四湖地区暴雨后涝渍害遥感空间分析

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摘要：通过分析降雨前后ENVISAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P数据，总结出运用ENVISAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P数据反演四湖地区涝渍害的指标，即涝害的反演指标为降水前后向散射系数介于０．１２～０．２５且降水前后向散射系数大于降水后后向散射系数，渍害的反演指标为降水前后向散射系数介于０．１２～０．２５且降水后的后向散射系数较降水前的后向散射系数高０．３０。并运用指标计算出２０１０年７月８~１１日暴雨过后四湖地区涝渍害空间分布，通过利用高分辨率ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１数据对局部地区分析比较表明反演指标能真实反映涝渍害现状。

关键词：ENVISAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P数据；涝渍害；遥感反演

中图分类号：Ｓ１２７献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）10－1980-04

Ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｓｐａｔｉａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｉｎｖｅｒｓｅｄ ｂｙ Ｒｅｍｏｔｅ Sensing ａｆｔｅｒ Ｒａｉｎｓｔｏｒｍ

ｉｎ Ｓｉｈｕ Ｒｅｇｉｏｎ

ＸＩＯＮＧ Ｑｉｎ－ｘｕｅ１，２

（１． Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ＆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｏｎｏｍｙ， Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｊｉｎｇｚｈｏｕ ４３４０２５， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ENVISAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P ｄａｔａ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ ａｎｄ ｐｏｓｔ rａｉｎｓｔｏｒｍ， ｔｈｅ ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｒｅｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎｄｅｘｅｓ ｏｆ Ｓｉhｕ rｅｇｉｏｎ ｗere ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ， Ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｆｌｏｏｄ ｉｎｊｕｒｙ ｗａｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖａｌｕｅ ａｔ ｐｒe and post ｒａｉｎｓｔｏｒｍ ｗａｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ０．１２～０．２５， ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖａｌｕｅ ａｔ ｐｒe-ｒａｉｎｓｔｏｒｍ ｗａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｐｏｓｔ－ｒａｉｎｓｔｏｒｍ； ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ ｗａｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖａｌｕｅ ａｔ ｐre and post ｒａｉｎｓｔｏｒｍ ｗａｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ０．１２～０．２５， ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｔ ｐｏｓｔ rａｉｎｓｔｏｒｍ ｍｕｓｔ ｂｅ ０．３0 ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｐｒｅ． Ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒ ａｆｔｅｒ ｒａｉｎｓｔｏｒｍ （ｆｒｏｍ Ｊｕｌｙ ７， ２０１０ ｔｏ Ｊｕｌｙ １１， ２０１０） ｉｎ Ｓｉｈｕ ｒｅｇｉｏｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｉｎｄｅｘｅｓ， ｔｈｅｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ＨＪ-1-A-CCD1 ｄａｔａ， ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｓｅ ｒｅｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎｄｅｘｅｓ ｗｅｒｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ENVISAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P dａｔａ； ｗａｔｅｒｌｏｇｇｉｎｇ ｄｉｓａｓｔｅｒ； ｒｅｍｏｔｅ ｓensing ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ

涝渍害是指地表长期滞水或遭受地下水浸渍， 还原作用强烈，土壤层理化性状恶化，水、热、气和养分失调，影响作物生长或危及作物存活而产生的一种灾害［１］。四湖平原是湖北省最大的粮棉产区，也是涝渍害危害最为严重的地区，四湖地区产生涝渍害主要成因为地势低洼，降水后积水排不出去［２］，因此了解降水后涝渍害的空间分布能掌握涝渍害的发生过程与特点，为治理涝渍地和减灾防灾提供科学依据。降水后涝渍害空间监测最快捷、最有效的方法是利用遥感数据进行分析，而降水往往会伴随着大量云层的出现，常规的以可见光为主的被动遥感数据反映不了地面真实状况。微波遥感具有全天时、全天候、多极化和对植被及土壤有一定的穿透能力等特点，其原理是土壤对微波后向散射的主要影响因子为土壤的介电常数，而土壤的介电特性明显地依赖于土壤的水分变化，所以当土壤中含水量很高时，微波后向散射系数高，反之土壤干旱时，微波后向散射系数很低，但当地面出现明显的地表水时，微波后向散射系数会因发生镜面反射而减小，这些水分影响微波后向散射系数的特点使之成为反演涝渍害最为精确的方法。

