基于GF-3卫星SAR数据的郑州及豫北地区“21·7”暴雨洪涝遥感监测

郭 鹏， 耿维成， 张翠萍

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，郑州 450003； 2.河南省气象科学研究所，郑州 450003；3.国家卫星气象中心，北京 100081； 4.郑州市气象局，郑州450003)

引 言

随着全球气候变化和城市化进程的不断发展，近年来大城市及其周边区域暴雨洪涝灾害频繁发生[1-5]，严重危及人民群众生命财产安全和城市的正常运行。卫星遥感技术具有覆盖面广、时效性强等特点，可对洪涝发生区域及时进行大范围扫描，获取洪涝水体范围、淹没范围、水量水深、受灾影响等多种要素[6-7]，实现对洪涝的快速响应、持续观测和影响分析，提升防汛工作的科学决策能力。

卫星遥感监测水体主要原理是根据卫星传感器接收的从地表水体反射的电磁波的波段反射特征，提取识别水体信息[8]。在各种遥感水体监测方法中，应用较多的是归一化水体指数(NDWI)方法。Mcfeeters[9]在归一化植被指数(NDVI)基础上，构建了归一化差异水体指数(NDWI)。该指数采用绿光波段与近红外波段的比值来最大程度地抑制植被信息并突出水体信息。徐涵秋[10]在NDWI基础上，提出了改进的归一化差异水体指数(MNDWI)，并用于不同类型的遥感影像实验。实验结果表明，提取的大部分水体信息特别是城镇范围内的水体信息比NDWI的效果好。莫伟华等[11]根据MODIS传感器波段特点，构建了混合水体指数(CIWI)，实现水体信息快速有效提取，效果和精度均优于NDWI和MNDWI的效果和精度。李博等[12]对多日MODIS数据中的典型地物进行采样分析，在归一化植被指数法(NDVI)基础上，将其与MODIS第1波段数据组合得到山区水体增强指数(MEWI)，实现了图像中山区沟壑的模糊处理，突出了水体信息。以上研究主要利用可见光-近红外波段光谱数据进行计算得到NDWI或其他水体指数，确定水体判识阈值，确定洪涝淹没面积，通过对比灾前灾后水体范围变化，对灾情特征进行分析。

不同类型的遥感数据源在洪涝灾情监测中具有各自的优势，目前应用较多的主要有风云系列气象卫星、高分辨率系列卫星、EOS/MODIS系列卫星等[13-20]。由于降雨过后洪涝淹没地区通常被云层覆盖，可见光-近红外波段的卫星传感器均无法穿透云层，难以及时获得洪涝信息。微波传感器不受天气制约，具有全天候、全天时的数据获取能力[21]，能够穿云透雾，迅速为灾区提供第一手信息。目前利用微波雷达遥感数据开展洪涝监测较少，SSM/I等被动微波遥感数据对地表水体敏感[22-23]，但空间分辨率较低，使其应用受到一定限制。国产高分三号卫星于2016年8月发射升空，是我国首颗空间分辨率达到1 m的多极化合成孔径雷达(SAR)成像卫星，具有12种成像模式[24-25]，可提供1 m至500 m分辨率、10 km至650 km幅宽的微波遥感数据，实现全球海洋和陆地资源的全天候、全天时监测，为洪涝监测提供了新的技术途径。本研究拟利用高分三号主动雷达卫星数据，对河南郑州及其周边地区在2021年7月20日和7月21-22日豫北地区特大暴雨形成的城市内涝和河流洪涝淹没地区进行遥感监测，计算城区内涝淹没面积，以及贾鲁河下游河道决堤淹没面积，为决策、防汛救灾提供依据。

1 研究区域与数据

郑州市是河南省省会，位于黄淮海平原中心地区，常住人口超过1000万，是全国重要的铁路、航空、电力枢纽城市。2021年7月17日至22日郑州市遭遇持续强降雨，全市184个气象站降水量均超过200 mm，其中180个站的降水量超过250 mm。郑州国家气象站最大小时降水量达201.9 mm(20日16-17时)，突破中国大陆2418个国家级气象站小时雨量历史极值。另外，7月21日至22日，受切变线影响，河南中北部出现连续强降水天气，新乡市等地出现特大暴雨。受此次暴雨影响，郑州市及豫北多条河流超过防汛保证水位，并淹没部分城区及低洼地区，防汛形势严峻。

