吳瑋

(應(yīng)急管理部國家減災(zāi)中心,北京 100124)

洪水災(zāi)害是我國最主要的自然災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計,2000－2011年我國洪水災(zāi)害損失占自然災(zāi)害損失比例的平均值約為51%,是我國最嚴重的一種自然災(zāi)害[1]。根據(jù)形成的因素條件,洪水可劃分為暴雨洪水、山洪泥石流、冰凌洪水、融冰融雪洪水、風(fēng)暴潮洪水、垮壩(堤)洪水等[2]。其中,垮壩(堤)洪水又可稱為潰決型洪水,是指由于擋水人工或自然物體發(fā)生潰決而引發(fā)的洪水,包括河堤潰決、水庫潰決、大壩潰決、堰塞體潰決等。這種因自然或人為因素造成潰決而形成的洪水災(zāi)害,具有突發(fā)性強、來勢兇猛、破壞力大的顯著特征[3],其洪峰流量、運動速度、破壞力遠遠大于一般暴雨洪水或融雪洪水[4]。

遙感技術(shù)是開展洪水災(zāi)害監(jiān)測、評估災(zāi)害影響的重要手段。洪水災(zāi)害遙感監(jiān)測的基本方法為:利用災(zāi)前遙感圖像和洪水遙感圖像,通過解譯、判讀和分析,進行疊加比較,提取洪水災(zāi)害淹沒面積和地理位置[5],其關(guān)鍵問題是水體信息的提取。按照圖像分割原理與方法的差異,水體提取方法有閾值法、分類器法和自動化法,其中:閾值法包含單波段法和譜間關(guān)系、水體指數(shù)等多波段法;而自動化法是借助于地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)整合初始水體提取、迭代分割、變化檢測來實現(xiàn)水體提取過程的自動化[6]。目前,洪水災(zāi)害的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)主要是光學(xué)和雷達圖像。文獻[7]中基于風(fēng)云三號A星(FY-3A)的中分辨率光譜成像儀(MERSI)光學(xué)數(shù)據(jù),在消除薄云影響的基礎(chǔ)上,利用閾值法提取松花江和黑龍江干流洪水水體信息。文獻[8]中提出結(jié)合當(dāng)前和歷史性洪水,利用8天中分辨率成像光譜儀(MODIS)數(shù)據(jù)訓(xùn)練地表水分類器來確定近實時地表水范圍。文獻[9]中利用環(huán)境減災(zāi)-1(HJ-1)衛(wèi)星結(jié)合監(jiān)督分類方法實現(xiàn)洪水損毀農(nóng)田的遙感識別。文獻[10]中利用環(huán)境減災(zāi)-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)基于藍光的歸一化差異水體指數(shù)開展海南島洪澇災(zāi)害監(jiān)測。由于雷達遙感能夠穿透云雨,已成為在洪水災(zāi)害期間監(jiān)測洪水范圍的重要手段,因此,將災(zāi)前光學(xué)數(shù)據(jù)和災(zāi)中雷達數(shù)據(jù)相結(jié)合,也是常見的洪水災(zāi)害監(jiān)測方式。文獻[11]中利用災(zāi)后“宇宙-地中?！?COSMO-Sky Med)雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過面向?qū)ο蠓椒ㄌ崛∷蚩臻g信息,結(jié)合災(zāi)前斯波特-5(SPOT-5)衛(wèi)星光學(xué)數(shù)據(jù)通過決策樹分類提取水體,獲取洪水淹沒范圍。綜合分析,風(fēng)云三號等極軌氣象衛(wèi)星可以較高頻次地監(jiān)測大面積的洪水,但百米至千米級的低空間分辨率是其主要缺陷,不太適用于局部性的潰決型洪水。中高分辨率陸地觀測衛(wèi)星已在洪水災(zāi)害監(jiān)測研究中成功應(yīng)用,但由于響應(yīng)靈活性和重訪時效性等問題,在潰決型洪水救災(zāi)應(yīng)急期間無法滿足快速響應(yīng)、服務(wù)決策的需要。