２０１０年７月８~１１日，四湖地区普降１００ ｍｍ以上的暴雨，图１是利用湖北省气象局自动雨量站获取的２０１０年７月８~１１日降雨量经Ｋｒｉｇｉｎｇ插值后得到的四湖地区降水空间分布图，雨量从西到东、从北至南增加，洪湖降雨量甚至超过２５０ ｍｍ，许多地方被淹，四湖地区出现大面积的涝渍区。研究拟通过分析比较降雨前后ＥＮＶＩSAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ_1P数据变化特点，监测涝渍害的面积，并分析涝渍害的成因，为科学治理涝渍害提供基础数据。

１研究区概况与遥感数据介绍

１．１研究区概况

四湖地区南枕长江，北滨汉水――东荆河，东至东荆河入长江的新滩口，西北大致以漳河水库总干渠、三干渠为界。境内大小湖泊星罗棋布，各级干支流纵横交错，水网密集。域内包括荆州市区、监利县和洪湖市全境以及荆门、潜江、石首市的部分地区，总面积约为１２ ０００ ｋｍ２。该区位于江汉平原沉降带的低洼地区，地势相对平坦，河湖密布，垸田众多。构造格局为西北―东南向，区内地势西北高、东南低，自西北向东南倾斜。南北为呈条带状的沿江（河）高亢平原，沿江（河）高地之间为一巨大的河间槽形洼地。地貌类型可分为低丘陵、岗地、平原三大类，丘陵、岗地占１８％，分布在地势较高的西北部（四湖上区部分），海拔４０～１２０ ｍ，中部及东南部为平原湖区，占地面积８２％，海拔２０～３５ ｍ，由盆形的湖泊和湖垸组成，是江汉平原有名的“水袋子”［３，４］，“水高田低，雨汛同期，气候多变，地势各异”导致的涝渍害及低温冷害频繁，涝渍害尤为严重。据统计［３］，与同类地区丰产田相比，涝渍低产田单产水稻低３０％～５０％、油菜低４０％～６０％、大小麦低５０％～７０％，灾害严重的年份甚至绝收，成为阻碍本地区农业持续稳定发展的主要限制因子。

１．２ＥＮＶＩＳＡＴ ＡＳＡＲ ＩＭＭ＿１Ｐ数据介绍

环境卫星（ＥＮＶＩＳＡＴ）是欧空局２００２年３月１日发射的一颗与太阳同步的极轨卫星，可以提供关于大气、海洋、陆地和冰的测量信息及对环境、气候变化进行监测。ＥＮＶＩＳＡＴ 上搭载的ＡＳＡＲ（Ａｄｖａｎｃｅｄ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｒａｄａｒ） 传感器运行波长为５．６ ｃｍ，频率５．３ＧＨｚ（Ｃ波段）。ＡＳＡＲ所有工作模式（Ｉｍａｇｅ模式、Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ模式、Ｗｉｄｅ ｓｗａｔｈ模式、Ｇｌｏｂａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ模式和Ｗａｖｅ模式共５种） 在发射和接收时都可以选择Ｈ或者Ｖ极化（相应得到ＨＨ或ＶＶ极化图像）。ＥＮＶＩSAT ＡＳＡＲ ＩＭＭ＿１Ｐ （ＥＮＶＩSAT ＡＳＡＲ Ｉｍａｇｅ ｍｏｄｅ ｍｅｄｉｕｍ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ）数据为Ｉｍａｇｅ模式１Ｐ产品，尽管其空间分辨率（１５０ ｍ）比ＥＮＶＩSAT ＡＳＡＲ ＩＭＰ低，但辐射分辨率很高，产品像元尺寸为７５ ｍ，是进行土壤涝渍害反演的理想产品［５］。

