高分四号卫星在溃决型洪水灾害监测评估中的应用

吴玮

(应急管理部国家减灾中心,北京 100124)

洪水灾害是我国最主要的自然灾害之一。据统计,2000－2011年我国洪水灾害损失占自然灾害损失比例的平均值约为51%,是我国最严重的一种自然灾害[1]。根据形成的因素条件,洪水可划分为暴雨洪水、山洪泥石流、冰凌洪水、融冰融雪洪水、风暴潮洪水、垮坝(堤)洪水等[2]。其中,垮坝(堤)洪水又可称为溃决型洪水,是指由于挡水人工或自然物体发生溃决而引发的洪水,包括河堤溃决、水库溃决、大坝溃决、堰塞体溃决等。这种因自然或人为因素造成溃决而形成的洪水灾害,具有突发性强、来势凶猛、破坏力大的显著特征[3],其洪峰流量、运动速度、破坏力远远大于一般暴雨洪水或融雪洪水[4]。

遥感技术是开展洪水灾害监测、评估灾害影响的重要手段。洪水灾害遥感监测的基本方法为:利用灾前遥感图像和洪水遥感图像,通过解译、判读和分析,进行叠加比较,提取洪水灾害淹没面积和地理位置[5],其关键问题是水体信息的提取。按照图像分割原理与方法的差异,水体提取方法有阈值法、分类器法和自动化法,其中:阈值法包含单波段法和谱间关系、水体指数等多波段法;而自动化法是借助于地理信息系统(GIS)技术整合初始水体提取、迭代分割、变化检测来实现水体提取过程的自动化[6]。目前,洪水灾害的遥感监测数据主要是光学和雷达图像。文献[7]中基于风云三号A星(FY-3A)的中分辨率光谱成像仪(MERSI)光学数据,在消除薄云影响的基础上,利用阈值法提取松花江和黑龙江干流洪水水体信息。文献[8]中提出结合当前和历史性洪水,利用8天中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据训练地表水分类器来确定近实时地表水范围。文献[9]中利用环境减灾-1(HJ-1)卫星结合监督分类方法实现洪水损毁农田的遥感识别。文献[10]中利用环境减灾-1卫星CCD数据基于蓝光的归一化差异水体指数开展海南岛洪涝灾害监测。由于雷达遥感能够穿透云雨,已成为在洪水灾害期间监测洪水范围的重要手段,因此,将灾前光学数据和灾中雷达数据相结合,也是常见的洪水灾害监测方式。文献[11]中利用灾后“宇宙-地中海”(COSMO-Sky Med)雷达卫星数据通过面向对象方法提取水域空间信息,结合灾前斯波特-5(SPOT-5)卫星光学数据通过决策树分类提取水体,获取洪水淹没范围。综合分析,风云三号等极轨气象卫星可以较高频次地监测大面积的洪水,但百米至千米级的低空间分辨率是其主要缺陷,不太适用于局部性的溃决型洪水。中高分辨率陆地观测卫星已在洪水灾害监测研究中成功应用,但由于响应灵活性和重访时效性等问题,在溃决型洪水救灾应急期间无法满足快速响应、服务决策的需要。

高分四号(GF-4)卫星是世界首颗地球同步轨道高分辨率对地观测光学遥感卫星,具有监测范围大、响应速度快、观测频次高、成像模式多样等特点[12]。该卫星机动成像能力强,单景图像覆盖范围广,完全能够满足区域性、流域性的洪水灾害监测需要,其重复观测能力对于及时监测洪水变化能发挥重要作用[13]。本文充分利用高分四号卫星成像优势,紧密结合溃决型洪水特点和实际应用需求,以2016年6月江西鄱阳县溃堤型洪水为研究对象,以洪水发生前后农田显著性变化为突破口,提出洪水标记样本快速筛选方法,采用分类后变化检测方式提取洪水淹没范围,利用土地覆盖分类和人口统计资料,实现基于空间统计分析的受淹地类和受灾人口的快速估算。