高分四號(GF-4)衛(wèi)星是世界首顆地球同步軌道高分辨率對地觀測光學(xué)遙感衛(wèi)星,具有監(jiān)測范圍大、響應(yīng)速度快、觀測頻次高、成像模式多樣等特點[12]。該衛(wèi)星機動成像能力強,單景圖像覆蓋范圍廣,完全能夠滿足區(qū)域性、流域性的洪水災(zāi)害監(jiān)測需要,其重復(fù)觀測能力對于及時監(jiān)測洪水變化能發(fā)揮重要作用[13]。本文充分利用高分四號衛(wèi)星成像優(yōu)勢,緊密結(jié)合潰決型洪水特點和實際應(yīng)用需求,以2016年6月江西鄱陽縣潰堤型洪水為研究對象,以洪水發(fā)生前后農(nóng)田顯著性變化為突破口,提出洪水標記樣本快速篩選方法,采用分類后變化檢測方式提取洪水淹沒范圍,利用土地覆蓋分類和人口統(tǒng)計資料,實現(xiàn)基于空間統(tǒng)計分析的受淹地類和受災(zāi)人口的快速估算。

1 高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)及分析

1.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)及預(yù)處理

2016年6月18日至21日,江西省北部地區(qū)遭受強降雨,導(dǎo)致昌江發(fā)生超保證水位的大洪水。據(jù)當(dāng)?shù)貫?zāi)情統(tǒng)計和有關(guān)報道,6月20日19時許,受高水位急劇上升、昌江洪峰等多種因素疊加影響,上饒市鄱陽縣古縣渡鎮(zhèn)向陽圩濱田河河堤出現(xiàn)潰口,此次潰決型洪水導(dǎo)致向陽圩多個村莊約5600人受影響,緊急轉(zhuǎn)移群眾1.3萬人。6月22日約14時,當(dāng)?shù)亻_始啟動對向陽圩河堤潰口封堵工作。6月24日12時許,向陽圩河堤潰口封堵工作完成。

高分四號衛(wèi)星具有大幅寬、快速響應(yīng)、機動靈活、中分辨率、成像積分可調(diào)節(jié)等優(yōu)勢,能夠克服MODIS、“諾阿”(NOAA)衛(wèi)星甚高分辨率輻射儀(AVHRR)等衛(wèi)星圖像分辨率低和環(huán)境減災(zāi)-1等衛(wèi)星觀測時間間隔長、覆蓋范圍小等缺陷[14]。經(jīng)在軌測試,高分四號衛(wèi)星最快能在1 h30 min內(nèi)實現(xiàn)從觀測需求提出端到減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品端的全鏈路數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)[15],因此,特別適用于潰決型洪水災(zāi)害第一時間的應(yīng)急響應(yīng)監(jiān)測。鄱陽縣古縣渡鎮(zhèn)向陽圩發(fā)生河堤潰口后,高分四號衛(wèi)星于6月21日10時03分對災(zāi)區(qū)成像,是此次災(zāi)害過程中最早獲取的衛(wèi)星圖像。此后,衛(wèi)星又于6月22日12時27分、6月23日11時38分分別對災(zāi)區(qū)持續(xù)進行監(jiān)測。獲取的高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)為L1A級的全色多光譜(PMS)圖像產(chǎn)品,空間分辨率為50 m,包含有全色和藍、綠、紅、近紅外共5個波段,并已完成系統(tǒng)級輻射校正。利用衛(wèi)星圖像有理多項式系數(shù)(RPC),對高分四號衛(wèi)星全色多光譜數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)幾何校正處理。利用定標系數(shù)、圖像元數(shù)據(jù)等參數(shù)信息,基于6S大氣輻射傳輸模型,通過高分四號衛(wèi)星圖像輻射校正技術(shù)形成的軟件系統(tǒng),將幾何校正圖像產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為地表反射率產(chǎn)品。結(jié)合潰決型洪水災(zāi)害發(fā)生的粗略區(qū)域進行圖像裁切處理,以減少后續(xù)數(shù)據(jù)處理量,提高遙感信息提取分析效率。

選取洪水災(zāi)害發(fā)生前時相最近、圖像質(zhì)量較好的高分一號(GF-1)衛(wèi)星寬視場(WFV)相機中分辨率遙感圖像數(shù)據(jù),成像時間為2016年6月5日11時29分,圖像產(chǎn)品為L1A級(僅完成系統(tǒng)級輻射校正的數(shù)據(jù)產(chǎn)品)。該圖像空間分辨率為16 m,包含藍、綠、紅、近紅外共4個譜段。利用中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的輻射定標系數(shù)和圖像元數(shù)據(jù)等信息,將圖像灰度值轉(zhuǎn)換為輻亮度,進而生成圖像表觀反射率產(chǎn)品。基于6S大氣輻射傳輸模型,反演生成高分一號衛(wèi)星圖像地表反射率產(chǎn)品。對圖像進行裁切處理,使高分一號衛(wèi)星與高分四號衛(wèi)星圖像研究區(qū)域保持一致。以災(zāi)前高分一號衛(wèi)星圖像為參考基準,通過選取控制點對高分四號衛(wèi)星圖像進行幾何精校正。為便于圖像統(tǒng)計分析,通過重采樣方式使高分四號衛(wèi)星與高分一號衛(wèi)星圖像分辨率保持一致。

