張 薇 王 磊

(民政部國家減災中心 北京 100124)

(民政部衛(wèi)星減災應用中心 北京 100124)

1 引言

環(huán)境與災害監(jiān)測預報的小衛(wèi)星星座是我國第 1個專門用于環(huán)境與災害監(jiān)測預報的小衛(wèi)星星座，也是我國第1個多星多載荷民用對地觀測系統(tǒng)[1]。由兩顆光學小衛(wèi)星(A, B星)和一顆雷達小衛(wèi)星(C星)組成的“2+1”星座。A星搭載CCD相機、超光譜成像儀及Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器；B星搭載CCD相機和紅外相機；C星搭載S波段SAR[2]。目前，環(huán)境減災A,B星已在軌運行5年多[3]。國家減災委(民政部)是衛(wèi)星的業(yè)主單位，國家減災中心(衛(wèi)星減災應用中心)負責衛(wèi)星的運行管理和減災應用。

2012年11月19日6時53分，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征二號丙”運載火箭，將環(huán)境減災衛(wèi)星一號 C星成功送入太空[4]。環(huán)境減災衛(wèi)星一號C星是我國第1顆民用SAR衛(wèi)星，它的成功發(fā)射標志著環(huán)境減災星座第1階段建設完成，實現(xiàn)了3顆星在軌運行的階段性目標[5]。環(huán)境減災C星的性能指標參見表1。

SAR成像技術(shù)具備全天時、全天候的特征，在減災救災領域的應用能力和潛力已經(jīng)進行了充分的論證[6]。在 C星發(fā)射前，民政部國家減災中心利用已有各類SAR衛(wèi)星資源，在洪澇、滑坡泥石流、地震、冰雪等各類自然災害的監(jiān)測評估應用中積累了豐富的經(jīng)驗，尚欠缺S波段SAR數(shù)據(jù)在各類自然災害目標中獨特表征的分析與應用。C星作為世界上獨有的S波段SAR衛(wèi)星，在各類自然災害目標監(jiān)測中的應用將更有力地推動 SAR技術(shù)在減災救災領域中的廣泛應用。

表1 環(huán)境減災C星性能指標Tab.1 Performance index of HJ-1-C

本文僅論述C星在冰凌災害中的應用。冰凌指河流中的靜止冰和流動冰的統(tǒng)稱。按照冰的形態(tài)變化，可分結(jié)冰、封凍、解凍3個時期。冰凌封凍期影響船只的運行。冰凌解凍期可能造成的決口、漫溢、漫灘，威脅人民生命財產(chǎn)安全[7,8]。冰凌災害是我國一種特殊的自然災害，大部分發(fā)生在黃河，少見在黑龍江。在對國外文獻的調(diào)研中，并未發(fā)現(xiàn)有關冰凌災害的報道。國內(nèi)研究中有應用光學遙感影像監(jiān)測冰凌的報道，但也未見過利用SAR遙感數(shù)據(jù)進行冰凌監(jiān)測的文章。關于冰的SAR研究，有涉及到海冰和冰川冰，但此兩種冰的形態(tài)和特征與冰凌在影像上差異較大，不具備可比性。因此，文章中并未有相關文獻的概述。

冰凌災害監(jiān)測與評估應用能力的測試包括：利用C星SAR數(shù)據(jù)提取冰外緣線、冰覆蓋面積以及冰覆蓋度信息，并對信息提取精度進行評估；監(jiān)測和分析冰壩形成的可能性，并對可能造成的決口、漫溢、漫灘等災害進行監(jiān)測和評估，并對監(jiān)測評估精度進行評估；利用C星SAR數(shù)據(jù)提取決口、漫溢、漫灘信息，并對災害造成的損失情況進行評估，并做出精度評價。

2 測試數(shù)據(jù)

黃河流域東西跨越23個經(jīng)度，南北相隔10個緯度，地形和地貌相差懸殊，徑流量變幅也較大。黃河干流和支流冬季都有不同程度的冰情出現(xiàn)。這些冰情對冬季的水運交通、供水、發(fā)電及水工建筑物等有直接影響外，尤其在河流中出現(xiàn)冰塞、冰壩這種特殊冰情以后，還會導致凌洪泛濫成災。因此選擇黃河流域作為冰凌測試區(qū)。

冰凌災害監(jiān)測與評估能力評價測試數(shù)據(jù)參數(shù)如表2所示。

表2 冰凌災害監(jiān)測與評估能力評價測試數(shù)據(jù)參數(shù)表Tab.2 Test data parameter of ice disaster monitoring and assessment ability evaluation

針對冰凌段進行了數(shù)據(jù)質(zhì)量初步評價[9]，結(jié)果如表3所示。通過測量分布目標性質(zhì)評價圖像質(zhì)量，包括圖像動態(tài)范圍、等效視數(shù)、輻射分辨率。

