卫星遥感资料在山区洪涝灾害监测及决策服务中的应用

姚 熠，段 莹，李光一，张开华,钱 玲，余玥郿

( 1.贵州省遵义市气象局，贵州 遵义 563000;2.贵州省生态气象和卫星遥感中心，贵州 贵阳 550002；3.贵州省正安县气象局，贵州 正安 563400)

0 引言

卫星搭载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)因具有全天候全天时、空间分辨率高、覆盖面积广、不受云雾影响等特点，被广泛应用于海洋、农业、灾害监测等领域。哨兵1号(Sentinel-1)卫星是欧洲航天局哥白尼计划(GMES)中的地球观测卫星，由2颗卫星组成，其中载有的12 m长C波段合成孔径雷达(SAR)，单个卫星每12 d映射全球1次，且具有4种成像模式：超精细模式、干涉宽幅模式、超宽幅模式和微波模式。陈志国[1]研究了不同水体区域在SAR遥感卫星影像中的散射特征，对比分析了多种图像滤波算法、水体提取算法在实际洪水区域提取应用中的效果。并基于Sentinel-1雷达遥感卫星影像长时间序列数据，统计分析了孟加拉国贾木纳流域河道全年季节性变化趋势。针对水域面积较少时水体提取困难的问题，湛南渝等[2]提出了以Sentinel-1A SAR为数据源,用简化的SLIC超像素分割算法对图像进行分割,根据相似度将分割后的图像进行分层区域合并,将图像二值化得到最终水体信息的方法。其次，阈值分割法也是常用于SAR图像水体信息的提取方法之一[3]，曾玲方等[4]利用斯里兰卡遭受洪灾前后的Sentinel-1A影像，运用阈值法和RGB波段组合的方法，快速有效地提取出了洪水淹没范围。

汛期暴雨洪涝监测及防灾减灾预防，多年来一直是喀斯特地貌地形山区防灾减灾工作的一个重点和难点，减灾工作重在防，也不可避免出现空防白防的情况，既耗时耗力，又浪费多部门资源。但保护人民生命财产安全非常重要，为了提高暴雨洪涝灾害监测预警能力，提前发出预警，准确作出预判，多年来贵州省气象部门基于历史灾害的发生，将灾情与降雨量进行相关统计分析，得出指标站和叫应标准，分别制定了分级分区域的三个叫应标准，在防灾减灾工作中作出了突出贡献。如代瑞华等[5]、杨平会等[6]就县域强降雨的“三个叫应”气象服务指标作了大量分析研究，夏兆林等[7]还在前人基础上，进一步针对中小河流域跨行政区域的上下游联防工作机制进行完善，并将其延伸。但对上游指标站的确定和下游影响区域的叫应，还比较粗犷，存在一定主观性。因此，以正安县2020年6月出现的极端降水为研究对象，侧重介绍如何运用哨兵资料来找出淹没区的技术流程，同时与典型过程的实际情况进行验证，证明该技术方法可行，对于找出上游指标站及明确洪涝影响具体范围有重要补充意义。

1 研究区域概况

正安县位于遵义市东北部，地处大娄山脉东麓、芙蓉江上游，喀斯特地貌特征明显,东部以中山台丘地貌为主，中部以低山、丘陵、盆坝地貌为主，西部则是典型的中山峡谷地貌。境内最高海拔1838 m，最低海拔448 m，平均海拔1200 m，河流属乌江水系，主要有芙蓉江、石梁河、清溪河等大小河流393条，其中，最大的河流为芙蓉江，其走向主要是西南东北走向，其中有南部支流向东北汇合。其地形地貌复杂，暴雨洪涝灾害频发，严重影响当地的农业生产经济和人民生命财产安全。如2020年6月遵义市正安县多次发生特大暴雨洪涝灾害。

2 资料与方法

为充分发挥卫星遥感在防灾减灾工作中的应用，本文选取2020年6月10日18时51分、6月22日18时51分2个时次的Sentinel-1A号L1级地距影像数据(通过https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home网站下载)，成像模式为干涉宽幅，极化方式为VH+VV，幅宽250 km，分辨率为10 m。

利用哨兵数据应用平台(SNAP)对数据进行预处理，预处理流程包括轨道校正、热噪声去除、辐射定标、相干斑滤波、地形校正及分贝化。数据进行完预处理后，采用SDWI水体提取指数：

SDWI=In(10×VV×VH)-8

(1)

