遥感测量在洪水灾害淹没监测中的应用

张斌

(珠海市测绘院，广东 珠海 519000)

1 引 言

2017年7月初，湖南省受持续强降雨影响，省内多地出现洪涝灾害，洞庭湖区水位上涨，造成了大范围农田受损、城市内涝等。本文基于COSMO-SkyMed SAR影像以受灾较严重的岳阳市重点地区为例对洪水淹没情况进行研究。

由于监测区域云层较厚，一直降雨，受此影响，常用的光学数据难以有效反映实际受灾情况，结合雷达可穿透云雾的特性，本文采用SAR数据进行监测分析。理想情况下，入射波发射到平静的水面会发生近似镜面反射现象，SAR接收到水面的回波信号很少，水体散射强度很低，在这种情况下水体的散射强度值接近为零，呈现接近黑色的暗色调区域，与其他地物覆盖类型较易区分，因此可以用阈值法或者人工方法提取。

COSMO-SkyMed系统是一个由意大利航天局和国防部共同研发的4颗雷达卫星组成的星座，目前4颗卫星已全部在轨运行[1]。目前，国内外基于COSMO数据研究了其在洪水监测中的应用。Pulvirenti[2]基于表面散射模型和图像分割方法，发展了一套多时相的COSMO-SkyMed数据洪水监测程序。Pierdicca[3]描述了确定洪水雷达影像的电磁机制，发展了利用半自动的技术基于SAR影像绘制洪水区域地图。Cohen[4]等人在COSMO-SkyMed影像中引入了植被散射特征来提高植被淹没区的水体提取精度，水体提取精度达到85%。王嘉芃[5]利用COSMO影像和灾前的SPOT-5高分辨率光学影像，并利用无人机影像验证了COSMO影像水域提取精度达到了93.7%。陈志国[6]对比研究了不同雷达卫星影像数据在深圳、武汉、孟加拉国等地的洪水淹没区的应用，对比了SAR影像中水域提取算法在不同条件下的适用性。影像滤波算法包含空间域和频率域滤波方法，空间域主要有：均值滤波，Lee滤波，中值滤波等，频率域滤波方法有小波变换的硬阈值滤波，通过FFT变换的滤波等。阈值分割算法包含：单阈值分割，自适应全局阈值分割和Otsu最佳全局阈值分割等。由于洪涝灾害监测经常需要快速获得监测区淹没情况，本文采用均值滤波和Otsu最佳全局阈值分割对SAR影像进行预处理。

2 研究区域与数据处理

2.1 研究区域介绍

2017年6月下旬至7月初湖南省发生了超历史暴雨洪水灾害。6月份湖南省全省降雨总量达 407.1 mm，是多年同期平均雨量的1.7倍，比历史同期记录最大的1954年6月降雨 384 mm多 23 mm，比1998年6月降雨多 70 mm。岳阳市年平均降水 1 400 mm左右，其中春夏雨量占全年的大部分，达到了70%[7]。岳阳市作为环洞庭湖的地级市，其水系发达，在此次暴雨洪水过程中损失尤其严重。根据岳阳市2017年防汛抗旱简报，6月29日至7月1日华容县发生强降雨，全县累计平均降雨 114.9 mm，最大团洲乡达 342 mm。

2.2 数据及预处理

本文采用覆盖岳阳地区，分辨率为30 m的COSMO雷达卫星作为监测数据源(如图1所示)，数据基本情况如表1所示：

图1 COSMO雷达卫星两期过境影像及其在岳阳市的覆盖区域示意图 SAR影像信息 表1

本文基于Gamma软件平台对SAR影像数据进行了辐射校正、斑点噪声抑制、影像配准和几何校正等预处理，然后基于ENVI软件平台对水体区域进行分割和提取，最后基于ArcGIS平台对SAR影像进行后期编辑和统计。洪水监测工作的分析必须依赖基础数据，即未发洪水时地表情况。在前一年度土地利用变更数据库的支持下，在数据库中抽取水域图层，结合雷达提取的后时相水体图层，将前后水体图层对比，发现变化区域，经过滤波剔除错判图斑，得到新增淹没区图层。