表3 冰凌災害監(jiān)測與評估能力評價測試數(shù)據(jù)質(zhì)量初步評價表Tab.3 Data quality evaluation of ice disaster monitoring and assessment ability evaluation

圖像的動態(tài)范圍反映了圖像區(qū)域地面目標后向散射系數(shù)的差異。不同地面場景的圖像具有不同動態(tài)范圍。例如，山區(qū)圖像的動態(tài)范圍較大，而海面圖像的動態(tài)范圍較小。星載SAR圖像的動態(tài)范圍與很多因素有關。地面場景的地形、天線波束入射角、成像處理算法以及多普勒參數(shù)估計精度等對圖像動態(tài)范圍都有較大的影響。

動態(tài)范圍的步驟如下：

圖像動態(tài)范圍是指圖像最大值 gmax和最小值gmin之比，通常用分貝數(shù)表示。根據(jù)圖像數(shù)據(jù)輸入，尋找圖像最大像素點值 gmax和最小像素點值 gmin，圖像動態(tài)范圍表示為：

等效視數(shù)是衡量一幅圖像斑點噪聲相對強度的一種指標。斑點噪聲是星載SAR系統(tǒng)所固有的原理性缺點，嚴重干擾著星載SAR圖像的解譯和判讀。在單視星載SAR圖像中，空間分辨率達到最佳，但斑點噪聲最嚴重，其等效視數(shù)為 1。為了降低斑點噪聲，須進行斑點噪聲抑制，從而使圖像的等效視數(shù)獲得提高。

等效視數(shù)的步驟如下：

根據(jù)計算得到的圖像均值μ和方差 σ2，等效視數(shù)表示為：

其中，若圖像大小為 N×M，其均值μ和方差 σ2分別為：

輻射分辨率是衡量星載 SAR系統(tǒng)灰度級分辨能力的一種量度，定量地表示了星載SAR系統(tǒng)區(qū)分目標后向散射系數(shù)的能力。輻射分辨率的好壞直接影響星載SAR圖像的判讀和定量化應用。輻射分辨率的大小由消除斑點噪聲的多少直接確定。采用斑點噪聲抑制技術(shù)來獲得圖像輻射分辨率的提高。輻射分辨率測量的關鍵是尋找均勻分布的目標區(qū)域。這里我們選取HJ-1-C星可以獲得的農(nóng)田、沙漠、草地、熱帶雨林等均勻分布目標圖像進行測量。

輻射分辨率的步驟如下：

選取均勻分布目標，由上述方法求得等效視數(shù)MENL或圖像均值μ和方差 σ2，輻射分辨率表示為：

精度驗證數(shù)據(jù)選擇與C星條帶模式數(shù)據(jù)5 m空間分辨率接近且無云的資源三號衛(wèi)星5.8 m空間分辨率的多光譜數(shù)據(jù)的冰凌信息提取結(jié)果進行對比，對比數(shù)據(jù)參數(shù)如表4所示。

3 測試方法

在軌測試期間，以C星SAR載荷數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合其它輔助數(shù)據(jù)，根據(jù)S波段SAR數(shù)據(jù)對冰凌災害特征信息的特性，選擇合適的冰凌災害特征信息提取方法，對冰凌災害信息進行提取，對冰凌災害進行監(jiān)測與評估。

具體方法、流程如下：

表4 冰凌災害監(jiān)測與評估能力評價測試對比數(shù)據(jù)表Tab.4 Test data contrast of ice disaster monitoring and assessment ability evaluation

(1) 影像處理

相干斑噪聲抑制：根據(jù)影像特性使用斑點噪聲抑制算法對影像中斑點噪聲進行抑制，提高對目標的分辨能力。

幾何精校正和配準

利用 1:50000地形圖或影像控制點或已經(jīng)幾何精校正的同類型遙感數(shù)據(jù)對C星SAR數(shù)據(jù)進行幾何精校正。影像的控制點均勻分布，配準精度達到1個像元以內(nèi)。以指定投影方式、指向以及像元分辨率，對條帶成像處理生成的影像進行重采樣。

(2) 災害特征信息判讀與提取

選取種子點，采用區(qū)域生長法和閾值法，結(jié)合人工交互解譯方式判讀或提取冰凌災情信息。

(3) 精度分析及結(jié)果評價

根據(jù)實際災損情況及衛(wèi)星過境情況，選擇C星與近似分辨率的資源三號衛(wèi)星監(jiān)測評估結(jié)果進行相對的精度分析和結(jié)果評價。同樣，采用區(qū)域生長法和閾值法，結(jié)合人工交互解譯方式判讀或提取資源三號衛(wèi)星影像上的冰凌災情信息。辨識完全封凍河段和未完全封凍河段，統(tǒng)計完全封凍冰凌長度和面積，計算河漫灘上浮冰的最遠距離，對相應結(jié)果進行對比分析。