1 高分四号卫星数据及分析

1.1 卫星数据及预处理

2016年6月18日至21日,江西省北部地区遭受强降雨,导致昌江发生超保证水位的大洪水。据当地灾情统计和有关报道,6月20日19时许,受高水位急剧上升、昌江洪峰等多种因素叠加影响,上饶市鄱阳县古县渡镇向阳圩滨田河河堤出现溃口,此次溃决型洪水导致向阳圩多个村庄约5600人受影响,紧急转移群众1.3万人。6月22日约14时,当地开始启动对向阳圩河堤溃口封堵工作。6月24日12时许,向阳圩河堤溃口封堵工作完成。

高分四号卫星具有大幅宽、快速响应、机动灵活、中分辨率、成像积分可调节等优势,能够克服MODIS、“诺阿”(NOAA)卫星甚高分辨率辐射仪(AVHRR)等卫星图像分辨率低和环境减灾-1等卫星观测时间间隔长、覆盖范围小等缺陷[14]。经在轨测试,高分四号卫星最快能在1 h30 min内实现从观测需求提出端到减灾应用产品端的全链路数据产品服务[15],因此,特别适用于溃决型洪水灾害第一时间的应急响应监测。鄱阳县古县渡镇向阳圩发生河堤溃口后,高分四号卫星于6月21日10时03分对灾区成像,是此次灾害过程中最早获取的卫星图像。此后,卫星又于6月22日12时27分、6月23日11时38分分别对灾区持续进行监测。获取的高分四号卫星数据为L1A级的全色多光谱(PMS)图像产品,空间分辨率为50 m,包含有全色和蓝、绿、红、近红外共5个波段,并已完成系统级辐射校正。利用卫星图像有理多项式系数(RPC),对高分四号卫星全色多光谱数据进行系统几何校正处理。利用定标系数、图像元数据等参数信息,基于6S大气辐射传输模型,通过高分四号卫星图像辐射校正技术形成的软件系统,将几何校正图像产品转化为地表反射率产品。结合溃决型洪水灾害发生的粗略区域进行图像裁切处理,以减少后续数据处理量,提高遥感信息提取分析效率。

选取洪水灾害发生前时相最近、图像质量较好的高分一号(GF-1)卫星宽视场(WFV)相机中分辨率遥感图像数据,成像时间为2016年6月5日11时29分,图像产品为L1A级(仅完成系统级辐射校正的数据产品)。该图像空间分辨率为16 m,包含蓝、绿、红、近红外共4个谱段。利用中国资源卫星应用中心提供的辐射定标系数和图像元数据等信息,将图像灰度值转换为辐亮度,进而生成图像表观反射率产品。基于6S大气辐射传输模型,反演生成高分一号卫星图像地表反射率产品。对图像进行裁切处理,使高分一号卫星与高分四号卫星图像研究区域保持一致。以灾前高分一号卫星图像为参考基准,通过选取控制点对高分四号卫星图像进行几何精校正。为便于图像统计分析,通过重采样方式使高分四号卫星与高分一号卫星图像分辨率保持一致。

土地覆盖参考数据选用国家基础地理信息中心发布的30 m全球地表覆盖数据集。该产品采用的分类图像主要包括美国“陆地卫星”(Landsat)的专题制图仪/增强型专题制图仪(TM/ETM＋)遥感器的多光谱图像和中国环境减灾-1卫星多光谱图像。它将地表划分为耕地、林地、草地、灌丛、冻原、湿地、水体、人造地表、裸地、永久雪冰10类,图像时相大多为2010年前后,而这次洪水灾害区域的地表覆盖分类产品是基于2005年9月成像数据生成的。因此,有必要利用灾前时相最新的高分一号卫星图像进行地类更新处理。灾害发生地古县渡镇位于鄱阳县东南部,据统计,该镇总面积为200平方千米,总人口9万人。

1.2 数据处理方法

溃决型洪水灾害的遥感监测需要解决水体提取、水域范围的变化检测、受灾情况评估等问题。基于水体在可见光红外谱段的反射特征,利用谱间关系、水体指数是常见的水体提取方法。文献[16]中利用高分四号卫星数据特点,依据归一化差异水体指数开展水体范围的提取。然而,由于溃决型洪水淹没农田、居民地等区域,其水体的物理特性会随着水体成分的变化而变化,这些变化往往是未知的,会造成洪水的遥感图像特征与理想水体特征存在很大差异,甚至可能出现水体在可见光近红外谱段反射率下降的趋势发生改变的情况。因此,利用物理属性进行建模提取洪水的方法尽管简单,但实用性差。同时,为实现不同时相异源遥感图像上的洪水淹没范围变化分析,克服基于像素的直接变化检测法对成像条件、辐射特性一致性要求高等难题,本文提出基于植被显著性变化的洪水样本自动选择模型,采用分类后比较方式,构建空间位置关系约束条件下的溃决型洪水范围提取方法,利用空间统计方法分析受灾地类情况,并通过构建人口密度模型实现受灾人口快速估算。灾害监测评估流程见图1。

