基于GF-3號遙感影像水體信息提取的鄭州市洪澇災害監(jiān)測

王景旭， 邱士可， 王 正， 王 超， 杜 軍

（河南省科學院地理研究所，鄭州 450000）

目前，利用遙感手段快速大面積獲取水體分布對于洪澇災害評估、土地資源調(diào)查等方面具有重要意義［1-3］.光學遙感中利用水體的光譜特征來提取水體分布，但無法穿透陰雨天氣的云雨霧，形成清晰的光譜影像，因此在洪澇災害的評估方面存在較多劣勢［4-5］. 而合成孔徑雷達（SAR）能夠穿透云雨霧，反映地表物體信息，因此SAR影像可以彌補光學遙感在陰雨霧天的局限［6-8］. 基于SAR影像對洪澇災害進行遙感監(jiān)測，需要快速準確地提取洪澇水體信息，目前應用最為廣泛的水體信息快速提取方法為閾值分割法［9］. 安成錦等通過實測SAR圖像對比分析了不同Otsu分割算法的閾值關(guān)系［10］. 郭欣等采用雙峰法、Otsu算法和區(qū)域生長法提取水體信息對寧鄉(xiāng)市洪水掩膜監(jiān)測［11］.

高分三號衛(wèi)星（GF-3）是我國首顆高分辨率多極化SAR衛(wèi)星，為國內(nèi)多極化SAR遙感發(fā)展提供了支持，解決了國內(nèi)SAR影像數(shù)據(jù)源缺乏的問題，為國內(nèi)洪澇災害研究提供了重要的數(shù)據(jù)支持［12-14］. 目前，利用GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)來提取水體信息，監(jiān)測國內(nèi)洪澇災害的研究已有不少成果［15-17］. 李勝陽等通過GF-3號衛(wèi)星數(shù)據(jù)對2017年黃河第1號洪水開展遙感監(jiān)測［18］.

國家衛(wèi)星應用中心在7月20日河南省遭受強降雨過程時，利用GF-3號衛(wèi)星拍攝不同時間段河南省主要受災區(qū)域的SAR 影像，并免費對外公布. 本文以鄭州市“7.20”特大洪澇災害為背景，利用GF-3 號衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)提取鄭州市強降雨前后主要水體面積變化，評估鄭州市主要洪澇災害區(qū)域.

1 研究區(qū)域

1.1 研究區(qū)概況

根據(jù)所獲取的GF-3數(shù)據(jù)，研究區(qū)選取鄭州市市轄區(qū)，包括金水區(qū)、惠濟區(qū)、二七區(qū)、中原區(qū)、管城回族區(qū)及滎陽市（圖1）. 鄭州市位于伏牛山脈向黃淮平原的過渡地帶，全市平均海拔110 m，地勢由西南向東北逐步傾斜. 鄭州市屬北溫帶季風氣候，年平均氣溫14.4 ℃，年平均降水量640.9 mm［19］. 2021 年7 月20 日，鄭州市遭遇罕見強降雨過程，城市內(nèi)澇嚴重.本文以此次強降雨過程中鄭州市受重點關(guān)注區(qū)域，主要包括常莊水庫、尖崗水庫、丁店水庫以及居民區(qū)周圍水面（帝湖、龍湖）以及受災較為嚴重的航海路.

圖1 研究區(qū)Fig.1 Study area of Zhengzhou

1.2 強降雨過程

7月17日至21 日，河南省出現(xiàn)歷史罕見的持續(xù)性強降水天氣過程，全省各地市均出現(xiàn)暴雨，北中部出現(xiàn)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為鄭州461.7 mm，最大降水站點出現(xiàn)在新密市白寨931.5 mm. 7月20日16時至17時，鄭州市1 h降雨量為創(chuàng)紀錄的201.9 mm，20日全天，鄭州地區(qū)出現(xiàn)大暴雨、特大暴雨，平均降水量302 mm，最大降水為二七區(qū)尖崗水庫696.9 mm.

