北京系列高分辨率卫星在永定河流域洪涝灾害分析中的应用

2024-03-17李双双李君超张旭东

中国水利 2024年3期

李双双，李君超，张旭东，周婷，钟伟，李霞

（1.永定河流域投资有限公司，100193，北京；2.二十一世纪空间技术应用股份有限公司，100096，北京）

洪涝灾害突发性强、危害性大，基于遥感影像的洪涝灾害监测方法能够克服传统实地调查的不足，为快速、大范围监测洪涝灾害提供重要支撑。

卫星遥感技术具有覆盖范围广、时效性强等特点，可对洪涝灾害区域进行快速、大范围监测，反演水体范围等多种要素，进而实现对洪涝灾害的快速响应与影响评估，近年已相继运用于多个流域。周斌等综合利用气象数据、遥感影像与水文实测数据等多源数据进行相互验证，分析2019年8月暴雨对辽河流域洪涝灾害的影响；刘宏洁等在珠江流域防汛关键期，基于国产卫星影像，开展了洪涝灾害重点区域应急遥感监测评估；樊航等基于国产高分辨率雷达数据，采用KI 阈值分割法提取河南省卫河流域洪涝灾害期间洪水淹没范围，结合无人机数据进行精度验证；张文璇等提出了一种基于多时相哨兵1号SAR影像数据快速确定大面积半干旱地区洪水范围的方法，确定经常受洪水影响的区域；刘小燕等结合多源、多时相遥感数据信息从不同角度提取水体信息；武燕茹等利用SAR相干系数值分析法对山西省新绛县洪灾发生前、中、后的雷达影像数据进行计算处理，监测洪涝灾害期间汾河新绛段水面扩张范围及水位变化信息。

现阶段应用较多的高分辨率光学卫星影像有高分一号、吉林一号等，关于北京系列卫星应用的研究较少。北京系列卫星具有观测范围广、获取信息量大、动态更新快、立体覆盖能力强的优势，获取能力和影像质量达到国内领先、国际先进水平，能够为我国生态环保领域提供大量的超高分辨率光学遥感卫星数据，可为国家重大需求、国家战略实施和国民经济建设提供及时自主的高清遥感大数据及空间信息综合应用服务。

2023 年7 月28 日至8 月1 日，受第5 号台风“杜苏芮”残余环流和冷空气共同影响，华北地区出现1963年以来最强降雨过程，海河发生“23·7”流域性特大洪水，永定河发生1924年以来最大洪水。应用卫星遥感技术，基于北京系列高分辨率、高性能光学卫星识别官厅水库以下至屈家店枢纽段的最大淹没范围，开展洪水淹没分析工作，科学分析最大淹没范围线与河道管理线的关系，运用ArcGIS空间分析功能，提取永定河山峡段、平原段、泛区段的最大淹没范围，研判洪水影响范围，为永定河综合治理提供支撑。

一、研究区域与研究方法

1.研究区域

永定河流域地跨内蒙古、山西、河北、北京、天津等5个省（自治区、直辖市），面积4.7万km2，占海河流域总面积的14.7%。永定河流域上游是阴山和太行山支脉恒山所包围的高原，北部为蒙古高原，东南部为恒山及八达岭高原。永定河承接上源西南部桑干河、西北部洋河后，从官厅水库起穿越八达岭高原形成官厅山峡，至三家店流入华北平原。

永定河自河北省张家口怀来县朱官屯至天津市屈家店长307 km。自朱官屯下行17 km入官厅水库，库区纳妫水河。官厅水库至三家店为山峡段，长109 km，两岸有清水河、大西沟、湫河等十几条支流汇入。自三家店进入平原以下两岸均靠堤防约束，流经北京市、河北省廊坊市，至天津市屈家店，长146 km，其中梁各庄至屈家店为永定河泛区段，长67 km。泛区段有天堂河、龙河汇入。

由于地理位置、地形以及大气环流和天气系统路径等因素，永定河流域是暴雨洪涝的敏感区和多发区。海河“23·7”流域性特大洪水中，官厅山峡突发洪水，暴雨中心位于官厅水库下游，因此本文以官厅水库以下区域作为研究对象，研究其最大淹没范围及山洪沟的冲刷情况。

2.研究方法与流程

充分利用北京三号卫星智能规划技术，根据目标区域的特点、天气情况、卫星性能等因素对卫星拍摄任务进行规划。洪水发生后，立即委托第三方在最短的时间窗口内制定应急拍摄任务，及时获取灾后第一时间的亚米级高分辨率光学卫星影像。