土地覆蓋參考數(shù)據(jù)選用國家基礎(chǔ)地理信息中心發(fā)布的30 m全球地表覆蓋數(shù)據(jù)集。該產(chǎn)品采用的分類圖像主要包括美國“陸地衛(wèi)星”(Landsat)的專題制圖儀/增強型專題制圖儀(TM/ETM＋)遙感器的多光譜圖像和中國環(huán)境減災(zāi)-1衛(wèi)星多光譜圖像。它將地表劃分為耕地、林地、草地、灌叢、凍原、濕地、水體、人造地表、裸地、永久雪冰10類,圖像時相大多為2010年前后,而這次洪水災(zāi)害區(qū)域的地表覆蓋分類產(chǎn)品是基于2005年9月成像數(shù)據(jù)生成的。因此,有必要利用災(zāi)前時相最新的高分一號衛(wèi)星圖像進行地類更新處理。災(zāi)害發(fā)生地古縣渡鎮(zhèn)位于鄱陽縣東南部,據(jù)統(tǒng)計,該鎮(zhèn)總面積為200平方千米,總?cè)丝?萬人。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

潰決型洪水災(zāi)害的遙感監(jiān)測需要解決水體提取、水域范圍的變化檢測、受災(zāi)情況評估等問題。基于水體在可見光紅外譜段的反射特征,利用譜間關(guān)系、水體指數(shù)是常見的水體提取方法。文獻[16]中利用高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點,依據(jù)歸一化差異水體指數(shù)開展水體范圍的提取。然而,由于潰決型洪水淹沒農(nóng)田、居民地等區(qū)域,其水體的物理特性會隨著水體成分的變化而變化,這些變化往往是未知的,會造成洪水的遙感圖像特征與理想水體特征存在很大差異,甚至可能出現(xiàn)水體在可見光近紅外譜段反射率下降的趨勢發(fā)生改變的情況。因此,利用物理屬性進行建模提取洪水的方法盡管簡單,但實用性差。同時,為實現(xiàn)不同時相異源遙感圖像上的洪水淹沒范圍變化分析,克服基于像素的直接變化檢測法對成像條件、輻射特性一致性要求高等難題,本文提出基于植被顯著性變化的洪水樣本自動選擇模型,采用分類后比較方式,構(gòu)建空間位置關(guān)系約束條件下的潰決型洪水范圍提取方法,利用空間統(tǒng)計方法分析受災(zāi)地類情況,并通過構(gòu)建人口密度模型實現(xiàn)受災(zāi)人口快速估算。災(zāi)害監(jiān)測評估流程見圖1。

(1)基于植被變化的洪水樣本自動選擇。潰決型洪水發(fā)生后,選擇完成預(yù)處理的災(zāi)前高分一號衛(wèi)星16 m的寬視場相機圖像和災(zāi)后第一時間成像的高分四號衛(wèi)星圖像,利用植被在近紅外波段反射強而在紅波段反射弱的特點,分別計算每個圖像的歸一化差分植被指數(shù)。該指數(shù)能反映植被覆蓋狀況,通過近紅外波段和紅波段的差分處理得到,值域范圍為[－1,1],且數(shù)值越大,表示植被覆蓋量越大。其中,高分四號衛(wèi)星圖像取第五通道的近紅外波段和第四通道的紅光波段進行計算,而高分一號衛(wèi)星圖像取第四通道的近紅外波段和第三通道的紅光波段計算得到。采用0.3的絕對閾值對歸一化差分植被指數(shù)產(chǎn)品進行二值化處理,將圖像上不小于0.3的像元提取為植被覆蓋區(qū)。理論上,同一區(qū)域從相近時相圖像上提取的植被覆蓋范圍是一致的,但由于洪水災(zāi)害的影響,導(dǎo)致植被覆蓋范圍發(fā)生變化,因此,將洪水災(zāi)害前后植被覆蓋區(qū)進行差值處理,利用最大類間方差法自適應(yīng)確定變化目標和背景的最佳分割閾值,并進行二值化處理,以提取植被發(fā)生顯著性變化的區(qū)域。為減少由于圖像分辨率、閾值等因素造成的提取植被變化區(qū)邊緣誤差,建立5×5的方形結(jié)構(gòu)元素,對二值圖像進行形態(tài)學(xué)腐蝕處理。最終,將植被顯著變化區(qū)域的像元作為標記洪水樣本。