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

GF-3衛(wèi)星是我國目前“高分衛(wèi)星專項”中唯一的微波遙感衛(wèi)星，屬C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達SAR衛(wèi)星. GF-3衛(wèi)星的SAR影像具有幅寬大、模式多等特點，能夠獲取分辨率1～500 m的多極化SAR影像.本文選取GF-3 L2 級精細成像模式（FSII）的HV 極化SAR 影像，成像時間分別為鄭州市暴雨前的6 月9 號SAR數(shù)據(jù)，以及降雨過程中7月20號與降雨過后的7月22號和24號的SAR數(shù)據(jù)（圖2）.

圖2 GF-3 FSII模式HV極化影像Fig.2 HV images of GF-3 in FSII mode

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 GF-3號影像配準 為確保6月9日、7月20日、7月22日及7月24日的GF-3號影像數(shù)據(jù)之間的地理坐標一致，且解譯的水體成果與實際地理位置相同，以鄭州市5 m分辨率的可見光影像作為參考影像，利用PIE-Basic軟件中影像配準工具選取控制點，對GF-3號SAR影像進行影像配準和幾何精校正.

2.2.2 水體信息提取 PIE-Basic 6.3軟件中提供了自動化的地物提取工具，利用工具中的魔術(shù)棒功能可以實現(xiàn)單體地物的智能化提取. 魔術(shù)棒功能是根據(jù)圖像像元的RGB三個數(shù)值的均值提取像素區(qū)域，由于圖像的拉伸顯示效果不同，可能會影響提取出的效果，因此GF-3號影像均采用2%線性拉伸的方式來顯示影像.魔術(shù)棒提取單體地物是以當前標記的中心點為準，向周邊進行標記搜索，以中心點的RGB均值與周邊像素RGB均值計算差值，并與閾值作為判斷標準來提取地物邊界. 當差值小于等于閾值時，像元作為目標地物被提取出來，否則不進行標記（圖3）.

圖3 PIE-Basic軟件的水體邊界提取Fig.3 Water body extraction in PIE-Basic software

3 結(jié)果

3.1 水體邊界提取

在鄭州市“7.20”強降水過程中，鄭州周邊多個水庫處于高水位運行狀態(tài). 選取的6個鄭州市主要區(qū)域的水體邊界信息可以看出，7月20日和7月22日水體面積最大. 其中，位于索須河的丁店水庫與航海東路的水體面積變化最大. 常莊水庫、尖崗水庫、龍湖和帝湖的面積變化較小. 常莊水庫與尖崗水庫由于面積相對較大，且河道排水較為順暢，因此面積變化不明顯. 龍湖水面變化同樣不明顯，但龍湖金融中心由于雨水未能及時排出，形成大面積洪澇積水. 位于索須河的丁店水庫由于面積較小，強降雨后水量明顯超出水庫承載力，積水面積明顯增加. 位于航海東路與隴海路之間的低洼地勢在7月20日的強降雨下出現(xiàn)嚴重積水，直至7月24號仍未完全退去.

圖4 鄭州市主要水體面積變化Fig.4 Change of main water body area in Zhengzhou

3.2 水體特征分析

為了便于未來對城市洪澇災害進行快速監(jiān)測，對SAR 影像中的水體信息進行統(tǒng)計，分析水體的像元后向散射強度特征. 利用PIE-Basic 選取水體和非水體ROI 區(qū)域，然后統(tǒng)計水體和非水體像元的強度特征的灰度直方圖，用于判斷分析水體-非水體的邊界特征閾值. 從水體-非水體的灰度直方圖中可以看出，水體的后向散射明顯小于非水體［20］. 水體一般呈現(xiàn)鏡面反射，其粗糙度較低，由于微波雷達后向散射對鏡面反射的敏感程度較低，造成的散射強度低，利于水體的識別. 圖5 中可以看出，水體像元主要集中于小于50 dB 強度值范圍內(nèi)，而非水體像元的像元值則大多大于100 dB 強度值，因此選取50 dB 作為特征閾值，來提取水體分布信息，以獲取鄭州市洪澇災害的最佳提取效果.

