李胜阳 ，许志辉 ，陈子琪 ，张 奥 ，喻文勇

（1. 黄河水利委员会信息中心，河南 郑州 450004；2. 武汉大学，湖北 武汉 430072；3. 中国资源卫星应用中心，北京 100094）

高分3号卫星影像在黄河洪水监测中的应用

李胜阳1，许志辉1，陈子琪2，张 奥3，喻文勇3

（1. 黄河水利委员会信息中心，河南 郑州 450004；2. 武汉大学，湖北 武汉 430072；3. 中国资源卫星应用中心，北京 100094）

高分 3 号卫星是我国首颗 C 频段多极化高分辨率合成孔径雷达卫星，尝试利用高分 3 号卫星对黄河2017 年第 1 号洪水开展遥感监测工作，获取 7 月 28 日 18 时 42 分和 29 日 6 时 52 分的黄河小北干流河段遥感影像。经过影像处理和遥感解译，高分 3 号卫星影像清晰，层次分明，对河流水体、沙洲，以及河道整治工程、桥梁等反映明显，能够较好地识别洪水淹没范围信息。应用表明，高分 3 号卫星具有良好的编程成像能力，可以全天候、全天时获取洪水遥感影像，在洪涝灾害监测和防灾减灾领域具有较大应用潜力。

黄河；洪水；高分三号；遥感

0 引言

黄河中游河口镇至龙门区间属半干旱区，沟壑纵横，支流众多，夏季暴雨频次多，洪水暴涨陡落，含沙量大，是黄河粗泥沙主要产区和洪水来源区之一。来自该区间的洪水从龙门进入黄河小北干流河段后，河道由峡谷型变为游荡型，常常出现洪水漫滩、冲刷河道整治工程等险情，严重情况下会产生淹没耕地等灾情，危害较大。卫星遥感观测技术由于观测范围广、周期性重访等独特优势，广泛应用于水利、环境保护、防灾减灾等多个领域[1]。基于卫星遥感技术，人们可实现快速、准确的洪涝淹没范围提取，直观地显示其空间分布及其动态变化和发展规律，从而使得其在洪涝灾害监测中发挥着越来越重要的作用[2]。

高分 3 号（GF-3）卫星是我国最新投入使用民用微波遥感卫星[3]。在中国资源卫星应用中心的大力支持下，尝试利用 GF-3 卫星对黄河 2017 年第1 号洪水进行遥感监测，在洪水影像准实时获取、影像处理，以及洪水监测应用等方面开展了有益探索。在本次洪水遥感监测过程中，GF-3 卫星取得的监测成果为黄河防汛决策工作及时提供了信息支撑。

1 监测区和黄河 2017 年第 1 号洪水

1.1 黄河小北干流河段概况

黄河小北干流河段全长 132.5 km，为晋、陕两省界河。河道平面形态呈哑铃状，上、下河段宽浅，滩地开阔，中段狭窄，滩地呈零星分布。该河段水流散乱，河床宽浅，心滩、汊流不断发育，主流摆动频繁，为典型的堆积游荡型河道。历史上该河段曾发生大的洪水灾害，洪水所到之处，滩地冲毁，农作物绝收，河道整治工程受损，河势改变，机电灌站脱流，带来的各种损失较大[4]。

本次洪水遥感监测主要区域为黄河小北干流河段。

1.2 黄河 2017 年第 1 号洪水

2017 年 7 月 23—26 日，黄河中游河口镇至龙门区间中北部大部地区降大到暴雨，其中黄河一级支流无定河流域普降暴雨到大暴雨。受强降雨影响，黄河中游干支流相继涨水。26 日 8 时 12 分，黄河干流吴堡站出现 3 560 m3/s 洪峰；10 时 12 分，支流无定河白家川站出现 4 500 m3/s 洪峰，为 1975 年 建站以来最大洪水。干支流洪水在黄河干流遭遇叠加向下游演进。27 日 1 时 6 分，黄河干流龙门水文站出现 6 010 m3/s 洪峰，为黄河 2017 年第 1 号洪水。28 日7 时 45 分，黄河干流潼关水文站出现 3 410 m3/s 洪水。此后洪水逐步回落，通过黄河小北干流河段。

