基于卫星观测的洪灾快速监测与评估平台实现.pdf
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1、 年 无线电工程 第 卷 第 期:引用格式:张雯钰,戴梓萱,丁聿铭,等基于卫星观测的洪灾快速监测与评估平台实现无线电工程,():,():基于卫星观测的洪灾快速监测与评估平台实现张雯钰,戴梓萱,丁聿铭,周杰,(华中师范大学 城市与环境科学学院,湖北 武汉;华中师范大学 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室,湖北 武汉)摘要:洪灾往往具有突发性强、影响范围广的特点。建立一个对洪灾进行快速准确监测、灾情初步评估和信息传播等功能的系统能够在一定程度上减轻洪灾影响,并为灾害应急响应的高效开展提供重要保障。基于技术及多源卫星遥感数据搭建了一套洪灾监测与损失评估系统,采用环境下作为应用框架,利用开源程序包构建
2、服务器,并结合前端 框架、等组件完成洪涝灾害监测系统的搭建,为用户提供洪水淹没范围信息快速查询和灾情评估功能。基于遥感的洪水淹没范围自动提取与发布基于、等工具包实现。灾情评估功能通过将淹没范围与人口密度等基础地理信息数据使用库进行空间统计分析实现。将系统应用于年月日湖北省随州市柳林镇洪灾监测,淹没范围提取结果与官方报道基本相符,损失评估结果比实际统计较低。该系统的实现和进一步完善将实时遥感观测转换为有效洪水淹没信息,有望为洪水灾害应急决策提供重要支撑。关键词:洪水监测;遥感;网络地理信息系统中图分类号:文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文 章 编 号:(),(,;,):,:;收稿日期
3、:基金项目:华中师范大学大学生创新创业训练计划类():()专题:长时序定量遥感产品重建与应用 引言洪涝灾害具有突发性强、发生频繁、危害性大和季节性强等特点,是对人类生命和财产威胁最大的一种自然灾害。因此,对洪灾的监测与预警是开展洪灾应急响应的重要保障。专家学者们主要关注应用遥感数据获取洪涝信息,采用气象模型、水文模型等构建洪涝监测预警系统。发达国家洪涝灾害监测系统的研究相对较为成熟,许多国家都建立了完善的洪涝监测体系,其中一些系统已经应用于实际的洪涝预警和救灾工作。例如美国国家海洋和大气管理局()的全球洪水监测系统(,)、欧洲气象卫星应用组织()的洪水响应计划、亚洲防灾减灾中心基于开源程序包,
4、在湄公河流域实现对洪水的近实时监测系统。这些系统都利用了先进的遥感、气象和水文等技术手段,结合实时的观测数据和数值模型,为区域乃至全球范围内的洪涝监测和预报提供了重要的支持和服务。国内近年来也在洪灾快速监测领域取得了较大进展,但由于数据共享不畅和数据质量不佳等原因,在实际应用中部分地区的洪涝灾害监测数据不足,难以满足实际需求。加之目前国家尚未建立面向公众服务的洪水监测与预警系统,导致公众对区域洪水的发生发展态势缺乏足够的了解。相比于地面监测、气象预报等传统监测手段,卫星遥感技术在大范围洪灾快速监测与评估应用中具备巨大潜力。卫星遥感数据覆盖面广,可以在全球范围内实现对重大自然灾害及其影响宏观、动
5、态、快速准确地监测和评估。实时性高,可快速获取数据并进行处理,发布监测结果,使相关部门在短时间内获得大量洪涝灾害信息。成本低,不直接接近灾区,避免了一定的风险和损失。常见的基于卫星传感器得到的光学数据、雷达数据和地球重力场数据等都能从不同侧面对洪水进行监测与评估。光学遥感影像光谱分辨率和时空分辨率较高,主要通过结合多光谱信息来获取地表水信息,对洪涝淹没范围的边缘提取具有一定优势。雷达遥感影像利用微波辐射原理,通过水体反射和散射的信号同其他地物的巨大差异,提供地表高分辨率水体覆盖范围产品。热红外卫星通过红外辐射来监测地表水体的温度变化,可以较为准确地判断水体位置和洪灾范围。重力卫星数据通过重力场