此次“21·7”特大暴雨降水强度大、影响范围广，利用卫星遥感技术可第一时间对暴雨产生的洪涝灾害作出响应。由于天气原因，研究区在暴雨结束后长时间被云层覆盖，极大限制了可见光—近红外波段遥感传感器的应用。为及时获取地表洪涝信息，并为防汛救灾提供决策参考，河南省生态气象和卫星遥感中心联合国家卫星气象中心，分别选取暴雨前后的高分三号合成孔径雷达(SAR)数据，对河南郑州及豫北地区洪涝淹没情况进行监测。

2 洪涝水体遥感识别方法和结果

由于不同地物具有不同的电磁散射特性，合成孔径雷达(SAR)后向散射强度与地物表面粗糙度密切相关。在SAR图像中，由于水体表面光滑，对雷达信号后向散射能力较弱，因此呈现暗色调，与其他地物类型有较大差别。水体阈值的判定主要有经验法、双峰法等[26]。此外，由于地物阴影的反射系数也较低，一般情况下在SAR图像上水体和阴影难以有效区分，但本文研究区都位于平原及城市周边地区，因此较少考虑地形起伏及阴影影响。

利用中国气象局国家卫星气象中心开发的高分辨率卫星资料气象应用软件洪涝监测专题分析工具，首先对研究区域的高分三号SAR数据进行预处理(辐射定标、多视处理、图像滤波、地形校正)，得到散射系数强度局部图；利用地形指数计算研究区阴影，由于研究区域地势较为平坦，判识结果为该地区未产生阴影。最终生成HH和HV的Tiff格式产品，本研究选用HV通道，通过人机交互判识确定阈值，得到研究区的水体分布及变化情况。

2.1 郑州及其附近地区洪涝遥感监测结果

将郑州及其附近地区暴雨开始前的7月15日和暴雨结束后的7月21日两幅SAR影像分别进行处理，设置阈值提取水体信息，得到暴雨前后研究区内水体变化情况(图1和图2)。在影像中，各种地物根据各自后向散射强度大小以不同灰度显示，其中水体由于表面光滑后向散射最小，在图中以黑色显示，包括黄河、贾鲁河、城郊水库及暴雨后产生的洪涝水体。

图1中偏上部黑色东西向河流为黄河，郑州位于黄河以南，城区由于建筑物较多，后向散射强度大，在图像中以浅色显示。受地势影响，城区积水无法排入黄河，只能通过贾鲁河下泄。贾鲁河发源于城区西南部丘陵地带，绕过城北流向东南方，在河南省周口市汇入沙颍河，最终汇入淮河。贾鲁河河道曲折，流速缓慢，这对郑州及其附近地区及时排涝造成不利影响。

图1 2021年7月15日河南郑州及周边区域高分卫星监测图

图2 2021年7月21日河南郑州及周边区域高分卫星监测图

从图2可见，7月21日暴雨后河南郑州及周边区域出现大范围洪涝水体，其中城市建成区积水时间短，20日为集中降雨时段，21日大部积水已顺利排出(地铁、隧道、施工工地及老旧小区除外)。在21日的高分三号图像上，市中心已无明显积水，与15日暴雨前相比变化不大，但黄河沿岸、贾鲁河沿岸水体范围有了明显扩大，城区以东平原地区也出现了多处水体。

为了更精确地反映暴雨前后研究区水体变化情况，将7月15日和7月21日两幅高分三号雷达卫星监测图进行处理，将暴雨后增加的水体(即洪涝水体)用红色显示(见图3)。贾鲁河是郑州市主要的排水通道，城区内多条河流、管道均流入贾鲁河，由于河道排水不畅，致使沿岸地区积水较重；城市以东地区地势低平，积水明显多于其他地区的，又以潮河汇入东风渠附近最为严重(图3中红框1所示)。同时，贾鲁河流经尉氏县境内发生决口，造成大量农田淹没(图3中红框2所示)。

