空间信息技术在洪涝险情分析中的应用实践

孙 忠 华，胡 雅 文，王 巧，甘 琪 瑶

(长江水利委员会 网络与信息中心，湖北 武汉 430010)

1 研究背景

据统计，洪涝灾害作为目前影响最为严重的自然灾害，每年带来的灾害损失占所有自然灾害损失量的40%以上[1]。长江中下游遍布农业与经济发达地区，洪涝灾害的发生必将造成巨大损失，因此及时准确地获取洪水的空间信息、淹没范围，对洪水的发展趋势进行监测、预报，并为防灾救灾工作提供信息支持对于尽可能减少洪涝灾害带来的损失意义重大。在监测和预警洪水灾害过程中，洪水淹没范围即水体面积变化是最重要的信息之一，如何科学、准确、快速地获取水体信息，及时掌握水资源环境的变化，对资源环境的监测、洪灾的预防、灾后救援等均具有重大的现实意义[2]。

20世纪中期至今，遥感(RS)、地理信息系统(GIS)等空间信息技术日趋成熟，综合对地观测技术为洪水淹没范围的评估提供了先进的技术手段。合成孔隙雷达SAR能穿过云雾获取地表信息，因此具备全天时全天候的监测能力，有效弥补了光学影像在南方地区受多云多雨影响的局限性[3]。由于SAR主动探测地物的后向散射信息，使得以镜面散射为主的水体呈现出不同于其他地物的后向散射能力，因此，开展SAR水体变化范围提取和监测研究，对提高水体变化监测的频率和准确性有着重要意义，也为开展洪涝等险情的评估提供了可能[4]。

SAR影像后向散射强度与地物的表面粗糙度息息相关，表面光滑的水体多产生镜面散射，对雷达信号的后向散射能力较弱[5]，因此基于阈值分割的SAR影像水体提取不失为一种经典方法。对于单极化影像中水体和非水体类别的后向散射强度进行直方图统计分析，使得获得类别分割阈值的方法简易高效。孙亚勇、李智慧等在OTSU算法的基础上已发展了较多的阈值自动、半自动选择方法[6-7]；邓滢等综合利用了全极化影像的Freeman极化特征和多尺度分割特征，使水体提取精度优于单一方法，但是需要不断尝试分割尺度和合并尺度[8]；Huang等以地表覆盖类型产品为样本数据，利用随机森林的方法提取哨兵影像中的水体信息，采用随机选点的方式进行精度验证，实现了较高的自动化程度[9]；Xie等首先对全极化Radarsat-2进行wishart监督分类，然后基于河流、湖泊、池塘的不同形态特征，利用SVM、CART、TB、RF(随机森林)等分类 器进行水体类型的识别，其中RF分类器获得了95%的水体类型分类精度[10]。

图1 鄱阳湖区与鄱阳县昌江下游示意Fig.1 Poyang Lake area and Changjiang downstream of Poyang County

综上所述，针对基于SAR影像的水体自动、半自动的提取算法，已积累了大量的经验，但大部分现有研究都是采用国外的SAR影像数据源。随着GF-3卫星的成功发射，缓解了国内SAR数据源的长期缺乏问题，因此需要尽快尝试将GF-3多极化数据应用于国家水资源宏观管理业务，并可为未来国内多频率、多极化SAR遥感技术的应用提供经验。

2020年汛期，持续的强降雨造成长江中下游多地发生严重洪涝灾害。将GIS技术和RS技术综合应用于洪涝险情分析，对于精准定位险情位置、提高险情发现和处置的时效性具有重要意义。本文尝试将GF-3影像以简单高效的方式应用于防洪救灾工作中，拟探索SAR与水利管理业务的高效结合。基于长江水利委员会(以下简称“长江委”)水利“一张图”，将历年险情信息、防洪工程信息以及长江委中心数据库相关的数据资源进行关联分析，旨在险情多发地判别、险情原因分析以及特定险情的有效应对方面，能够为水旱灾害防御部门提供即时、高效决策奠定坚实的基础。

