“2022.6”珠江流域洪澇災(zāi)害應(yīng)急遙感監(jiān)測

劉宏潔 宋文龍 楊 昆 李小濤 李 蓉 江 威 楊永民 陳修華

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部遙感技術(shù)應(yīng)用中心，北京 100038）

1 基本情況

受大氣環(huán)流、地形及臺(tái)風(fēng)等因素影響，珠江流域洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生[1]。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有覆蓋范圍廣、時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，可對(duì)洪澇災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行快速且大范圍的監(jiān)測，反演水體范圍等多種要素，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)洪澇災(zāi)害的快速響應(yīng)與影響評(píng)估[2-4]，為迅速掌握洪澇情況、及時(shí)制定防汛決策提供支持。

衛(wèi)星遙感根據(jù)傳感器接收的地表水體電磁波特性進(jìn)行水體信息監(jiān)測。不同類型的遙感數(shù)據(jù)源在水體信息監(jiān)測中各有優(yōu)勢，目前較為常用的遙感水體提取方法為基于光學(xué)影像的水體指數(shù)法，其中歸一化水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）與改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)（Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI）的應(yīng)用較多[5-6]。張麗文等[7]基于高分一號(hào)光學(xué)影像構(gòu)建NDWI，結(jié)合土地利用類型對(duì)武漢市2016年洪澇災(zāi)害淹沒范圍進(jìn)行了監(jiān)測；吳慶雙等[8]基于哨兵二號(hào)多光譜遙感影像，構(gòu)建了MNDWI 模型，使用人工目視解譯進(jìn)行水體信息提取；Shao 等[9]基于風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星（FengYun-4A Satellite，F(xiàn)Y-4A），搭載多通道掃描成像輻射計(jì)（Advanced Geostationary Radiation Imager，AGRI）通 過 多 時(shí) 相 快速合成得到晴空影像，采用歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetable Index，NDVI）結(jié)合近紅外波段信息，完成了南亞東北部流域的洪澇災(zāi)害監(jiān)測。然而洪澇災(zāi)害發(fā)生時(shí)一般雨水偏多，光學(xué)影像無法穿透厚重云霧，難以及時(shí)有效的提取水體信息[10]。雷達(dá)遙感影像具有不受天氣影響，具有全天時(shí)、全天候的數(shù)據(jù)獲取能力，可穿云透霧，為災(zāi)區(qū)及時(shí)、有效的提供信息[11-12]。董臻[13]基于哨兵一號(hào)雷達(dá)衛(wèi)星，使用深度學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)鄱陽湖湖區(qū)2020 年洪澇災(zāi)害的監(jiān)測；郭鵬等[14]基于高分三號(hào)雷達(dá)衛(wèi)星對(duì)鄭州2021 年“7·21”暴雨洪澇災(zāi)害進(jìn)行了淹沒面積監(jiān)測；Zhang等[15]提出了一種利用多時(shí)相哨兵一號(hào)地面測距探測影像自動(dòng)快速探測半干旱區(qū)洪水的方法，并對(duì)2015年巴基斯坦季節(jié)性洪水的淹沒范圍進(jìn)行了監(jiān)測。

2022 年5 月下旬至7 月上旬，珠江流域連續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)降雨過程，累計(jì)面降雨量624 mm，較常年同期偏多約4成。其中，西江先后發(fā)生4次編號(hào)洪水、北江先后發(fā)生3次編號(hào)洪水、韓江發(fā)生1次編號(hào)洪水，珠江流域共發(fā)生兩次流域性較大洪水，特別是北江2022 年第2 號(hào)洪水，形成時(shí)間與西江2022 年第4 號(hào)洪水接近，且為1915 年以來最大洪水，汛情急、來勢猛，防汛形勢嚴(yán)峻復(fù)雜[16-18]。

基于以上背景，應(yīng)用歐空局哨兵一號(hào)、國產(chǎn)高分三號(hào)和海絲一號(hào)衛(wèi)星雷達(dá)影像，結(jié)合高分一號(hào)、吉林一號(hào)衛(wèi)星光學(xué)影像，開展2022 年珠江流域性洪澇災(zāi)害重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)急遙感監(jiān)測，對(duì)潖江蓄滯洪區(qū)的動(dòng)態(tài)變化及圍的啟用情況、洪澇災(zāi)害重點(diǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行監(jiān)測與分析。

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)域

珠江流域由西江、北江、東江及珠江三角洲諸河組成，跨越云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西6?。ㄗ灾螀^(qū)）和香港、澳門特別行政區(qū)以及越南東北部，總面積45.37 萬km2（我國境內(nèi)面積44.21萬km2），是我國七大流域之一。