由于研究区为多云雨的山地地区，根据水体指数的常用阈值0.1得到的结果并不理想，水体与非水体存在错分和重叠现象，错分误差较高。此外，由于贵州山区山体阴影对水体提取影响很大，为了尽可能消除山体阴影影像，引入地形数据并建立决策树提取相关阈值。反复试验显示，不同水体指数阈值提取的水体结果不同，李思慧[8]研究中高分影像目视解译不断对比调整阈值大小，同时借鉴周晗等[9]将数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)作为辅助数据的方法，最终选取SDWI>0.0047且DEM<650作为水体判识阈值，其余范围皆为非水体。但初步提取结果还存在一些干扰斑点，利用分类后处理工具及人工判识结合的方式，对斑点进行剔除，最终实现研究区水体提取。

同时，结合地面区域站对降水进行监测比对分析，对暴雨导致的洪涝灾害进行了灾后分析，选取受灾典型区域，即正安县庙塘河小雅镇段、石梁河瑞溪镇段、芙蓉江格林镇段、芙蓉江土坪镇与和溪镇交界段、正安县县城周边出现的水体增长及易发生洪涝的区域，并与其上游气象监测站进行匹配，结合地形和河流走势找出上游指标站。

3 结果与分析

3.1 2020年6月正安暴雨发生情况

统计正安2020年6月1—24日的逐日降水量可知，3次强降水天气过程分别是12日、21日、22日。大部区域11—23日08时的累计雨量超过250 mm(图1)，降水量大值区位于碧峰、瑞溪，2站均超过400 mm，其中碧峰最大小时雨量达到163.3 mm，为有历史记录以来贵州省最大的一次降雨强度，可见在天气系统配合下，高大山脉迎风坡的抬升和阻挡作用不可小觑。降雨次大值区位于县中部的盆坝区域和东西部峡谷。

3.2 易涝区域卫星遥感监测识别

卫星遥感具有监测覆盖范围广、信息客观真实的特点，但由于降水前后多有云层影响，故难以通过光学传感器接收的卫星影像对水体面积变化进行遥感监测。而哨兵1号地球观测卫星载有合成孔径雷达，可不受光照和气候等条件限制提供全天候、全天时的连续影像，能够在能见度极低的气象条件下除去云层干扰获得类似光学的高分辨雷达影像。但哨兵1号过境资料周期为12 d。因此，通过获取哨兵1号2020年6月10日18时51分与6月22日18时51分的遥感影像资料，分别提取2个时次的水体数据，并通过对比得到该时段内强降水造成的洪涝灾害区域。

虽然6月10—22日，正安有2次明显天气过程，但12日降雨过程距离22日有10 d之久，经咨询当地人员，水位在一周之内已消退，因此，重点对21—22日的降雨天气过程对比分析。通过对分区域水体增加的卫星遥感图识别，得出本次天气过程辖区内5个水体增加明显的区域(图2b)，分别为正安县庙塘河小雅镇段(区域1)、石梁河瑞溪镇段(区域2)、芙蓉江格林镇段(区域3)、芙蓉江土坪镇与和溪镇交界段(区域4)、正安县县城周边(区域5)。图2a与2b对比可知，水体增加区域2、区域3、区域5和降雨高值区域重合，不到2 d的过程降雨量在200 mm以上，地表出现明显水体增长，因此强降雨是导致洪涝的直接原因；但区域1和区域4则不同，究其原因，区域1有庙塘河流过，且上游监测到的降雨较大，其所处高大山脉一侧的峡谷内，海拔高差加强了地面径流，因此虽然本地监测雨量才126 mm，但地面径流的增强作用较明显，区域4是本地降雨叠加其上游绥阳县境内的芙蓉江支流附近的枧坝、旺草、茅垭出现100 mm以上强降水，海拔高差明显加剧了地面汇流至芙蓉江下游所致(图2c)。因此，出现强降雨期间，除了要关注强降雨区域，还要结合河流走向及其上下游和高大山脉对地面汇流的影响，形成联动，综合判断。

图2 正安县6月20日20—22时雨量分布及影响区域Fig.2 Rainfall distribution and affected areas in Zheng'an County from 20:00 to 22：00 on June 20