6、测量来追踪水体运动常用于地下水储量监测,比如卫星,但其空间分辨率相对较低,一般为数百千米,难以对洪涝灾害的具体范围进行细致的监测和预测。目前大多数快速提取陆地表面水体的工作基于光学卫星影像和雷达影像展开。光学影像对天气条件非常敏感,当出现云雾等天气现象时,影像的质量和解译精度会受到较大程度的影响。大部分洪灾是由于持续时间较长的强降雨造成(除由于自然灾害、工程事故等导致的突发性洪灾和冰洪灾等),特别是在季风驱动的环境中,暴雨往往伴随着云层的厚积广布,故光学卫星影像经常面临云层遮挡的问题,难以获取灾害时刻下垫面信息。此外,夜间往往是洪灾发生和发展的关键时期,但光学影像需要光线成像,因此无法在夜间进
7、行准确的观测。合成孔径雷达(,)数据不受云雾、降水和光线的影响,能够对地表进行全天候的观测。但雷达波在与地表相互作用时会受到地形影响,产生复杂的干扰。雷达信号在回波过程中会与地面上的微小物体(如地面粗糙度、建筑物和树木等)相互作用,这些微小物体会散射信号产生干扰,使得原本应是同一种类型的区域(如水体)出现了灰度值不同的局部明暗区域,形成散斑,因此需要进行大量的数据预处理。目前主流用于监测洪灾的数据集各有优劣,不同数据集有不同的应用特性。对洪灾进行高精度、近实时的快速监测评估,不仅要根据具体的应用场景选择合适的卫星数据,还要融合多源卫星数据综合分析。在生态梯度更大的范围内考虑数据融合方法,充分结
8、合光学和雷达数据的优点。在小范围内,雷达数据更适合在阴天有效、及时地监测水域范围;而光学数据适合在云量较小的条件下监测水库和小范围水体的状况。在连续降雨情境下,种数据都可与历史同时期平均水域范围进行比较分析。历史水体数据使用欧洲空间局和联合国粮农组织等多个国际机构和组织基于多源卫星数据联合开发的 高分辨率历史全球地表水数据集(数据集)。在洪涝淹没范围提取时,一般将洪灾发生后的影像称为灾后数据,发生灾害前的影像称为灾前数据。灾后数据一般情况为近实时遥感数据提取出的水域范围,灾前数据可以是灾害发生前的近期水域范围,也可以是该区域数据集中历史同期平均水域覆盖范围。通过对灾后数据与灾前数据水体范专题:
9、长时序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 围的比较,可识别出潜在的洪水淹没区。故洪涝监测的核心任务是水体范围的准确识别。使用遥感数据提取水体时的一般步骤为:获取数据、数据预处理、计算水体指数、设置阈值、进行像元分类、进行影像后处理。完成淹没范围提取后,对洪灾造成的损失进行评估是一个相对复杂的过程,需要考虑损失范围、值守财产、经济影响、环境影响和社会影响等各个方面的因素,且各因素之间紧密相关。在具体的评估过程中需要根据不同地区、不同场景来确定评估因素的权重和价值。目前洪灾的灾情评估模型及方法主要包括:灰色聚类分析模型、熵权灰色关联度分析和模糊评价模型等。以上模型大多适用于洪灾
10、发生后收集一定信息再进行评估,实现对洪灾影响范围的快速评估可将洪水淹没范围与淹没区人口密度、社会经济等数据叠合进行空间统计。基于以上分析,本文旨在利用开源工具包开发一个基于的洪灾快速监测与灾情初步评估系统,实现洪灾信息的分发和共享,为普通民众和国家政府各级部门开展洪灾管理与应对提供决策依据。数据与方法 洪涝灾害快速监测实现洪水的快速监测依赖于水体提取方法的自动化,从而可避免耗时耗力的手动图像解译。在由和联合资助的项目框架下,杨百翰大学()等开发了()开源应用程序包用于融合多源卫星观测数据开展近实时洪水监测。该程序包基于()和()构建,利用谷歌云计算对遥感数据进行大规模计算并处理,近实时提取高精
11、度地表水体覆盖范围,还可以融合多个遥感数据集来提供每日地表水图,实现对地表水的每日监测。为了方便用户使用高基于云计算的地表水提取算法,项目开发人员在的()的基础上提供了更高一级以减少代码重复。本系统基于该程序包的实现区域洪水淹没范围提取。接入系统的部分如表所示。表程序包主要参考 功能模块接口名称功能数据集 加载定义了时间和空间的遥感图像结合构成一个数据集控制影像质量,比如对光学影像过滤云层 将函数方法应用于已加载的图像数据矫正应用照明校正算法来校正光学影像中的光照不均匀性应用坡度校正消除地形起伏对雷达信号的影响过滤模块斑点过滤算法,可有效地去除雷达图像中的斑点噪声滤波算法,可有效地去除雷达图像
