哨兵一号SAR数据在鄱阳湖洪涝灾害监测中的应用

文 | 吕素娜 薛思涵 谢婷 胡利平 耿旭朴

1. 厦门大学 近海海洋环境科学国家重点实验 2. 海洋遥感大数据福建省高校工程研究中心3. 厦门大学 海洋与地球学院 4. 北京环境特性研究所

一、前言

我国是一个洪涝灾害频发的国家，洪涝灾害的发生具有多发性、广泛性和突发性等特点，影响人们的生命安全和国家的经济发展，因此需要持续监控和管理，以降低洪涝灾害带来的损失。

卫星遥感监测技术覆盖面积广、周期短且时效性强，可为洪涝灾害防治提供依据。光学数据和微波遥感数据均可应用于洪灾的遥感监测中，但考虑到受灾地区常伴有复杂的天气条件，减灾救灾具有时效性的要求，因此微波遥感数据尤为适合灾情监测。在微波遥感领域，星载合成孔径雷达（SAR）不仅可以进行全天时、全天候监测，且监测时不受天气条件影响。其中，哨兵一号作为欧洲航天局（ESA）“哥白尼计划”的地球观测卫星，由A、B两颗星组成，不仅能提供高分辨率遥感影像，且数据可免费获取，多种优势相结合，非常有利于灾害监测。

圩堤作为防洪排涝的筑堤，保护着地势低洼区，溃堤决口是造成村庄内涝的一个重要原因，评估圩堤溃堤情况对监测洪涝灾害具有重要意义。因此，本文基于哨兵一号的SAR影像数据，首先利用变化检测方法提取受灾严重的鄱阳湖及周围区域的水体淹没信息，分析鄱阳湖的湖体变化，之后监测洪灾下三个圩堤漫堤险情，评估鄱阳县昌洲乡和永修县三角乡的受灾程度。

二、研究区域与数据源

1.研究区域

鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游南岸，呈狭长状，是我国最大的淡水湖（图1）。

图1 研究区域位置

鄱阳湖汇聚赣江、抚河、信江、饶河和修河五条河流及各级支流，北端与长江相连，并设有水文站对鄱阳湖及周围水体的水流交互进行监测。由于鄱阳湖的补给支流处于东亚季风区，降水主要集中在夏季，因此每年7-9月为鄱阳湖丰水期，湖内面积涨幅较大，易导致洪涝灾害频发，增加防洪压力。

2020年7月以来，江西省出现持续强降雨天气，多日暴雨加上安徽、景德镇等上游地区降雨及水库泄洪的影响，导致鄱阳湖水位突破1998年历史极值，湖体面积迅速扩大。此次洪灾还导致多个县乡出现漫堤险情，7月8日、9日和12日鄱阳县昌洲乡的问桂道圩、中洲圩与永修县三角乡的三角联圩相继溃堤，造成昌洲乡和三角乡多个村庄受灾，上万亩良田被淹。

2.数据源及预处理

本文所使用的数据为哨兵一号B星（Sentinel-1B）地距（GRD）影像，成像方式为干涉宽幅模式（IW），极化方式为VV极化。其中2020年7月2日为灾前影像，7月14日为灾后影像。利用ESA开发的SNAP7.0软件对雷达图像做预处理，包括图像裁剪、辐射定标、滤波、地形校正和对数转换等，获得具有地理坐标的SAR影像，图2为监测区域预处理前后的对比图，图中黑色区域的后向散射系数低，表示粗糙度低的区域，例如水体。

图2 哨兵一号图像预处理前（a）后（b）对比

三、研究方法

本研究采用变化检测方法（CDAT），该方法是由Long等于2014年提出的水体提取方法。此方法易操作，可快速提取水体淹没区，应用于季节性洪水监测时效果更好。图3为洪水监测数据处理流程图。方法原理如下：