为便于开展灾情评估，将暴雨前后水体变化与研究区土地利用图叠加，分析淹没范围内土地利用类型。结果显示(图4)，郑州及周边区域洪涝水体面积约95 km2，其中淹没耕地面积约66 km2，淹没城乡、工矿和居民用地面积约28 km2。淹没的城乡、工矿和居民用地呈点状零散分布在郑州城市郊区及东部平原地区，耕地主要集中在尉氏县、中牟县、祥符区交界处。另外，由于受黄河上游降水影响，黄河水位有所上涨，黄河滩区有大量沙洲和沿岸土地被淹没。

2.2 豫北部分地区洪涝遥感监测结果

7月21日至22日，豫北地区遭遇特大暴雨，新乡市及周边地区所降雨水均需要通过卫河下泄，卫河水位迅速上涨，沿岸多地被淹。本研究利用同样的方法，选取暴雨前(图5，7月21日)和暴雨后(图6，7月22日)两幅SAR影像开展水体监测，并分析暴雨造成的洪涝影响。

图3 2021年7月15-21日河南郑州及周边区域洪涝变化高分卫星监测图

图4 2021年7月15-21日河南郑州及周边区域洪涝水体与土地利用叠加图

图5 2021年7月21日河南新乡及周边区域高分卫星监测图

从图5中可看出，卫河是研究区内主要的排水通道，流经豫北地区多个市县，途中有多条河流汇入。卫河河道较窄，暴雨前(7月21日)河道较细，河道内及沿岸水体面积较小，在图像中不易区分。

暴雨后(7月22日)水体遥感监测结果(图6)显示，在研究区内各种水体有了明显扩大，主要分布在新乡市卫河沿岸，其中共产主义渠合河站附近有多条河流交汇，加上地势低洼，水位上涨后淹没面积较大(图7中红框所示)。另外，新乡市辖区内原有湖泊池塘等水体的面积均有明显扩大。

图6 2021年7月22日河南新乡及周边区域高分卫星监测图

图7 2021年7月21-22日河南新乡及周边区域洪涝变化高分卫星监测图

经估算，从7月21日至22日暴雨过后，新乡市及其周边地区新增洪涝水体面积约121 km2(图8)，主要受灾区域以耕地为主，其中淹没耕地面积约112 km2，城乡、工矿和居民用地受灾面积约6 km2，城区水体均及时排出，受影响较小。

图8 2021年7月21-22日河南新乡及周边区域洪涝水体与土地利用叠加图

3 小 结

河南省郑州市和新乡市分布于黄河两岸，两地所降暴雨产生的洪水均无法排入黄河，只能通过贾鲁河和卫河排泄。由于这两条河流河道狭窄，排水不畅，降雨区又位于两条河流源头附近，洪水行程长，导致两地大面积长时间受淹，造成工农业严重损失。本研究在暴雨结束后的7月21日(郑州)和7月22日(新乡)立即采用高分三号星载合成孔径雷达SAR数据开展水体识别及淹没范围估算。估算结果证明，SAR数据不受云层影响，可有效弥补可见光-近红外波段卫星传感器由于天气原因造成的数据空缺，在暴雨过后及时准确提取地表洪涝水体信息，为防汛救灾提供决策依据。由于耕地地物类型简单，淹没范围大，利用高分三号SAR数据对耕地上水体的监测效果要好于对城镇、工矿和居民用地上的水体监测效果，计算的淹没面积、分布范围更加准确。

此次强降雨造成郑州市内多处街道积水。本研究试图对城区内淹没范围进行提取，由于受到高分三号卫星空间分辨率限制，虽然可以监测到城市街道积水，但因水体范围受混合像元影响而难以准确提取。同时，由于市中心排水及时，地表积水时间短、面积小，地铁、隧道处积水无法监测，从选取的21日卫星影像上看，监测提取的城市洪涝水体主要集中在郊区与贾鲁河沿岸，这符合城市排水系统分布及实际淹没情况。今后在遥感监测基础上，开展地面与交叉数据验证，并结合验证结果，修正模型参数，进一步提高遥感洪涝监测精度。