(4) 應用能力分析

C星監(jiān)測評估結(jié)果對冰凌災害的應用能力分析與評價。

(5) 制圖

選擇最優(yōu)比例尺，疊加相關災情分析數(shù)據(jù)信息，疊加圖例、比例尺、圖名等信息，制圖[10,11]。

4 測試結(jié)果

(1) 環(huán)境減災小衛(wèi)星星座冰凌災害協(xié)同監(jiān)測能力初步分析

利用2013年1月23日環(huán)境減災C星5 m分辨率 SAR影像對黃河鄂爾多斯市與巴彥淖爾市和阿拉善盟交界段冰凌情況進行監(jiān)測分析(圖1)，結(jié)果顯示：圖幅范圍內(nèi)，完全封凍長度約31 km，寬約0.25 km，冰凌外緣線清晰，可見未完全封凍的流凌，其中最寬流凌寬度約4 km。由于測試時間正處于冰凌的封凍期，圖像中未發(fā)現(xiàn)決口、漫溢、漫灘等解凍期的次生災害。同時利用環(huán)境減災小衛(wèi)星星座對該地區(qū)進行遙感監(jiān)測(圖2)，驗證環(huán)境減災小衛(wèi)星星座多星多載荷冰凌災害協(xié)同監(jiān)測能力。通過目視解譯，30 m分辨率光學數(shù)據(jù)中，基本可辨識封凍區(qū)域，冰凌外緣線清晰程度較S波段SAR衛(wèi)星稍遜，完全封凍和流凌區(qū)域不易區(qū)分，150 m分辨率紅外數(shù)據(jù)較難辨識封凍區(qū)域。

(2) 與資源三號衛(wèi)星影像提取結(jié)果對比分析

對C星SAR數(shù)據(jù)提取結(jié)果和資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取結(jié)果進行對比分析，見圖3，與C星條帶模式5 m分辨率影像數(shù)據(jù)相近空間分辨率的5.8 m資源三號衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)中，冰凌外緣線清晰，完全封凍冰凌、未封凍河段和河漫灘上浮冰均清晰可見，圖像中未發(fā)現(xiàn)決口、漫溢、漫灘等解凍期的次生災害。圖幅范圍內(nèi)，冰凌提取結(jié)果對比見表5，完全封凍河道的面積和長度均隨時間有所增加，寬度有微小差異。

對圖幅進行局部區(qū)域放大分析，參見圖4，圖5。圖4中，C星影像上，完全封凍河段能較完整地與其他地物進行區(qū)分，資源三號影像中除完全封凍河段能較完整地區(qū)分外，尚有一些細節(jié)信息能較明顯地表征。C星的細節(jié)信息提取能力較資源三號衛(wèi)星稍遜。圖5中，對河漫灘上的浮冰進行了局部放大分析，可見，C星影像上，除完全封凍河段外，浮冰區(qū)域的紋理信息相較其他地物也具有明顯的區(qū)分特征，因此可較好地區(qū)分。

圖1 環(huán)境減災C星黃河冰凌遙感監(jiān)測圖Fig.1 Remote sensing monitoring image of the ice disaster in Yellow River of HJ-1-C

圖2 環(huán)境減災小衛(wèi)星黃河冰凌遙感監(jiān)測圖Fig.2 Remote sensing monitoring image of the ice disaster in Yellow River of HJ-1 Constellation

圖3 黃河冰凌遙感監(jiān)測對比分析圖Fig.3 Remote sensing monitoring image of the ice disaster in Yellow River of contrast analysis

整體上，經(jīng)與同等分辨率的光學衛(wèi)星對比分析，C星能較好地提取完全封凍的冰凌區(qū)域和河漫灘上浮冰區(qū)域，與光學衛(wèi)星提取結(jié)果基本一致。但由于受衛(wèi)星回歸周期限制，資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)較C星數(shù)據(jù)滯后11天，隨著氣溫的影響，黃河冰凌封河程度逐步加劇，因此監(jiān)測數(shù)值僅作為對比分析依據(jù)，不適宜作為精度評判標準。

5 結(jié)論

基于C星SAR數(shù)據(jù)對2013年1月的黃河冰凌進行提取，并利用資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)對C星的監(jiān)測結(jié)果進行驗證，結(jié)果表明：條帶模式下，C星影像上，封凍河段表現(xiàn)為較高的后向散射特性，冰凌外緣線清晰，能夠準確區(qū)分完全封凍、未完全封凍和浮冰區(qū)域，可有效地用于黃河冰凌的監(jiān)測與評估。

民政部國家減災中心在C星在軌測試期間針對各類自然災害目標均進行了監(jiān)測和分析，本文僅介紹了S波段SAR數(shù)據(jù)在冰凌災害中的應用情況。源于 S波段SAR數(shù)據(jù)資源在世界上的獨特性和唯一性，其減災救災應用潛力有待進一步深入發(fā)掘。

圖5 黃河冰凌遙感監(jiān)測對比分析局部放大圖(二)Fig.5 Contrast analysis of partial enlargement image (2)

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