遥感影像分析技术结合GIS空间分析的应用，已成为一种高效的洪涝险情淹没分析、险情评估与辅助决策的手段[11]。本文基于GF-3SAR影像，结合空间统计和阈值分割方法，建立了水体信息提取技术体系；并考虑到圩垸运用等防洪救灾措施以及多种因素，分析了水体分布变化与防洪决策的关系，可为水利信息化应用发展提供参考。

2 研究目标与数据

2.1 研究区域

鄱阳湖是中国第一大淡水湖，也是中国第二大湖，鄱阳湖区地理位置如图1所示。鄱阳湖位于江西省北部、长江中下游南岸，介于北纬28°22′～29°45′、东经115°47′～116°45′之间。鄱阳湖水系以赣、抚、信、饶、修五大河流为主体，此外还有直接入湖的清丰山溪、博阳河、漳田河、潼津河等河流，从湖口汇入长江。鄱阳湖水位变化受上述五大河及长江来水的双重影响，每当洪水季节，水位升高，湖水漫滩；枯水季节，水位下降，湖水落槽与河道无异[12]。鄱阳湖是我国十大生态功能保护区之一，同时也是长江干流重要的调蓄性湖泊，在长江流域发挥着重要的防洪及物种保护、调节气候、促进水循环等众多生态功能[13]。本文以鄱阳湖区为主研究区，重点关注鄱阳湖东部鄱阳县昌江下游多日的险情情况，以此为样本探索空间信息技术在防汛工作中的应用。

2.2 影像数据

2.2.1GF-3极化SAR影像

GF-3卫星是我国首颗C频段多极化高分辨率合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)卫星。它具有成像空间分辨率高、幅宽大、辐射精度高、模式多和连续工作时间长等特点，能够获取分辨率为1～500 m、成像幅宽为10～650 km的C波段多极化微波遥感影像，实现全天候、全天时海洋与陆地观测[14]。GF-3卫星成像模式列于表1中。

在出现洪涝等自然灾害时，往往伴随有恶劣天气，监测区域会受到云层、降水等因素影响，光学遥感难以发挥作用。微波遥感因其具有全天候全天时能力，即使是在恶劣的气象条件下也能够迅速获取监测区域第一手遥感影像信息，为减灾救灾决策提供重要依据[15]。因此，微波遥感成为洪水灾害险情评估的有力工具，也是2020年汛期长江中下游洪水监测的主要数据源。

2.2.2影像采集情况

2020年7月11日起，鄱阳湖水位突破了1998年最高水位，江西省启动了防汛Ⅰ级响应；长江委网络与信息中心紧急联系水利部信息中心和自然资源部国土卫星遥感应用中心，请求推送江西鄱阳湖区GF系列影像，及时采集到了2020年7月8日至2020年8月8日的鄱阳县昌江下游GF-3双极化SAR遥感影像以及不定期的GF系列光学卫星影像，实现了研究区域遥感影像的持续采集与监测分析。鄱阳湖区GF-3卫星影像采集情况列于表2，共采集到了9期影像22景，能较完整地反映鄱阳湖区防汛救灾工作成效。而GF系列光学影像获取无法按业务需求做到定时定点，且因恶劣天气情况，其影像质量无法得到保证，仅可作为SAR影像的补充。

表2 鄱阳湖区GF-3卫星影像采集情况Tab.2 The situation of GF-3 satellite image collection in Poyang Lake District

2.3 圩垸与险情数据

险情数据采集依靠线下动态收集各省填报数据的模式，针对少数重要险情，奔赴抢险一线的工作人员在现场补充采集照片、视频和位置信息。2020年7月2日开始至8月24日，累计收集到了长江中下游地区湖北、湖南、江西、安徽、江苏等5省861个洲滩圩垸运用的信息；6月11日至8月13日，累计收集到长江中下游5个省4 348条堤防险情信息。洲滩圩垸信息包括圩垸规模、类型、所在河流、所在地、耕地、人口、总面积、运用时间、损失情况等，堤防险情信息包括险情发生所在河流、出险地点、险情类型、险情描述、处置方式等。

