Sentinel -2 影像在河南“7.20”特大暴雨监测中的应用

2022-01-20周俊利杨振

资源导刊(信息化测绘) 2021年11期

周俊利杨振

（河南省遥感测绘院，河南郑州 450003）

1 引言

2021 年7 月20 日至 7 月22 日的连续降雨，致使河南省多地暴发洪涝灾害，人民生命财产受到严重威胁，各部门紧急动员，采用不同途径与手段救灾减灾，保障受灾地区人民生命财产安全。如何对发生的灾害进行监测，分析受灾程度与范围，一直是灾害监测的重要工作之一。传统的灾害监测主要为受灾后通过实地勘察，或搜集上报的灾情信息，划定受灾范围与受灾程度，该方法存在较大的主观性，且费时费力，往往不能在第一时间获取受灾信息。遥感技术作为一门新兴技术，发射的卫星可在万米高空对地面进行实时观察监测，尤其是人员难以到达区域，卫星也能快速获取高清影像[1]。近年来，随着遥感技术的发展、卫星传感器的发射，遥感影像的时间分辨率与空间分辨率得到大幅提升，如欧空局发射的Sentinel-2 卫星，相对于国产卫星单一传感器的月度甚至季度重访周期，Sentinel-2 卫星的重访周期达到5 天，且幅宽大，覆盖范围广，目前已经应用于各行各业研究之中[2-4]。

河南“7.20”特大暴雨造成鹤壁市卫河决堤，造成卫河沿岸地区严重的洪涝灾害，基于此，本研究结合Sentinel-2 影像优势，对河南省鹤壁市洪涝重灾区进行遥感监测，采用指数反演与阈值法提取洪涝重灾区范围，提升Sentinel-2 在洪涝监测中的应用。

2 研究区及原理

2.1 研究区介绍

鹤壁市位于河南北部、太行山东麓向华北平原过渡地带，下辖浚县、淇县、淇滨区、山城区、鹤山区。各区县多为平原，耕地范围广，种植了大量农作物，为当地带来了较丰厚的经济收入。卫河是海河流域的直流，发源于太行山脉，流经焦作、新乡、鹤壁、安阳、濮阳，途经河北，最终汇入天津海河。鹤壁市内卫河流经淇县，贯穿浚县，常年水位较低，河道较窄，河床较高，泄洪能力较差。研究区如图1 所示。

图1 研究区示意图

2.2 数据介绍

哨兵2 号卫星（Sentinel-2）是高分辨率多光谱成像遥感卫星，传感器分为2A 和2B 两颗卫星。Sentinel-2 具有时间分辨率短、空间分辨率高、覆盖范围广、光谱波段多、应用处理简单等优点，被广泛应用于陆地观测中的植被生长、土壤覆盖、河流湖泊环境、生物量计算、能量流动等遥感监测中，还可用于洪水、山体滑坡等自然灾害监测。Sentinel-2 每5天可完成一次对地表的完整成像，哨兵2 多光谱卫星具有13 个波段，具体波段信息如表1 所示。

表1 哨兵2波段信息

2.3 原理及方法

研究首先反演归一化植被指数NDVI[5]、归一化水体指数NDWI[6]，两个指数是用遥感影像的特定波段进行归一化差值处理，以凸显影像中的植被、水体等信息。两种指数的计算原理分别如下所示，公式中，NIR为近红外波段，R为红光波段，G为绿光波段。

然后对反演得到的两种指数，采用阈值法[7]，以0.1 为步长进行逐步取舍，人机交互筛选最优步长，然后进行矢量化，最终得到洪涝重灾区范围。

3 结果分析

3.1 指数反演

研究选用的Sentinel-2 影像为L2A 级产品，该级别产品需要通过Sentinel-2 专业处理软件SNAP 进行重采样、波段重组、投影转换等预处理工作，经过预处理后得到分辨率统一为10 米的具有13 个波段的影像文件。预处理效果如图2 所示。

图2 Sentinel-2影像预处理效果

利用ENVI 软件的bandmath 工具，对预处理后的Sentinel-2 影像进行指数计算，分别得到归一化植被指数NDVI 与归一化水体指数NDWI，两种指数的反演效果分别如图3（a）和（b）所示。由图可知，NDVI与NDWI 在鹤壁及周边地区具有较好的反演效果，植被与水体在反演结果中均有较好的显示。图3（a）中植被指数像元值均大于0.2，非植被像元值均小于0.2，其中水体像元为最小值，且通过色彩调整，较完整地显示出水体信息。由于归一化植被指数在数值较低时会出现无效值，NDVI 反演结果中的水体与城镇建筑区分不开，整体数值均为负值。但该情况通过反演NDWI可较好地区分出水体与非水体，图3（b）的NDWI 反演结果中，水体像元值均为负值，且极小，与NDVI 反演结果相似，但完整剔除了城镇建筑与道路的混淆。

图3 遥感反演

3.2 阈值分割

采用阈值法对NDVI 进行分割提取，步长设定为0.1，分别进行逐步长的阈值法提取，效果如图4（a）、（b）、（c）所示。当阈值设定为0.2 时，较多的城镇建筑、道路、山区阴影地带、混合像元等被分割成水体；当阈值设定为0.1 时，城镇建筑等错误识别的情况有所减少；当阈值设定为0 时，已经没有错误识别的情况，但水体范围有一定的损失，尤其是水体边界。