初步筛选原始影像数据，进行数据解码、辐射校正，并处理噪声、掉线、高亮、增益等质量问题，确保原始影像数据的质量与效果，支撑后期数据DOM制作和信息提取工作顺利开展。在获取原始影像数据的基础上，对遥感影像数据进行配准、融合、正射纠正、调色、镶嵌、投影坐标系转换等预处理工作，形成灾后卫星遥感正射影像。同时收集整理该区域灾前的亚米级高分辨率存档影像，与灾后影像对比，开展灾情监测分析评估工作。

二、受灾范围和影响分析

1.受灾范围识别

在遥感影像中，分析重点受灾区域范围内洪水淹没痕迹的形状、色调、光谱等特征，建立识别规则。基于北京系列卫星亚米级分辨率影像数据，利用图像智能识别算法对洪水淹没范围进行快速智能识别，结合人工目视解译检查，获取洪水淹没痕迹范围。同时基于灾前影像，准确分析洪水淹没范围内原始地物情况。

通过灾前、灾后影像对比，分析永定河河道险工险段、道路、堤防、桥梁等相关工程设施的受损情况，辅助支撑灾害防御、防洪治理、河道清淤等治理工程受损、工程恢复状态图像服务，最终识别出永定河流域山洪沟冲毁情况及河道最大淹没范围。

2.受灾范围影响分析

（1）最大淹没面积分析

对比灾前、灾后影像，采用目视解译法和经验法，人机交互识别确定阈值，快速获取水体淹没情况，结合洪水调查队现场复核修正，最终识别出永定河河道最大淹没情况：官厅水库下游至屈家店枢纽的最大淹没面积为319.50 km2，其中山峡段、平原段、泛区段最大淹没面积分别为13.96 km2、57.09 km2、248.45 km2，分别占最大淹没面积的4.37%、17.87%、77.76%。

基于识别出的河道最大淹没范围，充分运用ArcGIS空间分析功能，对比分析山峡段、平原段、泛区段最大淹没范围线与河道管理范围线的关系。

（2）山峡段淹没分析

永定河山峡段以20年一遇洪水淹没线作为其管理范围线。对比最大淹没线与10年一遇洪水淹没线、20年一遇洪水淹没线，可见山峡段淹没范围基本与20年一遇洪水淹没线重合（见图1）。山峡段河道淹没面积为13.96 km2，山峡段（河北省内）的淹没面积为0.99 km2，山峡段（北京市内）的淹没面积为12.97 km2。北京段20年一遇洪水淹没线内的淹没面积为12.52 km2，占北京市内淹没面积的96.5%；管理线外的淹没面积为0.45 km2，主要集中在丁家滩、陈家庄、落坡岭以上区域。

图1 山峡段最大淹没线与管理线宽度对比

山峡段（北京市内）管理范围面积为15.72 km2，有3.2 km2未受此次洪水影响，主要集中在付家台村、太子墓村凸岸和部分高地。

（3）平原段淹没分析

对比最大淹没线与堤线，可见平原段洪水约束在两堤之间（见图2，以平原北段为例）。平原北段淹没面积为5.31 km2，平原南段河道的淹没面积为51.78 km2，平原段总淹没面积为57.09 km2，占堤内面积95.15 km2的60%。

图2 平原北段堤线、最大淹没线的关系

（4）泛区段淹没分析

泛区段淹没影响范围248.45 km2，占泛区总面积487.7 km2的50.94%，主要影响了泛三区、泛四区、泛六区、泛八区，其中，廊坊段、天津段淹没面积分别为198 km2、50.45 km2，分别占总淹没面积的79.69%、20.31%。

洪水期间收集雷达影像数据，迅速掌握泛区淹没及退水情况。根据雷达影像，8月7日实际淹没面积最大，实际淹没面积为139.19 km2，占淹没影响范围的56.02%（见图3）。

图3 2023年8月7日18时泛区段实际淹没面积

（5）河道宽度变化分析

洪水后平原南段河道主槽宽度整体上明显大于生态补水脉冲的河道子槽宽度，洪水刷槽效果显著，平原南段主槽普遍展宽加深。平面上，平原南段主槽普遍展宽，其中，卢沟桥—金门闸河段主槽平均展宽315 m，金门闸—梁各庄河段主槽平均展宽185 m（见表1）。纵断上，沿线部分区域子槽下切明显，下切深度为0.6～3 m，洪水后河道过洪能力增强。