3 监测分析方法

3.1 水体微波遥感

微波是电磁波的一种形式，波长在1 mm～1 m之间。微波遥感是利用各种传感器接收地面地物发射或反射的微波信号，借以识别、分析地物，提取所需的信息。微波遥感分为主动和被动遥感。SAR是一种主动遥感系统，SAR发射的微波能够穿透云、雨雪、尘埃和雾霾等，这使得它具有全天候工作的能力[16]。

SAR微波遥感影像的灰度值代表了雷达回波强度的大小，雷达回波强度又定量地由雷达后向散射系数决定。后向散射系数受雷达系统的波长、极化方式、入射角、地面目标的表面粗糙度和复介电常数等因素影响[17]。通常一个具体的雷达系统的波长、极化方式、入射角是固定的。地面复介电常数受多种因素的影响，与表层土壤的水分含量有较好的相关性。洪水期间，表层土壤的湿度相差不大。因此，可以认为地面分辨率单元内的回波强度由该单元范围内的平均粗糙度决定。粗糙表面具有对雷达波束向各个方向散射的特点，当表面粗糙程度愈大时，这种无方向性表现得愈明显，其回波强度较大，影像上表现为亮色调；而光滑表面由于雷达波束的侧视，镜面反射使回波的能量很弱，回波强度较小，在影像上表现为黑色调[18]。

与SAR波长相比，陆地相对为粗糙表面，洪水水面相对为光滑表面。因此在SAR微波遥感影像上陆地通常为灰白色或黑灰色，水体为暗色或黑色[19]。

图2为GF-3卫星采用HV极化方式采集的微波遥感影像；图3为GF-3卫星HV极化方式微波遥感影像的灰度直方图。由图3可以看出：图中呈双峰形状，左侧峰型尖瘦，右侧峰型矮胖，反映了HV极化方式采集的微波遥感影像灰度分布特征；其中左侧的尖峰灰度值较低，代表洪水水体像元[20-24]。

3.2 RS与GIS应用

洪涝险情分析集成了RS的空间监测技术和GIS的空间分析技术。GF-3极化SAR影像根据防洪救灾工作需求在经过预处理得到相应产品后，再通过GIS对影像产品作进一步分析，比如淹没区提取、淹没面积估算，以及将数字化的各地险情数据、圩垸等防洪措施的空间信息反映到图上[25]，让险情直观地展现于地图之上，通过水利一张图的防洪专题图为防洪指挥决策提供详实、准确的信息支撑。

4 数据处理方法

4.1 影像处理流程

本文对于洪水淹没区的提取分析主要采用的是GF-3双极化SAR影像。图4为影像处理流程。对GF-3卫星影像进行了多视处理、图像滤波、几何精校正、水体提取等处理，处理之后的GF-3卫星影像满足了本次洪水遥感监测的需要。

图2 GF-3 微波遥感影像(HV)Fig.2 Microwave remote sensing image(HV)

图3 GF-3 微波遥感影像(HV)灰度直方图Fig.3 Microwave remote sensing image (HV) gray histogram

图4 GF-3卫星影像水体提取分析流程Fig.4 Process of water extraction analysis by satellite image

4.2 圩垸与险情数据处理方法

针对2020年汛期运用的圩垸，根据各省填报的圩垸位置信息，结合历年来积累的圩垸点以及相关圩垸图集、叠加影像及水利专题图，完成了全部运用圩垸点定位工作。其中，对于万亩以上圩垸、部分千亩至万亩圩垸，进一步数字化以使其形成圩垸面要素。图5为“一张图”平台所展示的鄱阳县昌江下游昌江周边圩垸的空间分布示意。图6为鄱阳县昌江下游险情期间圩垸溃口险情点的分布示意，该图明确直观地展现了险情点的空间位置及周边环境因素，可为防洪抢险工作综合考虑与决策提供有效信息支撑。

