[发明专利]一种溃决洪水淹没范围快速提取方法

说明书

本发明公开了一种溃决洪水淹没范围快速提取方法，该方法通过融合光学影像、SAR影像和DEM数据实现溃决洪水淹没范围快速提取。在无云区，构建光学影像时间序列光谱指数，根据洪水过境前后光谱指数差异，提取已过境洪水区域最佳分离洪水指标及其阈值，进行洪水淹没范围提取；在云层遮挡区，根据洪水过境前后SAR影像后向散射系数的变化，提取VV和VH极化数据和DEM数据构建特征集，以无云区数据构建训练样本，云层覆盖区作为预测样本，采用随机森林算法对云层遮挡区进行过境洪水淹没范围提取。本发明方法能够在不依赖洪水峰值时的遥感影像的前提下快速获取溃决洪水淹没范围，有利于洪水灾害快速评估和应急响应。

技术领域

本发明属于洪水灾害评价领域，具体涉及一种溃决洪水淹没范围快速提取方法。

背景技术

大型滑坡堰塞坝溃决形成的爆发性洪水会对沿岸数百至上千公里造成灾难性破坏，及时准确的洪水范围对评估和减缓灾害至关重要。近年来，利用遥感影像进行洪水范围快速提取的方法开始发展，主要有两类：一类是利用光学影像中水体与非水体的光谱指数差异来进行水陆分离，另一类是利用合成孔径雷达(SAR)遥感数据极化分析进行洪水范围提取。目前这两类方法均需要使用洪水峰值时的遥感影像。山区堰塞坝溃决洪水历时短，难以获取洪水峰值时的遥感数据，给洪水淹没范围快速提取带来了新的难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种溃决洪水淹没范围快速提取方法，在不依赖洪水峰值时的遥感影像的前提下快速获取溃决洪水淹没范围，有利于洪水灾害快速评估和应急响应。

本发明提供的溃决洪水淹没范围快速提取方法，包括以下内容:

(1)数据预处理

准备覆盖洪水灾区的欧洲航天局(ESA)开放的Sentinel系列数据，包括Sentinel-1SAR影像和Sentinel-2光学影像；采用Sentinel应用程序平台SNAP8.0.0对Sentinel-1SAR影像进行校准、去噪、滤波及配准，得到VV和VH极化后向散射系数；在Sen2Cor V2.8插件中对Sentinel-2光学影像进行辐射校准和大气校正；在ArcGIS10.2软件中，按10m的空间分辨率对Sentinel-1和Sentinel-2影像进行重新采样，并重新投影到统一的WGS-84UTM坐标系中。

(2)工作区划分与溃决洪水制图场景分类

在ArcGIS10.2软件的水文分析模块中，利用DEM数据提取集水流域，并将集水流域获取的矢量面转换为多边形，作为集水单元。计算每个集水单元最小高程，将原始DEM与各个集水单元最小高程做差值，获取高差，根据洪水灾情设置高差阈值，进行高差掩膜提取工作区。采用云检测算法将高差掩膜得到的工作区划分为无云区和云层遮挡区，再依据影像采集时间、溃决洪水过境时间和云层覆盖情况，将溃决洪水制图场景分为三种：第一种，无云层遮挡，溃决洪水过境时间与影像时间相同，为光学影像区行进中洪水制图；第二种：无云层遮挡，影像时间滞后于溃决洪水，为光学影像区已过境洪水制图；第三种：云层遮挡，光学影像数据缺失，为SAR影像洪水制图。

(3)基于Sentinel-2光学影像的无云区洪水淹没范围提取

针对无云区行进中洪水，采用水体指数(NDWI)和改进的水体指数(MNDWI)进行淹没范围提取，NDWI阈值为0、MNDWI阈值为0.1，并进行人工目视调整；针对无云区已过境洪水，通过比较归一化植被指数(NDVI)、归一化水体指数(NDWI)、改进的水体指数(MNDWI)和自动水体指数(AWEI_nsh)，选出最佳光谱指数和阈值范围，再进行淹没范围提取。

(4)基于Sentinel-1SAR影像的云层遮挡区洪水淹没范围提取

根据洪水过境前后Sentinel-1SAR影像和DEM数据，创建多类型的特征变量集，采用随机森林算法进行洪水淹没范围预测，具体方法为：