2 GF-3 卫星影像

2.1 GF-3 卫星

GF-3 卫星是“国家高分辨率对地观测系统重大专项”中唯一的微波遥感卫星，也是我国首颗 C 频段多极化高分辨率合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）卫星。

GF-3 卫星发射重量约 2 779 kg，在轨设计寿命8 a。卫星运行轨道高度约 755 km，为太阳同步回归晨昏轨道，采用侧视成像飞行状态。GF-3 卫星平台指标如表 1 所示。

表 1 GF-3 卫星平台指标

2.2 GF-3 卫星影像

GF-3 卫星具有成像空间分辨率高、幅宽大、辐射精度高、模式多和连续工作时间长等特点，并可通过编程成像方式提升快速响应能力，能够获取分辨率 1～500 m、成像幅宽 10～650 km 的 C 波段多极化微波遥感影像，实现全天候全天时海洋与陆地观测，填补了我国民用自主高分辨多极化微波遥感影像空白[3]。GF-3 卫星成像模式如表 2 所示。

表 2 GF-3 卫星成像模式

3 洪水微波遥感监测原理

3.1 微波遥感

微波是电磁波的一种形式，波长在 1 mm～1 m之间。微波遥感就是利用各种传感器接收地面各种地物发射或反射的微波信号，藉以识别、分析地物，提取所需的信息。微波遥感自 20 世纪 60 年代始，现已引起普遍重视，为各先进国家竞相发展，在 20 世纪 90 年代形成高潮，目前已经成为广泛应用的一个重要遥感手段[5]。

微波遥感分为主动和被动遥感。SAR 是一种主动遥感系统，自身向地球发射微波，因而具有全天时工作的能力。SAR 发射的微波能够穿透云、雨雪、尘埃和雾霾等，这使得它具有全天候工作的能力。

SAR 微波遥感影像的灰度值代表了雷达回波强度的大小，雷达回波强度又定量地由雷达后向散射系数决定。后向散射系数受雷达系统的波长、极化方式、入射角、地面目标的表面粗糙度和复介电常数等因素影响。通常一个具体的雷达系统的波长、极化方式、入射角是固定的。地面复介电常数受多种因素的影响，与表层土壤的水分含量有较好的相关性[6]。洪水期间，表层土壤的湿度相差不大。因此，可以认为地面分辨率单元内的回波强度由该单元范围内的平均粗糙度决定。粗糙表面具有对雷达波束向各个方向散射的特点，当表面粗糙程度愈大时，这种无方向性表现得愈明显，其回波强度较大，影像上表现为亮色调；而光滑表面由于雷达波束的侧视，镜面反射使回波的能量很弱，回波强度较小，在影像上表现为黑色调。

3.2 洪水微波遥感

在出现洪涝等自然灾害时，往往伴随恶劣天气，监测区域会受到云层、降水等因素影响，光学遥感难以发挥作用。微波遥感因其具有全天候全天时能力，在恶劣的气象条件下也能够迅速获取监测区域第一手遥感影像信息，为减灾救灾决策提供重要依据。因此，微波遥感成为洪水灾害灾情评估的有力工具[7]。

与 SAR 波长相比，陆地相对为粗糙表面，洪水水面相对为光滑表面，因此在 SAR 微波遥感影像上陆地通常为灰白色或黑灰色，水体为暗色或黑色。图 1 为 GF-3 卫星采用 HV 极化方式采集的微波遥感影像，图 2 为 GF-3 卫星 HV 极化方式微波遥感影像的灰度直方图，呈双峰形状，左侧峰型尖瘦，右侧峰型矮胖，反映了 HV 极化方式采集的微波遥感影像灰度分布特征，其中左侧的尖峰灰度值较低，代表洪水水体像元分布。