12、中的噪声和杂波水体指数 提供多种水体提取指数阈值分割 用于水体指数的阈值分割,将遥感数据进行二值化处理每日地表水获取 估计每日地表水范围 卫星观测数据描述在卫星观测数据集模块,系统接入常用于提取水体的类公开数据集:、。在环境中连接 服务,即可从平台调用以上数据集。在调用每一个数据集时程序还可加入质量评估的方法,用以屏蔽质量差的像素。受卫星重访周期限制,实现高分辨率每日监测较为困难,对于已接入卫星数据空缺期观测数据,系统接入每日地表水融合功能(,)接口。该功能实现主要包括个步骤:数据融合、预测地表水的长期趋势和用短期趋势完善地表水的估计。整个处理过程分为三部分:输出雷达光学数据融合样本、利用谐波
13、分析输出长期地表水动态和预测每日地表水范围。专题:长时序定量遥感产品重建与应用 淹没范围提取方法淹没范围提取基于 接口实现。在获取了经过质量控制的卫星数据后,调用程序包提供的对数据进行校正、计算水体指数、对水体指数设置阈值,将图像二值化分割为水体和非水体区域。比较洪灾发生前后的水体范围得到研究区淹没范围。总的来说,淹没范围的提取分为个主要过程:提取单时相水域范围与提取灾后淹没范围。在提取水体时,在程序中将图像处理方法应用到所选数据集中,对选择的数据集进行相应的矫正处理,再选择水体指数和水体指数的阈值分割方法可快速得到水体范围。提取水体流程如图所示。图提取水体一般流程 一般情况下,辐射校正、大气
14、校正种数据矫正在数据集发布时已经进行,选取数据集后,如果为光学数据则使用照明矫正函数进行数据预处理,该函数基于太阳和视角几何对光学图像应用地形校正,专门用于处理来自和传感器的图像。与光学影像预处理步骤不同的是,雷达数据中的斑点通常会降低图像分割和分类的准确性,因此应用散斑过滤器是常见的预处理步骤。在程序包实现了、等斑点过滤算法以消除噪声影响。数据预处理后,选用合适的水体指数和参数进行计算以便更容易识别和提取水体。接着对水体指数进行阈值分割,程序包中接入的常用的阈值分割算法有 算法,可以自动选择适当的阈值进行阈值分割进一步提取水体。水体指数和阈值分割方法的选取影响水体提取的精度,需要根据具体的应
15、用场景和数据特点来调整,以获得最佳的水体提取效果。最后返回水体指数图像和水体掩膜图像的影像数据,进行后续分析和处理。提取洪灾发生后淹没范围的基本思路为洪灾发生前后水体变化的对比,有种实现方式。第种方法是洪灾近期多时相比较。为灾前灾后数据选择合适的卫星数据集,定义灾前灾后数据时间应最大程度同灾害发生前后时间接近。分别提取灾前灾后的水体范围,得到结果为二值化栅格数据,非水区域为,水域为。将灾后栅格数据减去灾前数据进行数组计算,即为所求淹没区。第种方法是将灾后水体范围同历史同期平均水域范围比较。调用包中方法,使用数据集中的过去年季度性出现频次大于的水域范围作为灾前数据,选择灾害发生时近实时卫星数据作
16、为灾后数据,将灾前灾后数据作差得到淹没范围。第种方法需要获取不同时期幅图像,调用包中函数使用对数幅值比(,)变化检测方法提取淹没范围。以上种方法均在环境下实现。灾害损失评估模型 评价指标洪灾往往对农田、居民地和道路带来直接影响,本系统洪灾损失快速评估主要从四方面展开:人员伤亡、经济损失、生态破坏以及灾害救援损失。人员伤亡考虑受灾人口密度,经济损失数据通过统计分析受灾区域反映。生态损失考虑农田、居民地受灾面积受洪灾影响较大的土地类型,救援损失统计受到洪灾影响的路网数据。系统拟用洪灾影响因子及数据来源如表所示。表洪灾损失评价指标 指标名称 数据类型 数据来源链接备注淹没面积 栅格数据 实时提取人口
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- 基于 卫星 观测 洪灾 快速 监测 评估 平台 实现
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