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１．３ＨＪ－１-Ａ／ＨＪ－１-Ｂ数据介绍

环境与灾害监测预报小卫星ＨＪ－１-Ａ/ＨＪ－１-Ｂ卫星于２００８年９月６日１１∶２５成功发射，ＨＪ－１－Ａ卫星搭载了ＣＣＤ相机和超光谱成像仪（ＨＳＩ），ＨＪ－１－Ｂ卫星搭载了ＣＣＤ相机和红外相机（ＩＲＳ）。在ＨＪ－１－Ａ卫星和ＨＪ－１－Ｂ卫星上均装载的两台ＣＣＤ相机设计原理完全相同，以卫星下点对称放置，平分视场、并行观测，联合完成对地刈幅宽度为７００ｋｍ、地面像元分辨率为３０ ｍ、４个谱段的推扫成像，ＨＪ－１－Ａ卫星和ＨＪ－１－Ｂ卫星的轨道完全相同，相位相差１８０°，两台ＣＣＤ相机组网后重访周期仅为２ ｄ。

２遥感数据预处理

２．１ＥＮＶＩＳＡＴ ＡＳＡＲ ＩＭＭ＿１Ｐ数据预处理

使用２０１０年７月５日、７月８日、７月１１日３ｄ的ＥＮＶＩＳＡＴ ＡＳＡＲ ＩＭＭ＿１Ｐ（以下简称ASAR IMM）数据，从欧空局的网站（ｈｔｔｐｓ：／／ｏａ－ｅｓ．ｅｏ．ｅｓａ．ｉｎｔ）上下载（作者参加了欧空局的Ｃａｔｅｇｏｒｙ １ ｕｓｅ计划），处理软件为ＮＥＳＴ ３Ｃ（Ｔｈｅ nｅｘｔ ＥＳＡ ＳＡＲ tｏｏｌｂｏｘ），首先运用软件中的Ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ功能进行辐射校正，计算每个栅格点的后向散射系数［公式（１）］和后向散射系数入射角校正［公式（２）］，然后利用Ｓｐｅｃｋｌｅ ｆｉｌｔｅｒ功能进行斑点噪音滤波，最后利用Ｇｅｏｍｅｔｒｙ进行几何校正，校正后的数据导出为ＧＥＯＴＩＦ格式在ＥＮＶＩ软件中进行几何精校正。

式中，γ０――入射角校正后的后向散射系数

将７月５日、８日数据融合作为降雨前的ASAR ＩＭＭ数据，１１日数据作为降雨后的ASAR ＩＭＭ数据

２．２ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１数据处理

为验证反演结果，从中国资源卫星网站上下载２０１０年６月３０日、７月１６日二景ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１数据，在ＥＮＶＩ软件中进行辐射计算、大气校正和几何精校正后，将４号、２号、１号波段设置成红、绿、蓝，形成伪彩色图，得到降水前后两景地面真实现状图。

３结果与分析

３．１涝渍害反演指标的确定

将四湖地区土地利用现状图与降水前微波数据（７月５日、７月８日合成的ＡＳＡＲ ＩＭＭ数据）、降水后的微波数据（７月１１日ＡＳＡＲ ＩＭＭ数据）比较分析可知，正常情况下（降水前）ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系数小于０．１２的地区为水域或者人工渔池，主要是因为微波在水面发生镜面反射的结果造成后向散射系数很小，水田尽管也有水，但水稻株高普遍大于２０ ｃｍ，ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系数为水稻植株与水面共同反射的结果，后向散射系数也在０．１２～０．２５，其他地物后向散射系数远高于０．２５，降水后，如果地面出现径流，ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系数因水面镜面反射的作用会较降水前更低，因此确定涝害（地表水出现径流）的指标为降水前后向散射系数介于０．１２～０．２５且降水前后向散射系数大于降水后后向散射系数。满足上述条件的地方说明土壤表面有明显的地表水。

渍害为土壤中的水分过多（超过田间持水量８０％以上）造成的，在没有明显地表水的情况下，土壤中水分含量越多，微波后向散射系数越大，因此在ＡＳＡＲ ＩＭＭ中降水前的后向散射系数明显小于降水后的后向散射系数，确定渍害的反演指标为降水前后向散射系数介于０．１２～０．２５且降水后的后向散射系数较降水前的后向散射系数高０．３０。

运用７月５日、７月８日合成的ＡＳＡＲ ＩＭＭ数据作为降水前微波数据、７月１１日ＡＳＡＲ ＩＭＭ数据作为降水后微波数据，将上述反演指标变成ＩＤＬ语言代入ＥＮＶＩ软件中，得到四湖地区涝渍害空间分布如图２。