圖5 GF-3號HV圖像中水體-非水體灰度直方圖Fig.5 The water-nonwater gray histogram of HV image of GF-3

3.3 洪水分類監(jiān)測結(jié)果

采用水體-非水體中直方圖中的特征閾值50 dB對鄭州市的GF-3號SAR影像進行水體分類提取，結(jié)果如圖6所示. 可以看出，7月20日強降雨過程中，整個鄭州市區(qū)出現(xiàn)大面積的水體范圍，直至7月22日降雨過程結(jié)束，部分區(qū)域仍然存在一定的積水. 圖6中可以看出，強降雨過程中鄭州東部金水區(qū)和管城區(qū)洪澇淹沒區(qū)域的面積較大. 由于鄭州市整體地勢呈現(xiàn)西高東低，降雨過程產(chǎn)生的積水逐漸往鄭州市東部區(qū)域匯集，造成較大范圍的洪澇積水.

3.4 鄭州市市轄區(qū)水體信息統(tǒng)計分析

以6月9日的鄭州市市轄區(qū)水體面積為基準，計算強降雨后的水體面積變化，并結(jié)合鄭州市市轄區(qū)邊界對各市轄區(qū)水體面積變化進行統(tǒng)計分析. 圖7 中可以看出，各市轄區(qū)7 月20 日水體面積變化最大，隨著降雨過程的停止，水體面積逐漸下降. 中原區(qū)、上街區(qū)、管城回族區(qū)及二七區(qū)洪澇積水在24日已恢復到降雨前的面積，金水區(qū)和惠濟區(qū)在24 日仍存在部分積水. 7月20日由于瞬時降雨較大，鄭州市內(nèi)各河流及水庫受排水功能限制，水體面積存在明顯上升. 東部的金水區(qū)和管城回族區(qū)水面面積變化較大，惠濟區(qū)則因黃河水位上漲的原因，面積變化最大. 7月22日降水停止后，隨著水體中雨水逐漸排出，水面面積逐漸降低. 惠濟區(qū)緊靠黃河，排水較為順暢，水位下降較快，在7月22日便保持水面穩(wěn)定. 其次洪澇積水回落速度較快的是管城回族區(qū).

圖7 強降雨前后基于GF-3影像提取的鄭州市市轄區(qū)水體面積變化Fig.7 Changes of water area extracted from GF-3 images in Zhengzhou municipal district before and after heavy rainfall

4 結(jié)論

本文以GF-3號雷達影像對鄭州市“7.20”特大暴雨過程中市轄區(qū)水體進行識別，分析了暴雨前后鄭州市主要水體的面積變化. 結(jié)果表明，鄭州市市轄區(qū)水體面積在7月20日強降雨過程中增加較為快速，且東部區(qū)域的水體面積要大于西部區(qū)域，這是由于鄭州西高東低的地勢原因形成的. 惠濟區(qū)由于緊靠黃河，有著較為便捷的排澇渠道，因此洪澇積水下降速度最快. GF-3號衛(wèi)星與傳統(tǒng)光學影像相比，能夠在降雨過程中對目標區(qū)域進行實時的水體變化監(jiān)測，可以在降雨過程前后清晰地反映城市積水及內(nèi)澇信息，能夠較好地識別水體面積變化；利用水體-非水體的灰度直方圖統(tǒng)計可以較快地確定水體的分割閾值，較快地提取城市水體面積.

GF-3號作為我國首個高分辨率合成孔徑雷達衛(wèi)星，能夠全天候獲取受災區(qū)域的遙感影像，如果能夠結(jié)合國產(chǎn)遙感軟件，提升GF-3號影像處理及水體淹沒區(qū)域自動提取的時效性，這對于洪澇災害監(jiān)測以及防災減災領(lǐng)域業(yè)務化應用前景具有重要意義.