(2)洪水范圍提取?；跇擞浐樗畼颖?采用光譜角度制圖(SAM)進行二分類以提取水域范圍。該方法是將圖像上待分類像元的光譜向量與標記洪水樣本的光譜向量進行比較,選取光譜夾角小、相似度高的像元作為水體。由于潰決型洪水是一個空間連續(xù)分布的完整水域范圍,利用圖像分類并結(jié)合災(zāi)害發(fā)生的粗略區(qū)域范圍,即可對洪水的位置進行快速準確定位。在此基礎(chǔ)上,為減少洪水淹沒區(qū)外圍受河湖連接等因素影響導(dǎo)致邊緣提取困難問題,參考地表覆蓋數(shù)據(jù)集,利用災(zāi)前高分一號衛(wèi)星圖像進行光譜角度制圖分類、圖像裁切、形態(tài)學(xué)處理等提取淹沒區(qū)周圍的災(zāi)前河湖范圍,通過空間掩膜處理消除連接的河湖區(qū),以準確提取洪水淹沒區(qū)輪廓。針對災(zāi)后持續(xù)監(jiān)測的高分四號衛(wèi)星影像,基于災(zāi)后第一時間高分四號衛(wèi)星圖像提取的洪水范圍,進行洪水標記樣本選擇,利用光譜角度制圖分類方法生成水域范圍。利用災(zāi)前河湖范圍,采用同樣的空間掩膜處理方法剔除洪水區(qū)域外圍連接的河湖區(qū),實現(xiàn)洪水范圍的連續(xù)監(jiān)測。

(3)受災(zāi)情況統(tǒng)計評估。潰決型洪水經(jīng)歷了發(fā)生、發(fā)展到逐步消退的過程。以災(zāi)后監(jiān)測的最大洪水范圍作為受災(zāi)范圍,基于災(zāi)前遙感分類的土地覆蓋類型,通過空間疊加分析方法統(tǒng)計洪水淹沒區(qū)域內(nèi)農(nóng)用地、人造地表面積。利用潰決型洪水所發(fā)生的行政區(qū)人口和面積統(tǒng)計資料,估算人口密度,結(jié)合受淹范圍,評估受災(zāi)人口,計算方法如下。

式中:N為受災(zāi)人口;M為最大淹沒范圍;P為洪水發(fā)生地行政區(qū)人口;S為行政區(qū)所轄面積。

圖1 潰決型洪水災(zāi)害監(jiān)測評估流程Fig.1 Flow of monitoring and assessment for outburst flood disaster

2 應(yīng)用成果及評價分析

2.1 應(yīng)用成果

按照30 m全球地表覆蓋數(shù)據(jù)集,洪災(zāi)發(fā)生區(qū)域鄱陽縣古縣渡鎮(zhèn)向陽圩地表覆蓋類型包括耕地、林地、草地、人造地表和水體5類。根據(jù)國家標準《土地利用現(xiàn)狀分類》(GBT 21010－2017),將耕地、林地、草地統(tǒng)一劃為農(nóng)用地,作為從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地。人造地表是人類生產(chǎn)、生活的場所,是廣義上的縣、鄉(xiāng)、村等人為活動的居民地。因此,針對災(zāi)前高分一號衛(wèi)星寬視場相機數(shù)據(jù),考慮到云蓋影響,將圖像類別劃為農(nóng)用地、人造地表、水體和云層4類。圖2為基于2016年6月5日高分一號衛(wèi)星圖像的分類結(jié)果,其中,紅色為人造地表,綠色為農(nóng)用地,藍色為水體,灰色為云層。利用6月21日、22日和23日高分四號衛(wèi)星圖像進行洪水范圍提取,結(jié)果見圖3。表1為地表受淹情況統(tǒng)計。以鄱陽縣古縣渡鎮(zhèn)200平方千米面積、人口9萬人作為測算依據(jù),則受淹區(qū)域影響人口為5462人。

圖2 基于災(zāi)前高分一號衛(wèi)星圖像的分類結(jié)果Fig.2 Classification results based on pre-disaster GF-1 satellite imagery

圖3 基于高分四號衛(wèi)星圖像的洪水范圍提取結(jié)果Fig.3 Flood range extraction results based on GF-4 satellite imagery