图6 鄱阳县昌江下游险情分析专题示意Fig.6 Thematic map of risk analysis in Changjiang downstream,Poyang County

根据2020年长江中下游4 348条堤防险情信息，考虑到填报位置信息，并结合2016年以来积累的险情点，以及相关堤防图集、防洪形势图等，经叠加影像及水利专题图，完成了堤防险情点的定位工作。在险情点定位过程中，根据填报信息和险情点位的聚合程度，梳理出部分险情属于同一地点发生多次相同险情或不同类型的险情。部分重要地区以险情专题图的形式服务于防汛指挥决策。

对于圩垸和堤防险情信息规范化整理，按设计好的数据库表结构完成入库。入库的圩垸和堤防险情通过唯一码与地图上的空间要素建立关联关系，便于可在“一张图”中关联查询详情信息。

5 监测分析结果

5.1 险情前后影像对比

2020年7月11日，基于当地防汛部门预计鄱阳湖湖区将发生流域性大洪水，江西省将防汛应急响应提升为Ⅰ级。通过获取2020年7月8日与2020年7月12日的GF-3卫星影像，提取了鄱阳湖湖区水域分布范围，并以此为基础，对该区域受灾前后水域范围进行了对比。图7分别为鄱阳湖区2020年7月8日水域范围与2020年7月12日增长的水域范围，由图7可见，整个鄱阳湖区水域范围明显扩张。

图7 鄱阳湖7月8日与7月12日水域范围对比Fig.7 Comparison of water area of Poyang Lake between July 8 and July 12

图8分别为鄱阳县昌江下游2020年7月8日与2020年7月12日增长的水域范围。由图可见，7月12日后，昌江下游洪水淹没迹象明显。

图8 鄱阳县昌江下游7月8日与7月12日水域范围对比Fig.8 Comparison of water area of Changjiang downstream,Poyang County between July 8 and July 12

5.2 昌江下游多日影像对比分析

为了研究汛期鄱阳湖区洪水险情监测的效果，选取鄱阳县昌江下游作为重点监测区域，完成多日的洪水淹没区监测。因为GF-3卫星影像获取的缺失，汛期完整覆盖昌江下游的影像在时间上无法连续监测，本次研究选取了2020年7月8日至2020年8月8日共9期影像并提取其水域范围，完整地展示了险情期间水域淹没范围的变化趋势。

图9为鄱阳县昌江下游淹没区9期监测图，蓝色部分为水体淹没区。如图9所示，灾害形成之前的7月8日，昌江下游江水于河道内正常淹没，没有出现农田、居民地淹没情形。7月8日晚和7月9日晚，鄱阳县昌江下游问桂道圩和中洲圩相继溃口，7月12日的水体监测图中可明显见到淹没区由河道向西北部蔓延。结合图4的昌江下游险情分析专题图可知：其主要原因在于强降雨带来的江水暴涨致使昌江圩垸多处溃口，从而使江水流向西北部，淹没居民地。7月12日后，由图9可见，7月15日显示的昌江河道周边淹没情况稍有缓解，但东南部也开始出现了淹没情况，原因在于随着昌江边圩垸运用以及江西省防洪抢险工作的逐步展开，险情稍有缓解。据了解，7月15～26日，由于新一轮持续的强降雨，加剧了鄱阳湖流域的洪涝险情，因为防洪救灾工作的高效实施，虽然淹没面积在持续增长，但增长速度缓慢。7月26日后，昌江下游东北部、西南部、江心洲淹没程度得以逐步缓解，原因在于此时已到险情后期；到8月8日，洪水淹没范围处于逐步消退中。

图9 2020年7月12日至8月8日鄱阳县昌江下游淹没区变化示意Fig.9 Changing map of submerged area in Changjiang downstream area, Poyang County during 2020/07/12 and 2020/08/08

5.3 水体面积变化趋势分析

基于获取的鄱阳县昌江下游9期SAR影像，通过阈值计算提取到了水域覆盖范围。经过空间校正，为了确保提取的水体图斑与像源影像坐标系统保持一致，应用了GIS的几何计算功能，精确计算所提取水体范围的面积。