图3为本次暴雨过程正安县分区域水体增加的卫星遥感图。区域1为庙塘河庙塘镇和小雅镇河段，水体位于庙塘镇和小雅镇的下游，水体增加面积较大，约13 324 m2，河流两侧植被相对较少，河道两岸除在工农村有1间小学外，其余两岸无大的村寨，面积增加区域相对集中。区域2为石梁河瑞溪镇段，水体增加约6398 m2，水体走向为自西向东，沿河两岸瑞溪集镇、三把车村段靠河较近区域有风险，其余河段风险较小，其河流两侧河岸坡度较小。注意水体增加面积下游的区域防范，其它段风险相对较小。区域3为芙蓉江格林镇段，水体增加面积最大达146 600 m2，在河道弯曲河段，水体面积增加明显，且较为集中。河流左右两侧以农田为主，连片农田位于西面，该区域首先需加强农业涝害的防范，东面主要为山体结构，因此造成该处水体增加明显，需防范滑坡泥石流风险。水体下游无城镇聚集区，防洪压力较小。区域4为芙蓉江土坪镇与和溪镇交界段，水体面积增加区域呈现分段特征，约40 773 m2。水体流向为从南往北走，中段水体增加区位于凤仪街道田生大滩村上游，因此该村需加强洪涝灾害的防范，是防洪以及人员转移的重点关注区域，需随时关注上游气象站的降水情况及河流水位上涨情况。区域5为正安县县城周边，水体面积增加区域相对分散，增加面积约24 991 m2，主要在县城东北面的上游区域，增加水体末端下游即东南方向也有零星村庄，主要是安场镇正江村风险较大。

图3 正安水体增加区域卫星遥感对比图Fig.3 Satellite remote sensing comparison map of Zheng'an water body increase area

根据对各段水体增加区域的分析，加上实际对其下游村落、农田分布及人员集中区域的调查了解，整理了正安境内部分对应站点出现强降雨的指标及其影响区域详表(表1)，并将影响细分为人员影响或农田影响。可知降雨量大的区域，地表水体未必增加大，而存在的风险隐患也未必成正比，要充分考虑上游影响，特别关注海拔高差明显区域的地表径流汇流，再考虑人员分布。因此，在防汛工作中不应麻痹大意，一味根据降雨大小来做出灾害防范决定。

表1 强降雨对应雨量指标站及影响区域Tab.1 Index stations and affected areas corresponding to heavy rainfall

表1对正安县人民政府2017年下发的关于进一步完善“三个叫应”服务机制的文件中提及的三个叫应标准进行了补充完善，该叫应文件针对1 h、3 h、6 h及24 h叫应标准进行了明确，但提及的重点河流只有芙蓉江，且规定当芙蓉江镇、乐俭镇、和溪镇、格林镇、凤仪镇、安场镇中有2个以上乡镇分别达50 mm，叫应相关镇政府负责人，但没有具体区分叫应区域及靶向预防范围。表1不仅增加了庙塘河、石梁河的叫应阈值，还增加了芙蓉江上游区域站的叫应阈值，明确了各条河流关注的重点区域及其下游的影响对象，即叫应对象。为靶向叫应提供了科学参考，可在实际工作中加以应用，为防灾减灾争取更多时间。

4 结论与讨论

对于暴雨诱发的洪涝灾害，基于卫星遥感资料的河流增长段及易涝区域的识别判定对于防灾减灾工作非常有意义。但由于搭载有雷达传感器的卫星资料过境时间间隔较长，故目前还不能实现洪涝灾害的实时监测。但通过本次天气过程对比分析，发现其对正安县洪涝灾害防御决策指挥具有重要补充意义。考虑河流走向、上下游叠加关系和高大山脉的影响，根据影响大小，得出以下结论：

①当格林出现强降雨时，芙蓉江格林镇段河道弯曲段的西面需关注农业涝害，东面防范滑坡泥石流，农业风险高。

②当绥阳枧坝、旺草、茅垭出现强降雨时，芙蓉江土坪镇与和溪镇交界段的田生大滩村是防洪以及人员转移的重点关注区域，人员风险极高。

③当凤仪出现强降水时，要关注安场镇正江村，人员风险较高。

④当庙塘出现强降雨，重点关注下游小雅工农村小学的人员安全。

⑤桴焉出现强降水时，要关注下游瑞溪，重点叫应河两岸瑞溪集镇、三把车村段靠河较近区域，有一定人员风险。

在山区洪涝灾害监测与决策服务实际应用中，还需要进一步结合地区历史天气过程案例与对应期间遥感影像研究结果，更加全面地摸清上游指标站、指标量级及其对应的各河流流域易涝区域以及防灾减灾风险区域，为做好相关区域风险防控和防汛救灾指挥调度提供支撑。本文根据卫星资料监测水体增长及雨量对比，进一步细化了正安“三个叫应”的指标及影响区域，同时完善了上下游联动的指标站，细化了叫应指标。

不足之处：由于强降雨出现时间与卫星遥感监测时间有一定跨度，洪水淹没区域和程度较灾后峰值略有不同，考虑到前期出现过降水，地面土壤趋于饱和，因此未考虑地面径流的不同。在精细化、定量化等研究分析中则需要考虑这一影响因素。