2.3 Otsu最佳阈值分割法

该算法是通过求两类地物间的类间方差最大从而自动计算出分割阈值的大小，因此同样的图像中感兴趣区地物的灰度值和其他地物灰度值有明显差异的情况下有较好的效果，即图像的灰度值频率分布有明显的“峰谷”特点，而且峰值和谷值差值越大分割效果越明显。图2展示了Otsu最佳阈值分割法的流程。

图2 Otsu最佳阈值分割法流程图

3 结果与分析

通过信息提取工作，提取了7月5日和7月6日华容县(部分区域)、岳阳楼区(全部区域)、君山区(全部区域)洪水淹没图斑。图3展示了基于Gamma软件获得的华容县局部水体覆盖图斑，可以看到本文采用的提取方法可以较好地提取水体区域。

图4显示了环洞庭湖区域的3个县市的水体分布，通过与上一年的水体分布图层进行空间差值运算，得到2017年7月5日由于洪涝灾害的新增积水覆盖图(如图5所示)。

图3 局部水体覆盖图斑

图5 7月5日环洞庭湖区域同比新增积水覆盖图

对岳阳市3个县市的整体监测区域2017年7月5日监测具体情况如下：共提取新增积水图斑 4 810个，面积 120.15 km2，共提取积水耕地图斑 1 861个，面积为 46.47 km2。如表2所示，通过与上一年同时期的水体范围和农田分布范围数据进行比较。华容县新增水面面积 69.78 km2，占总的新增水面面积的58.1%；君山区新增水面面积 43.23 km2，占比36.0%；岳阳楼区新增水面面积 7.14 km2，占比5.9%。而耕地积水面积3个区域积水面积分别为 32.77 km2、13.09 km2和 0.60 km2。通过对受灾面积分析表明，华容区受灾最为严重，其次为君山区，最后为岳阳楼区。

SAR影像监测统计情况 表2

图6 岳阳楼区和君山区7月6日较5日积水增量分布图

通过2期影像时间序列分析(如图6所示)，7月6日较7月5日各地类的积水淹没面积均存在不同程度的增长，表明7月6日较7月5日洪涝积水情况有所加重，根据2016年度土地利用变更数据库的信息，可以分析得到新增积水面积最大的主要为水田旱地，主要原因是耕种用地主要分布于较低洼地区，相比较其他地类，更容易积水受灾。

4 结 语

洪涝灾害的发生具有范围广、持续时间长等特点。受云层影响，传统的光学难以确保每个受灾区域数据的有效获取，受续航能力及作业能力影响，无人机亦无法对全部受灾区域进行快速有效获取。雷达数据由于其特殊的成像机制，具备穿透云雾的能力，同时对水面具有特殊的反应，非常适合大面积水域面积的提取。随着航天雷达数据空间设施的不断完善，目前雷达数据采集及处理已经能达到 24 h响应，一次成像获取面积可达 10 000 km2。为更加有效地辅助救灾工作，可以将航天雷达技术纳入测绘应急体制。

本文采用Otsu最佳阈值分割法可以较好提取出遥感SAR影像的水体区域。Otsu方法也存在一些不足。当目标(水体区域)与背景的大小比例悬殊时，类间方差准则函数可能呈现双峰或多峰，此时可以考虑进一步改善阈值分割法，有待于进一步研究。

本文获取了2017年7月初湖南省岳阳市洪水淹没区的COSMO影像，并与前期基础数据对比分析，计算了岳阳市3个县市的洪水淹没面积和农田受灾面积。并通过7月5日与6日两期影像的比较，得到了此次洪水灾害随时间的变化情况。本文的研究工作有助于在突发性洪水灾害应急响应中快速提取淹没区、针对洪水多发区进行时序监测。