珠江主干流西江發(fā)源于云南省的馬雄山東麓，自西向東流經(jīng)4省（自治區(qū)），全長2 075 km，集水面積35.31萬km2；北江發(fā)源于江西省石碣大茅坑，自北向南流經(jīng)3省，干流全長468 km，集水面積4.67萬km2；東江發(fā)源于江西省的椏髻缽，由北向南流入廣東，干流全長520 km，集水面積2.7萬km2。西江、北江在廣東省三水思賢滘，東江在廣東省東莞市石龍鎮(zhèn)分別匯入珠江三角洲，經(jīng)崖門等八大口門注入南海。

2.2 研究方法

合成孔徑雷達(dá)的后向散射強(qiáng)度與地物表面粗糙度密切相關(guān)，不同地物間表現(xiàn)為灰度值的變化[19]。由于水體表面光滑大多為鏡面散射，對(duì)雷達(dá)的后向散射能力較弱，因此在雷達(dá)影像中表現(xiàn)為暗黑色[20]?；陂撝捣指畹睦走_(dá)影像水體提取方法簡單高效，可將水體與非水體劃分為二值圖像，主要有經(jīng)驗(yàn)法、最大類間方差法、雙峰法等[21]。

首先對(duì)雷達(dá)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)數(shù)變化、地理配準(zhǔn)等預(yù)處理，得到后向散射強(qiáng)度圖，使用經(jīng)驗(yàn)法通過人機(jī)交互識(shí)別確定閾值，可快速獲取研究區(qū)域的水體淹沒情況，滿足洪澇應(yīng)急監(jiān)測需求。

2.3 研究數(shù)據(jù)

本次監(jiān)測應(yīng)用的雷達(dá)數(shù)據(jù)包括國產(chǎn)高分三號(hào)、海絲一號(hào)與歐空局哨兵一號(hào)衛(wèi)星雷達(dá)影像數(shù)據(jù)。應(yīng)用的光學(xué)影像包括國產(chǎn)高分一號(hào)、吉林一號(hào)衛(wèi)星光學(xué)影像數(shù)據(jù)。

哨兵一號(hào)數(shù)據(jù)使用谷歌地球引擎（Goggle Earth Engine，GEE）進(jìn)行實(shí)時(shí)下載處理，高分一號(hào)與高分三號(hào)數(shù)據(jù)由中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心實(shí)時(shí)推送。海絲一號(hào)對(duì)標(biāo)國際先進(jìn)雷達(dá)衛(wèi)星指標(biāo)，是國內(nèi)首顆C 波段商業(yè)合成孔徑雷達(dá)遙感衛(wèi)星，于2020 年12 月22 日發(fā)射升空，具有二維高空間分辨率的優(yōu)勢，目前較少應(yīng)用于洪澇災(zāi)害監(jiān)測[22]。吉林一號(hào)于2015 年10 月7 日以一箭四星的方式發(fā)射入軌，是我國首次發(fā)射的商用高分辨率衛(wèi)星，目前已構(gòu)成我國最大的商業(yè)遙感衛(wèi)星星座[23]，截至2022 年8 月，吉林一號(hào)在軌衛(wèi)星已達(dá)70 顆。衛(wèi)星傳感器參數(shù)與影像信息分別如表1、表2所示。

表1 衛(wèi)星傳感器參數(shù)

表2 衛(wèi)星影像信息

3 洪澇災(zāi)害應(yīng)急遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果

3.1 潖江蓄滯洪區(qū)圍洪澇災(zāi)害應(yīng)急遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測

（1）蓄滯洪區(qū)圍啟用情況。6 月22 日潖江蓄滯洪區(qū)啟用分洪，但由于圍的啟用既包括人為開啟，又包括自然漫堤，且由于洪澇災(zāi)害發(fā)生時(shí)情況危險(xiǎn)復(fù)雜、形勢變化較快等原因，潖江蓄滯洪區(qū)已啟用的圍數(shù)量不能在短時(shí)間內(nèi)被準(zhǔn)確掌握。

通過遙感手段可以對(duì)蓄滯洪區(qū)圍的啟用情況進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的監(jiān)測與判別。根據(jù)6月23日的雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，潖江蓄滯洪區(qū)共有6個(gè)圍內(nèi)部有淹沒區(qū)域（圖1（a））。其中5個(gè)圍（獨(dú)樹圍、大廠圍、踵頭圍、下岳圍、江咀圍）內(nèi)可見明顯淹沒區(qū)，確認(rèn)啟用。另外監(jiān)測到良塘圍內(nèi)有部分淹沒區(qū)域，但僅根據(jù)雷達(dá)影像結(jié)果無法判定良塘圍是否啟用，因此結(jié)合光學(xué)影像進(jìn)行判別（圖1（b）），可知圍內(nèi)淹沒區(qū)域?yàn)閮?nèi)部蓄水，良塘圍并未啟用。