4 GF-3 卫星影像应用

4.1 影像采集

图 1 GF-3 微波遥感影像（HV）

图 2 GF-3 微波遥感影像（HV）灰度直方图

在接到黄河洪水监测需求后，中国资源卫星应用中心紧急协调调度 GF-3 卫星，安排黄河小北干流河段成像计划。由于国家减灾委提出了同一时间段某区域的监测需求，中国资源卫星应用中心最后兼顾双方需求，优化 GF-3 卫星成像计划，利用编程成像方式调整卫星姿态，以 GF-3 卫星精细条带1（FSI）模式，顺利采集到黄河小北干流河段 7 月28 日 18 时 42 分和 29 日 6 时 52 分的微波遥感影像。此次影像采集从 7 月 27 日 9 时协商采集计划，到 28 日 18 时 42 分首次获取数据，耗时近 34 h，实现了洪水遥感影像的准实时获取。黄河小北干流GF-3 卫星影像采集情况如表 3 所示。

表 3 黄河小北干流 GF-3 卫星影像采集情况

微波遥感影像经中国资源卫星应用中心预处理后，通过网络传输至黄河水利委员会信息中心，进行专业分析应用。

4.2 影像处理

由于是首次使用 GF-3 卫星影像监测黄河洪水，尝试对 GF-3 卫星影像进行了多视处理、图像滤波、几何精校正、影像假彩色合成、影像增强等处理，经过处理之后的 GF-3 卫星影像满足了本次洪水遥感监测需要。

4.2.1 多视处理

本次洪水遥感监测获取的 GF-3 卫星影像是单视复数（Single Look Complex，SLC）数据，采用多视处理对单视复数数据进行方位向和距离向平均，抑制斑点噪声，提升影像的辐射分辨率。

4.2.2 图像滤波

采用中值滤波方法进行图像滤波处理，进一步抑制 GF-3 卫星影像斑点噪声，同时要有效保护边缘信息，避免滤波后的影像水陆边界变得模糊。

4.2.3 几何精校正

为保证洪水监测期间，获取的遥感影像及解译成果地理坐标一致，能够进行准确套绘分析和制图，选择黄河中游河道 0.5 m 分辨率航空遥感影像作为参考影像，对 GF-3 卫星影像进行影像配准和几何精校正处理。

4.2.4 影像假彩色合成

人眼对色彩具有更高的敏感度，为了增加影像的可识别性，采用 GF-3 卫星 HH，HV，HH 极化影像分别作为红、绿、蓝波段进行假彩色合成，生成假彩色影像。

4.2.5 影像增强

合成后的 GF-3 假彩色影像整体亮度偏暗，采用线性增强方法，拉伸影像亮度，以利于遥感解译。

经过处理后的 GF-3 假彩色影像，色彩丰富，层次分明，水体、沙洲、耕地、鱼塘等清晰可见，易于识别。图 3，4，5 分别是 GF-3 HH 原始微波遥感、HV 原始微波遥感、经过影像处理后的 HH/HV/HH 假彩色合成等影像。

图 3 GF-3 原始微波遥感影像（HH）

图 4 GF-3 原始微波遥感影像（HV）

图 5 GF-3 假彩色影像（HH/HV/HH）

4.3 遥感解译

根据影像特征，采用目视判读、人机交互方式，解译水边线、沙洲，以及洪水淹没范围等信息。

河流水体在影像上表现为暗色调，水系形态明显，可以直接解译提取水边线、沙洲等信息。洪水过水区域在影像上表现为较暗色调，有过水串沟和滞留水体等影像特征，结合前期本底光学遥感影像综合对比分析，解译提取洪水淹没范围等信息。图 5中，a 为未完全拆除的浮桥，b 为河流水体，c 为沙洲，d 为洪水过水区域，e 为鱼塘，f 为耕地。

4.4 洪水遥感监测成果

洪水遥感监测成果主要包括洪水遥感专题图和淹没范围分析统计数据等。在洪水遥感监测过程中，需要第一时间将遥感监测成果上报防汛决策部门，为黄河防汛指挥调度提供信息支撑。