３．２涝渍害反演结果的验证

运用与降水前后相距最近的二景无云的ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１数据（２０１０年６月３０日、７月１６日）验证涝渍害反演结果的正确性，７月为长江主汛期，长江主要干渠的水位普遍高于农田高程，因此，只能通过电排方式排水，加上后期降水持续不断，涝渍减少不明显，可以将７月１６日地面状况看作降水后的涝渍分布状况，由于７月１６日ＨＪ－１Ａ－ＣＣＤ１数据大部分为云层遮盖，因此选取监利县朱河镇无云地区作为结果验证区，图３为降雨前后监利县朱河镇合成伪彩色图、ＡＳＡＲ ＩＭＭ数据图和结果图。

图３a中的等值线是由图３b数据生成的，等值线包含的区域其ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系数均小于０．１２。由图３a可以看出，等值线的空间分布与水域的边界空间分布相似，说明用０．１２作为农作物与水域划分的阀门值是比较准确的，而降雨过后，由于地面有明显地表水的聚集，农田被雨水淹没，原来是农田的地方其ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系数小于０．１２，使得等值线明显增大（图３c），图３c中的等值线是由图３d数据生成的，它反映降水后监利县朱河镇ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系数的空间变化，由图３c可知其ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系数小于０．１２区域明显增加，而且与ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１据显示的伪彩色图中浅蓝色部分反映的界线是一样的；图３e中黄色部分为根据涝害指标计算出受害区域，这剔除了原来水域的地方，而与ＨＪ－１－Ａ－ＣＣＤ１数据显示的伪彩色图中看到的受害区域相似，说明遥感反演指标还是很准确的。由于只有三景ＡＳＡＲ ＩＭＭ数据，只能反演四湖地区一部分涝渍害的空间分布（洪湖、江陵、荆州区、荆门的一部分、监利、潜江全部），从图２反演的结果可以看出，四湖地区上部涝渍害很少，而中部则主要受渍害的影响而四湖地区下部主要以涝害为主，这与四湖地区涝渍害空间分布特点是相符合的［１］。

４结论与讨论

微波遥感的全天候特点（因为不受云层的影响）、土壤水分敏感等特点成为反演涝渍害的理想工具。研究提出了ＡＳＡＲ ＩＭＭ数据反演涝渍害的指标，即涝害的指标为降水前后向散射系数介于０．１２～０．２５且降水前后向散射系数大于降水后后向散射系数；渍害的反演指标为降水前后向散射系数介于０．１２～０．２５且降水后的后向散射系数较降水前的后向散射系数高０．３０。通过利用高分辨率ＨＪ－１-Ａ－ＣＣＤ１数据分析比较表明反演指标还是比较准确的。

影响ＡＳＡＲ ＩＭＭ后向散射系数除了与土壤水分有关以外，还与农作物株高和叶面积系数有关，如何在反演指标中考虑农作物株高和叶面积系数的影响是将来涝渍害反演研究的重点。

参考文献：

［１］ 朱建强． 易涝易渍农田排水应用基础研究［Ｍ］． 北京：科学出版社，２００７．

［２］ 徐瑞瑚，杨礼茂． 江汉平原渍害田机理与地下排水治渍［Ｊ］． 地域研究与开发，１９９５，１４（４）：６１－６６．

［３］ 蔡述明，王学雷，黄进良，等．江汉平原四湖地区区域开发与农业持续发展［Ｍ］． 北京：科学出版社，１９９６． ２８－６４．

［４］ 李劲峰，李蓉蓉，李仁东． 四湖地区湖泊水域萎缩及其洪涝灾害研究［Ｊ］． 长江流域资源与环境，２０００，９（２）：２６５－２６８．

［５］ ＨＯＬＡＨ Ｎ，ＢＡＧＨＤＡＤＩ Ｎ，ＺＲＩＢＩ Ｍ，ｅｔ ａｌ． Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ＡＳＡＲ／ＥＮＶＩＳＡＴ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｖｅｒ ｂａｒｅ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｆｉｅｌｄｓ［Ｊ］． Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ oｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ２００５，９６（１）：７８－８６．

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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