圖1 潖江蓄滯洪區(qū)圍啟用監(jiān)測結(jié)果

（2）蓄滯洪區(qū)洪澇災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測。潖江蓄滯洪區(qū)水體淹沒遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果如圖2 所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)（表3），潖江蓄滯洪區(qū)6 月14 日水體面積已有一定幅度增加；6 月22 日啟用分洪，23 日遙感影像可見水體面積大幅增加，達(dá)39.51 km2；6月26日，水體面積出現(xiàn)較大程度消退。

圖2 潖江蓄滯洪區(qū)水體淹沒面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測

3.2 洪澇災(zāi)害應(yīng)急遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測

對(duì)清遠(yuǎn)市英德市縣（區(qū)）及周邊鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）進(jìn)行洪澇災(zāi)害應(yīng)急遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測（圖3），影像范圍內(nèi)水體面積遙感監(jiān)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示，可知6 月14 日英德市縣（區(qū)）已有小范圍內(nèi)澇，6 月23 日受淹最為嚴(yán)重，水體面積達(dá)143.16 km2，而6 月26 日洪水已消退，與6 月2 日水體面積無較大差別。

圖3 英德市縣（區(qū)）及周邊鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）洪澇淹沒面積遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測

表3 潖江蓄滯洪區(qū)及英德市縣（區(qū)）及周邊鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）水體面積遙感監(jiān)測統(tǒng)計(jì)表km2

3.3 西江干流梧州段水體面積遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測

對(duì)西江干流梧州段水體進(jìn)行洪澇災(zāi)害應(yīng)急遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測（圖4），桂江支流思良江區(qū)域洪澇淹沒情況較為嚴(yán)重。6 月18 日，思良江水漫過防洪堤，倒灌進(jìn)梧州市萬秀區(qū)鎮(zhèn)安村133.3 hm2的核心示范區(qū)，包括66.67 hm2農(nóng)田完全被洪水覆蓋，且洪水威脅南部梧州工業(yè)園區(qū)；梧州市萬秀區(qū)夏郢鎮(zhèn)11 個(gè)村莊農(nóng)田嚴(yán)重積水。6 月19 日，洪水未有消退趨勢，6月20日，積水開始消退。

圖4 西江干流梧州段水體面積遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測

4 結(jié)論與討論

本文利用哨兵一號(hào)、高分三號(hào)和海絲一號(hào)雷達(dá)影像，結(jié)合高分一號(hào)、吉林一號(hào)衛(wèi)星光學(xué)影像，開展2022年珠江流域性洪澇災(zāi)害重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)急遙感監(jiān)測，結(jié)論如下：

（1）潖江蓄滯洪區(qū)6月23日共啟用5個(gè)圍，分別是獨(dú)樹圍、大廠圍、踵頭圍、下岳圍、江咀圍。

（2）北江流域潖江蓄滯洪區(qū)與英德市縣（區(qū)）及周邊鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）在6月14日均已有小范圍內(nèi)澇，在23日水體面積達(dá)最大，分別為39.51 km2與143.16 km2，26日水體基本消退。

（3）西江干流梧州段6月18日思良江水倒灌進(jìn)梧州市萬秀區(qū)，19日洪水未有消退趨勢，20日積水開始消退。

監(jiān)測結(jié)果表明，雷達(dá)遙感影像可以及時(shí)準(zhǔn)確地獲取水體面積信息，可有效彌補(bǔ)光學(xué)影像在暴雨天氣時(shí)的數(shù)據(jù)空缺，發(fā)揮穿云透霧的巨大優(yōu)勢。然而在蓄滯洪區(qū)圍的啟用情況監(jiān)測方面，雖然雷達(dá)影像可及時(shí)提取水體信息，但對(duì)內(nèi)部淹沒面積較少的圍，其啟用情況需結(jié)合光學(xué)影像進(jìn)一步判別，而這較依賴于天氣狀況。針對(duì)各類數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率與時(shí)效性優(yōu)缺點(diǎn)，需加強(qiáng)多源遙感數(shù)據(jù)共享平臺(tái)建設(shè)，進(jìn)行光學(xué)、雷達(dá)、無人機(jī)等多源數(shù)據(jù)的協(xié)同使用，從而進(jìn)一步提高洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測的時(shí)效性與準(zhǔn)確性。