图3 洪水监测数据处理流程图

监测灾情前首先要确定参考图像，即灾前的SAR影像，参考影像的选取会影响水体提取结果。一般选择离洪灾发生较近的影像作为参考图像，这样可以排除季节变化带来的影响。

1.波段运算

经过图像预处理后得到的灾后影像（F）和灾前影像（R）进行相减的波段运算，得到差异图 （D）：

D = |float(F)| - |float(R)| （1）

由于水体的后向散射系数较小，在SAR影像中易呈现黑色，因此若灾后为水体，灾前为非水体，该区域差异图的数值小于差异图的均值，呈现黑色，即为新增水体。而若灾前和灾后两幅影像均为水体的区域，在差异图中接近于其均值，表现为灰白色，表示水体范围未发生变化。

2.阈值分割

山体坡面反射的信号在SAR影像中呈现不同的亮度，易导致部分山体被误认为是淹水区域，影响雷达影像对水体信息的提取。因此在提取水体信息之前，需对差异图的像素进行掩膜处理。利用数字高程模型（DEM）生成坡度图，提取坡度大于3°的较高地势区域，建立掩膜文件，以去除虚假淹水信息。

利用式2确定水体分割阈值：

其中，P为洪灾水体的分割阈值，lmean为差异图像素的均值，lstdev为差异图像素的方差值，K值定为1.5。

最后，利用SNAP软件对经过坡度过滤的SAR图像做阈值分割，得到的结果即为淹水信息。更多具体的方法原理详见Long等文章。

四、结果

1.洪水淹没范围

利用变化检测方法提取了监测区的洪水淹没范围，结合GIS软件添加地理位置信息，获得各县淹水面积的空间分布情况（图4）。可以看到鄱阳湖及附近区域有大量淹没水体，湖东西两侧洪水泛滥严重，扩充水体多集中在五大河流入湖口处，并且上饶市鄱阳县、九江市永修县和南昌市新建区三个区县水体增加尤为明显，淹水面积均超过200km。据统计，监测区水域面积较7月2日扩大1184.41km。

图4 鄱阳湖及周围水体变化结果

2.圩堤溃堤状况

圩堤通过防洪排涝保护着一方水土，圩堤一旦溃堤，大量洪水会涌入村庄，造成严重洪涝灾害。SAR影像中可观察圩堤溃堤情况，如图5所示，由于问桂道圩已于7月13日顺利合龙，因此在7月14日的灾后SAR影像中未看到溃堤决口。而7月14日中洲圩还未合龙，表现在SAR图像中为明显的一段决口，问桂道圩和中洲圩的相继溃堤致昌洲乡全乡被淹，附近乡镇也一片汪洋，受灾面积约37km。同样，三角联圩也存在决口（图6 a），实际灾情调查结果显示中洲圩溃口长为188m，三角联圩溃口长约100余米。本文利用SNAP软件测量溃口长度，结果显示中洲圩溃口长约170m，三角联圩溃口长约105m，与实际溃堤情况基本一致，说明哨兵一号在监测圩堤溃堤程度上具有巨大潜力。

图5 鄱阳县问桂道圩和中洲圩溃堤前（a）后（b）对比

图6 永修县三角联圩溃堤前（a）后（b）情况对比

三角联圩漫堤后洪水迅速涌入三角乡，几乎淹没所有村庄和耕地，淹水面积约为45 km。根据三角乡政府通报，圩堤溃堤后，三角乡内涝面积达53km。由于监测结果是在中洲圩溃堤两天后获得的，此时洪水已退去少许，因此淹水面积小于官方数据也在合理范围之内，可以证明哨兵一号监测提取的水体信息有效、快速。

五、结束语

本文利用哨兵一号影像数据对2020年7月鄱阳湖及周围水域洪灾情况进行监测。结论如下：①变化检测方法原理简单、易操作，可以快速提取水体淹没信息。②经过灾情评估发现鄱阳湖及周围区域受灾严重，受灾面积多达1184.41km。其中上饶市鄱阳县、九江市永修县和南昌市新建区三个区县受灾最为严重，受淹面积均超过200km。③SAR影像中可以清晰看到溃堤决口，中洲圩和三角联圩溃口长度分别为180m和105m。鄱阳县昌洲乡的问桂道圩、中洲圩与永修县三角乡的三角联圩相继溃堤导致昌洲乡和三角乡村庄几乎全部被淹，淹水面积分别为37km和45km。结果证明，基于哨兵一号评估的灾情信息准确、有效，已成为应急管理部门关键的信息来源，在洪涝灾害监测中具有巨大潜力。