图10为监测区域1个月的洪水淹没面积变化折线图。从折线走势来看：7月12日水体淹没面积达到了一个峰值，原因在于7月8日晚和7月9日晚，鄱阳县昌江下游问桂道圩和中洲圩相继溃口(溃决点如图6所示)，因此淹没面积增长迅速。问桂道圩溃口于7月13日晚被封堵成功，有效降低了淹没区域水位，因而造成12日出现峰值情况。同时7月13日江西省防指下发了紧急通知，要求湖区所有单退圩堤必须主动开闸清堰分蓄洪水，随后又遭遇多轮持续强降雨，湖区部分圩垸开始主动运用，从而使淹没面积增长缓慢。7月下旬后降雨情况缓解，鄱阳湖区水位逐步下降，淹没情况得以明显好转。

图10 2020年鄱阳县昌江下游淹没面积统计Fig.10 Statistical diagram of submerged area in Changjiang downstream area, Poyang County

5.4 圩垸与险情点分析

从2020年长江中下游5省的险情空间分布状况来看：堤防险情集中于江西省鄱阳湖区和安徽省长江干流(见图11)，圩垸运用集中于江西省鄱阳湖区和安徽省巢湖区域(见图12)。

2020年洪水期共运用圩垸861个，其中安徽省运用圩垸数量最多，达488个；江西省次之，共运用圩垸215个；江苏最少，仅运用圩垸1个。其中主动运用圩垸136个，占圩垸运用总数的16%，被动运用圩垸725个，占圩垸运用总数的84%。从圩垸运用的时间分布上看：江西省鄱阳湖区的圩垸运用时间主要在7月中上旬，安徽省巢湖区域的圩垸运用时间主要在7月下旬，这与基于影像计算的昌江下游区域淹没面积曲线相适应。

2020年洪水期共发生堤防险情4 348处，主要集中于江西省和安徽省，分别发生了2 074次和2 036次，分别占险情总数的48%和47%。长江干堤共发生险情228次，在各省分布比较均衡。总体而言，险情比较集中的区域为江西省鄱阳湖区、安徽省的巢湖湖区等平原水网。从堤防险情发生的时间分布上来看，与圩垸运用数量和淹没面积呈正相关。

图11 2020年长江中下游堤防险情分布示意Fig.11 Distribution map of dike′s dangerous cases in the middle and lower reaches of the Yangtze River in 2020

图12 2020年长江中下游洲滩圩垸运用分布示意Fig.12 The distribution map of use of polder areas in the middle and lower reaches of the Yangtze River in 2020

6 结 论

本文利用空间信息技术，开展了2020年长江中下游洪涝险情分析应用研究。应用实践表明：空间信息技术在此次洪涝险情分析中获得了较好的成效，得到了861个运用圩垸、4 348个堤防险情的空间位置图，每天实时影像服务接入“一张图”系统，为保障流域安全、防洪决策做出了积极贡献。基于RS的影像数据的获取与大范围监测，基于GIS的空间分析与成果发布，二者的结合应用使得空间信息技术于水情分析应用上获得了卓然成效。

本文初步探索了RS空间监测技术与GIS空间分析技术在洪涝险情分析中的应用，尽管取得了不错的成效，仍存在以下不足，需引起关注。

(1) 遥感影像的获取途径存在不足，汛期对于目标区域稳定、持续、有效的影像获取途径仍有待提升；

(2) 险情信息的报送机制及方式方法仍有待改进和完善，建议通过手机APP报送或电子表格报送时应提供发生地的经纬度信息；

(3) GIS在险情分析上的应用稍显不足，同时也需要大量的基础数据作为业务分析的支撑。

长江委网络与信息中心利用空间信息技术在2020年长江中下游洪涝险情分析应用的探索与实践中积累了大量经验，并将针对已发现的问题展开工作：探索影像批量高效化处理流程；基于大数据的GIS空间分析技术，充分利用3S技术为防汛提供决策支持。