表1 地表受淹情況統(tǒng)計Table 1 Statistics of surface flooding 公頃

2.2 評價分析

高分四號衛(wèi)星圖像是鄱陽縣潰決型洪水災(zāi)害發(fā)生后最早獲取的遙感圖像數(shù)據(jù),由于沒有多期同步觀測的高分辨率圖像進行洪災(zāi)區(qū)域的比對,因此結(jié)合地方報告的災(zāi)情信息進行對比分析。此次洪水災(zāi)害造成了鄱陽縣向陽圩內(nèi)1.03萬畝農(nóng)田被淹,多個村莊共約5600人受影響。這里將農(nóng)用地作為農(nóng)田來考慮,按照6月21日監(jiān)測的農(nóng)用地面積701.0公頃(即1.05萬畝)計算,遙感統(tǒng)計農(nóng)田面積比地方統(tǒng)計數(shù)多0.02萬畝,精度達98.1%。受淹地區(qū)影響人口估算為5462人,比地方統(tǒng)計數(shù)少100余人,估算精度達97.5%。以上結(jié)果表明:本文提出的遙感監(jiān)測和受災(zāi)情況估算結(jié)果準確度高,具有良好的應(yīng)用價值,可為及時開展救災(zāi)工作提供決策參考。分析基于高分四號衛(wèi)星圖像提取的潰堤型洪水范圍,其誤差來源主要在于衛(wèi)星圖像的空間分辨率、分類模型和標記樣本選取的代表性。而受淹地類和受災(zāi)人口的評估效果也會受到遙感分類精度、統(tǒng)計資料的準確性及人口空間分布密度不均衡性等因素的影響。

從遙感監(jiān)測和統(tǒng)計結(jié)果看,此次鄱陽縣古縣渡鎮(zhèn)向陽圩河堤潰口造成的洪水災(zāi)害經(jīng)歷了淹沒區(qū)顯著擴大和逐步消退的過程。災(zāi)后第1天(6月21日),洪水淹沒面積達1213.8公頃,其中農(nóng)用地為701.0公頃,人為活動的人造地表區(qū)域達339.5公頃。災(zāi)后第2天,洪水淹沒區(qū)域已有明顯縮小,總淹沒面積降至759.5公頃,農(nóng)用地受淹面積降至410.6公頃。災(zāi)后第3天,總淹沒面積繼續(xù)下降至722.7公頃,農(nóng)用地受淹面積減少到372.4公頃,人造地表變化不大,表明農(nóng)田的排水效果更為明顯。

3 結(jié)束語

地球靜止軌道高分辨率對地觀測衛(wèi)星是開展災(zāi)害應(yīng)急觀測、服務(wù)應(yīng)急管理工作的重要手段。本文利用高分四號衛(wèi)星快速響應(yīng)、持續(xù)觀測的優(yōu)勢,結(jié)合災(zāi)前高分一號衛(wèi)星圖像,以江西省鄱陽縣向陽圩河堤潰決型洪水災(zāi)害為例,基于分類后對比分析的思想,實現(xiàn)了洪水范圍提取與受災(zāi)情況的評估,取得了良好的應(yīng)用效果。應(yīng)用結(jié)果表明:高分四號衛(wèi)星機動成像能力強,能及時應(yīng)用于監(jiān)測突發(fā)性的潰決型洪水,并能根據(jù)實際需求實現(xiàn)對災(zāi)區(qū)的連續(xù)監(jiān)測,是洪水災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測的重要手段;基于高分四號衛(wèi)星圖像的洪水范圍提取和受災(zāi)情況評估方法簡便易行、準確性高,可用于潰決型洪水范圍及其變化監(jiān)測評估。同時,在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn),受天氣條件和云層遮擋,在6月24日向陽圩完成潰口封堵工作時,高分四號衛(wèi)星未能有效獲取災(zāi)區(qū)圖像。受空間分辨率等因素影響,高分四號衛(wèi)星對居民區(qū)、道路、橋梁等承災(zāi)體細節(jié)及其變化狀態(tài)的識別能力不強。因此,在充分利用高分四號衛(wèi)星成像優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,還要將其與低軌高分辨率光學(xué)衛(wèi)星和雷達衛(wèi)星相互結(jié)合,對潰決型洪水開展多種探測手段的組合觀測,以更好滿足災(zāi)害監(jiān)測評估業(yè)務(wù)需求。對于高分四號衛(wèi)星后續(xù)的地球靜止軌道衛(wèi)星,建議在保持大幅寬成像的基礎(chǔ)上,進一步提升衛(wèi)星成像空間分辨率和輻射性能,擴展衛(wèi)星觀測譜段,特別是短波紅外和熱紅外,以提高潰決型洪水災(zāi)害要素及其變化的精細化辨識能力和全天時災(zāi)害觀測能力,為實現(xiàn)洪水災(zāi)害的應(yīng)急監(jiān)測和精準評估提供更為豐富有效的技術(shù)手段。