4.4.1 洪水遥感监测专题图

将洪水前本底水边线等矢量图层，与 GF-3 假彩色影像叠加套绘，添加必要的居民点、桥梁、河道整治工程等基础地理信息，进行图面整饰，制作洪水遥感监测专题图，充分展现遥感影像的直观性和准确性特点。图 6 为黄河 2017 年第 1 号洪水 GF-3卫星遥感监测图。

图 6 黄河 2017 年第 1 号洪水 GF-3 卫星遥感监测图

4.4.2 洪水淹没范围分析统计

利用 GIS 工具将洪水前本底水边线、洪水期水边线、河流中心线、行政区划等图层叠加对比分析，按照河道管辖范围分左右岸和隶属行政区统计洪水淹没面积。经对比分析与统计，与洪水前本底河道水面面积相比，黄河小北干流河段洪水淹没面积（含主槽增加面积）181 km2，其中山西侧 143 km2，陕西侧 38 km2。与传统统计方式相比，遥感监测的快速性和准确性作用得到充分体现。

5 结语

1）GF-3 卫星影像首次在黄河洪水监测工作中应用，实现了影像快速获取、处理和解译。为今后黄河洪水监测乃至我国防洪减灾领域更好的应用GF-3 卫星影像，进行了有益探索。

2） GF-3 卫星影像经过处理，影像清晰，层次分明，信息丰富，能够较好地识别洪水淹没范围信息。

3） GF-3 卫星具有良好的编程成像能力，可以全天候全天时获取洪水遥感影像，在洪涝灾害监测和防灾减灾领域具有较大应用潜力。

4）今后需要在 GF-3 卫星影像处理及洪水淹没范围自动提取算法方面做进一步研究。

[1] 孟令奎，郭善昕，李爽. 遥感影像水体提取与洪水监测应用综述[J]. 水利信息化，2012 (3): 18-25.

[2] 李小涛，黄诗峰，孙涛. 洪涝灾害遥感监测与评估系统的实现和应用[J]. 水电能源科学 2012，30 (5): 115-118.

[3] 张庆君. 高分三号卫星总体设计与关键技术[J]. 测绘学报，2017，46 (3): 269-277.

[4] 胡月玲，贾峰，李景岩. 从黄河“96.8”洪水看黄河小北干流河段面临的防洪形势[J]. 水资源与水工程学报，2012，23 (3): 182-184.

[5] 舒宁. 微波遥感原理[M]. 武汉：武汉大学出版社，2003.

[6] 杨存建，魏一鸣，陈德清. 基于星载雷达的洪水灾害淹没范围获取方法探讨[J]. 自然灾害学报， 1998，7 (3): 45-50.

[7] 聂娟，范一大，邓磊，等. 山洪灾害雷达遥感灾情评估技术研究与应用[J]. 自然灾害学报，2010，19 (3): 105-110.

Application of GF-3 satellite remote sensing image on Yellow River flood monitoring

LI Shengyang1, XU Zhihui1, CHEN Ziqi2, ZHANG Ao3, YU Wenyong3

(1. Information Center of Yellow River Conservancy Commission, Zhengzhou 450004, China;2. Wuhan University, Wuhan 430072, China;3. China Centre for Resources Satellite Data and Application, Beijing 100094, China)

The GF-3 satellite is the China’s first C-band multi-polarized synthetic aperture radar satellite with high space resolution. It was employed to monitor the 1st flood of Yellow River in 2017. The GF-3 satellite remote sensing

images of the small north river section were collected twice at 6:42 PM on 28th and 6:52 AM on 29th in July. After proper processing of the images, the flooded floodplains, flow edges, bars, training works as well as structures such as bridges can be recognized clearly and their extensions and sizes can be obtained with reasonable precisions. The application shows that the GF-3 satellite, with good programming shooting capability, can be used to obtain remote sensing images during floods in all-weather conditions at all time, which has made the satellite a very promising in flood control and flood disaster assessments.

Yellow River; flood; GF-3 satellite; remote sensing

TV21；P228

A

1674-9405(2017)05-0022-05

10.19364/j.1674-9405.2017.05.005

2017-08-23

李胜阳（1964-），男，山东临沭人，教授级高工，主要从事水利信息化建设与管理、水利遥感应用工作。