(1)基于植被变化的洪水样本自动选择。溃决型洪水发生后,选择完成预处理的灾前高分一号卫星16 m的宽视场相机图像和灾后第一时间成像的高分四号卫星图像,利用植被在近红外波段反射强而在红波段反射弱的特点,分别计算每个图像的归一化差分植被指数。该指数能反映植被覆盖状况,通过近红外波段和红波段的差分处理得到,值域范围为[－1,1],且数值越大,表示植被覆盖量越大。其中,高分四号卫星图像取第五通道的近红外波段和第四通道的红光波段进行计算,而高分一号卫星图像取第四通道的近红外波段和第三通道的红光波段计算得到。采用0.3的绝对阈值对归一化差分植被指数产品进行二值化处理,将图像上不小于0.3的像元提取为植被覆盖区。理论上,同一区域从相近时相图像上提取的植被覆盖范围是一致的,但由于洪水灾害的影响,导致植被覆盖范围发生变化,因此,将洪水灾害前后植被覆盖区进行差值处理,利用最大类间方差法自适应确定变化目标和背景的最佳分割阈值,并进行二值化处理,以提取植被发生显著性变化的区域。为减少由于图像分辨率、阈值等因素造成的提取植被变化区边缘误差,建立5×5的方形结构元素,对二值图像进行形态学腐蚀处理。最终,将植被显著变化区域的像元作为标记洪水样本。

(2)洪水范围提取。基于标记洪水样本,采用光谱角度制图(SAM)进行二分类以提取水域范围。该方法是将图像上待分类像元的光谱向量与标记洪水样本的光谱向量进行比较,选取光谱夹角小、相似度高的像元作为水体。由于溃决型洪水是一个空间连续分布的完整水域范围,利用图像分类并结合灾害发生的粗略区域范围,即可对洪水的位置进行快速准确定位。在此基础上,为减少洪水淹没区外围受河湖连接等因素影响导致边缘提取困难问题,参考地表覆盖数据集,利用灾前高分一号卫星图像进行光谱角度制图分类、图像裁切、形态学处理等提取淹没区周围的灾前河湖范围,通过空间掩膜处理消除连接的河湖区,以准确提取洪水淹没区轮廓。针对灾后持续监测的高分四号卫星影像,基于灾后第一时间高分四号卫星图像提取的洪水范围,进行洪水标记样本选择,利用光谱角度制图分类方法生成水域范围。利用灾前河湖范围,采用同样的空间掩膜处理方法剔除洪水区域外围连接的河湖区,实现洪水范围的连续监测。

(3)受灾情况统计评估。溃决型洪水经历了发生、发展到逐步消退的过程。以灾后监测的最大洪水范围作为受灾范围,基于灾前遥感分类的土地覆盖类型,通过空间叠加分析方法统计洪水淹没区域内农用地、人造地表面积。利用溃决型洪水所发生的行政区人口和面积统计资料,估算人口密度,结合受淹范围,评估受灾人口,计算方法如下。

式中:N为受灾人口;M为最大淹没范围;P为洪水发生地行政区人口;S为行政区所辖面积。

图1 溃决型洪水灾害监测评估流程Fig.1 Flow of monitoring and assessment for outburst flood disaster

2 应用成果及评价分析

2.1 应用成果

按照30 m全球地表覆盖数据集,洪灾发生区域鄱阳县古县渡镇向阳圩地表覆盖类型包括耕地、林地、草地、人造地表和水体5类。根据国家标准《土地利用现状分类》(GBT 21010－2017),将耕地、林地、草地统一划为农用地,作为从事农业生产的土地。人造地表是人类生产、生活的场所,是广义上的县、乡、村等人为活动的居民地。因此,针对灾前高分一号卫星宽视场相机数据,考虑到云盖影响,将图像类别划为农用地、人造地表、水体和云层4类。图2为基于2016年6月5日高分一号卫星图像的分类结果,其中,红色为人造地表,绿色为农用地,蓝色为水体,灰色为云层。利用6月21日、22日和23日高分四号卫星图像进行洪水范围提取,结果见图3。表1为地表受淹情况统计。以鄱阳县古县渡镇200平方千米面积、人口9万人作为测算依据,则受淹区域影响人口为5462人。

