(xù)影響中國北方，華北、東北相繼出現(xiàn)極端暴雨天氣，海河發(fā)生流域性特大洪水，松花江流域發(fā)生嚴重汛情災(zāi)情，此輪洪澇災(zāi)害具有來勢兇猛，持續(xù)時間長的特點。
2．數(shù)據(jù)獲取及時效性
2023年7月下旬，天儀研究院在福建沿海預先拍攝登陸前影像，7月28日當天對臺風中心登陸點福建晉江市沿海進行高清成像，7月29日開始對河南鶴壁周邊水域成像，之后重點集中在京津冀區(qū)域，對大清河流域與蓄洪區(qū)做長時間連續(xù)成像監(jiān)測。在8月4—14日期間，對東北災(zāi)區(qū)進行同步成像?！岸盘K芮”臺風影響期間，利用巢湖一號、涪城一號兩顆SAR衛(wèi)星共在東北拍攝了13次，華北拍攝超過36次，華南拍攝7次，總景數(shù)超200景，影像交付時效是成像4小時內(nèi)，最快交付時效為成像后3.3小時。
3．洪水監(jiān)測與分析
（1）洪水應(yīng)急監(jiān)測
7月29日—8月1日，“杜蘇芮”殘余勢力給華北地區(qū)帶來了強降雨，京津冀地區(qū)發(fā)生大暴雨，局地特大暴雨，導致大面積洪澇災(zāi)害的發(fā)生，農(nóng)田、道路和建筑物等地物被淹沒，多條河流發(fā)生流域性特大洪水。7月31日21時，天儀研究院獲取受災(zāi)嚴重的河北省涿州市區(qū)域3m分辨率條帶模式的SAR影像，并進行快速的水體范圍提取，基于歷史數(shù)據(jù)，獲取新增水體的范圍，結(jié)合道路、居民點等地理信息數(shù)據(jù)完成涿州市洪水應(yīng)急監(jiān)測制圖，如圖2所示。
同時，天儀研究院分別于7月31日和8月3日獲取京津冀地區(qū)10m分辨率掃描模式的SAR衛(wèi)星遙感影像，并進行對比分析。從影像整體來看，8月3日較7月31日后向散射特征變?nèi)?，影像整體變暗，說明8月3日洪水災(zāi)害的范圍與淹沒程度較7月31日均加重。圖3展示了白溝河、大清河流域兩個時期的遙感影像及水體范圍分布。
通過對比兩期的SAR衛(wèi)星遙感影像發(fā)現(xiàn)：8月3日白溝河流域大范圍的農(nóng)田和村莊受到洪水的侵襲，受災(zāi)情況嚴重，災(zāi)前水體面積為4.63km2，災(zāi)后水體面積是57.78km2；8月3日大清河流域漫溢，河道明顯增寬，洪澇嚴重，災(zāi)前水體面積為9.12km2，災(zāi)后水體面積為38.75km2。
面對突發(fā)的洪澇災(zāi)害，天儀研究院能夠迅速獲得高質(zhì)量影像，依托自主的水體提取算法，快速地提取水體的范圍，量化洪水淹沒面積，疊加地理信息矢量，快速定位受災(zāi)區(qū)域。
（2）多期洪水時序變化監(jiān)測
2023年7月31日，大清河流域發(fā)生編號洪水，8月2日啟用霸州的東淀蓄滯洪區(qū)。本次洪水從北京市房山區(qū)的山區(qū)發(fā)源，在河北省保定市與廊坊市、天津市西青區(qū)與靜海區(qū)產(chǎn)生洪澇災(zāi)害，最后匯入渤海。鑒于大清河流域洪澇災(zāi)害嚴重，2023年8月3日至9月11日期間，天儀研究院對大清河流域與東淀蓄滯洪區(qū)的淹沒情況進行連續(xù)的跟蹤觀測，圖4是長時間序列水體范圍提取監(jiān)測圖，通過對比可以明顯看出洪水淹沒范圍、洪水高峰時段和洪水消退的情況。長期、持續(xù)的SAR衛(wèi)星監(jiān)測，獲取了洪水的動態(tài)、演變信息，掌握災(zāi)后恢復進展，為災(zāi)后評估提供科學依據(jù)。
四、結(jié)束語
SAR衛(wèi)星憑借全天時、全天候，能夠在惡劣的天氣條件下持續(xù)獲取高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)的成像能力，成為了洪水應(yīng)急監(jiān)測的重要技術(shù)手段。本文基于天儀SAR遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，借助天儀研究院自主的洪水監(jiān)測系統(tǒng)，以2023年“杜蘇芮”臺風帶來的洪水應(yīng)急監(jiān)測為例，闡述了天儀SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取的能力、時效性、穩(wěn)定性以及洪水提取分析能力；對洪水災(zāi)害嚴重區(qū)域進行時序監(jiān)測，探討洪水的時序變化。在應(yīng)對此輪洪澇災(zāi)害的過程中，天儀SAR衛(wèi)星穩(wěn)定的成像質(zhì)量和數(shù)據(jù)精度，為洪水災(zāi)害的監(jiān)測和評估提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。在洪水提取方面，通過自適應(yīng)閾值二分類水體提取算法，準確地從SAR影像中提取出洪水區(qū)域，為災(zāi)害評估和救援工作提供了重要的參考依據(jù)。
文章來源：衛(wèi)星應(yīng)用公眾號