图2 基于灾前高分一号卫星图像的分类结果Fig.2 Classification results based on pre-disaster GF-1 satellite imagery

图3 基于高分四号卫星图像的洪水范围提取结果Fig.3 Flood range extraction results based on GF-4 satellite imagery

表1 地表受淹情况统计Table 1 Statistics of surface flooding 公顷

2.2 评价分析

高分四号卫星图像是鄱阳县溃决型洪水灾害发生后最早获取的遥感图像数据,由于没有多期同步观测的高分辨率图像进行洪灾区域的比对,因此结合地方报告的灾情信息进行对比分析。此次洪水灾害造成了鄱阳县向阳圩内1.03万亩农田被淹,多个村庄共约5600人受影响。这里将农用地作为农田来考虑,按照6月21日监测的农用地面积701.0公顷(即1.05万亩)计算,遥感统计农田面积比地方统计数多0.02万亩,精度达98.1%。受淹地区影响人口估算为5462人,比地方统计数少100余人,估算精度达97.5%。以上结果表明:本文提出的遥感监测和受灾情况估算结果准确度高,具有良好的应用价值,可为及时开展救灾工作提供决策参考。分析基于高分四号卫星图像提取的溃堤型洪水范围,其误差来源主要在于卫星图像的空间分辨率、分类模型和标记样本选取的代表性。而受淹地类和受灾人口的评估效果也会受到遥感分类精度、统计资料的准确性及人口空间分布密度不均衡性等因素的影响。

从遥感监测和统计结果看,此次鄱阳县古县渡镇向阳圩河堤溃口造成的洪水灾害经历了淹没区显著扩大和逐步消退的过程。灾后第1天(6月21日),洪水淹没面积达1213.8公顷,其中农用地为701.0公顷,人为活动的人造地表区域达339.5公顷。灾后第2天,洪水淹没区域已有明显缩小,总淹没面积降至759.5公顷,农用地受淹面积降至410.6公顷。灾后第3天,总淹没面积继续下降至722.7公顷,农用地受淹面积减少到372.4公顷,人造地表变化不大,表明农田的排水效果更为明显。

3 结束语

地球静止轨道高分辨率对地观测卫星是开展灾害应急观测、服务应急管理工作的重要手段。本文利用高分四号卫星快速响应、持续观测的优势,结合灾前高分一号卫星图像,以江西省鄱阳县向阳圩河堤溃决型洪水灾害为例,基于分类后对比分析的思想,实现了洪水范围提取与受灾情况的评估,取得了良好的应用效果。应用结果表明:高分四号卫星机动成像能力强,能及时应用于监测突发性的溃决型洪水,并能根据实际需求实现对灾区的连续监测,是洪水灾害应急监测的重要手段;基于高分四号卫星图像的洪水范围提取和受灾情况评估方法简便易行、准确性高,可用于溃决型洪水范围及其变化监测评估。同时,在应用中也发现,受天气条件和云层遮挡,在6月24日向阳圩完成溃口封堵工作时,高分四号卫星未能有效获取灾区图像。受空间分辨率等因素影响,高分四号卫星对居民区、道路、桥梁等承灾体细节及其变化状态的识别能力不强。因此,在充分利用高分四号卫星成像优势的基础上,还要将其与低轨高分辨率光学卫星和雷达卫星相互结合,对溃决型洪水开展多种探测手段的组合观测,以更好满足灾害监测评估业务需求。对于高分四号卫星后续的地球静止轨道卫星,建议在保持大幅宽成像的基础上,进一步提升卫星成像空间分辨率和辐射性能,扩展卫星观测谱段,特别是短波红外和热红外,以提高溃决型洪水灾害要素及其变化的精细化辨识能力和全天时灾害观测能力,为实现洪水灾害的应急监测和精准评估提供更为丰富有效的技术手段。