2021 年黑龍江省汛期衛(wèi)星遙感水情精細(xì)化監(jiān)測服務(wù)

吳 瓊， 趙夢然，薄 宇

（1.黑龍江省生態(tài)氣象中心,黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

2021 年黑龍江省汛情呈現(xiàn)出明顯的極端性，汛情發(fā)生早、范圍廣，洪水量級大，歷時長。 洪水影響范圍涉及黑龍江、嫩江、松花江等多個流域，省內(nèi)多個水文站水位超過警戒水位或保證水位。 衛(wèi)星遙感技術(shù)具有覆蓋范圍廣、監(jiān)測頻次高、變化直觀等優(yōu)勢，利用風(fēng)云氣象衛(wèi)星進行水體監(jiān)測已經(jīng)成為目前國內(nèi)監(jiān)測的重要手段之一[1-3]，但每種衛(wèi)星監(jiān)測又有其自身的不足。 面對洪澇重特大災(zāi)害，單一的監(jiān)測手段難以滿足災(zāi)害監(jiān)測需求[4],黑龍江省生態(tài)氣象中心打破傳統(tǒng)單一監(jiān)測模式，加強技術(shù)提升，利用風(fēng)云衛(wèi)星、高分衛(wèi)星和雷達衛(wèi)星等多星組網(wǎng)，同時拓展數(shù)據(jù)源，擴大監(jiān)測區(qū)域，綜合多種方式，點面結(jié)合密切跟蹤洪峰發(fā)生發(fā)展動態(tài)， 開展汛期衛(wèi)星遙感水情精細(xì)化監(jiān)測服務(wù)。

2 數(shù)據(jù)來源

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來源為佳木斯氣象衛(wèi)星地面站接收的我國風(fēng)云三號 （FY-3）D 星、B 星衛(wèi)星數(shù)據(jù)、NOAA14 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心下載國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)， 從哥白尼開放數(shù)據(jù)中心下載哨兵一號雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)，同時通過決策部門獲取水利、水文等信息數(shù)據(jù)。

3 水情精細(xì)化監(jiān)測分析方法

3.1 多源衛(wèi)星綜合監(jiān)測

圖1 2021 年7 月12 日與2021 年7 月9 日黑龍江愛輝至遜克段水體面積對比專題圖

圖2 2021 年6 月24 日與2021 年6 月8 日黑龍江鷗浦至三道卡水體面積對比專題圖

圖3 2021 年8 月25 日與2021 年8 月13 日松花江哈爾濱段水體面積對比專題圖

在汛期水情監(jiān)測服務(wù)中應(yīng)用衛(wèi)星監(jiān)測分析遙感應(yīng)用系統(tǒng)(SMART2.0)、高分辨率衛(wèi)星應(yīng)用資料氣象應(yīng)用軟件、衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺(SWAP2.0)等軟件，統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)洪峰發(fā)生發(fā)展動態(tài)，采用風(fēng)云衛(wèi)星、高分衛(wèi)星和雷達衛(wèi)星等多星組網(wǎng)監(jiān)測。 風(fēng)云衛(wèi)星監(jiān)測范圍廣、時間頻率高；高分衛(wèi)星空間分辨率高，監(jiān)測精度可達米級[5]；雷達衛(wèi)星可以穿透云層，克服云雨障礙。 經(jīng)過多星組網(wǎng)，數(shù)據(jù)融合，可以實現(xiàn)全天候，點面結(jié)合的精密監(jiān)測模式。 如圖(1-3), 分別采用了FY3D/MERSI 氣象衛(wèi)星 （250 m 分辨率）、 高分衛(wèi)星（GF1，16 m 分辨率）和歐洲哨兵一號雷達衛(wèi)星（10 m分辨率）對黑龍江、松花江部分江段進行了水體監(jiān)測分析。

3.2 序列化、標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測

根據(jù)經(jīng)緯度信息對黑龍江省境內(nèi)外水體區(qū)域進行了標(biāo)準(zhǔn)化區(qū)塊劃分。 采用5°*5°分割法，將黑龍江省境內(nèi)以及俄羅斯境內(nèi)的結(jié)雅水庫、結(jié)雅河、布列亞河等區(qū)域水體分割成七塊（W01-W07）（圖4），通過修改Smart2 配置文件， 對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)自動分割投影。 根據(jù)重點水體監(jiān)測區(qū)域，進行衛(wèi)星遙感精細(xì)化判識，實現(xiàn)監(jiān)測序列化、標(biāo)準(zhǔn)化，大幅提高產(chǎn)品制作與發(fā)布效率。 據(jù)統(tǒng)計2021 年水情監(jiān)測服務(wù)產(chǎn)品120份，較2020 年增加了92 份。

圖4 黑龍江省境內(nèi)外水體標(biāo)準(zhǔn)化區(qū)塊圖

3.3 跨部門數(shù)據(jù)融合

深化多部門信息共享共建， 主動對接水利水文部門， 利用GIS 軟件通過建立各流域水文站矢量數(shù)據(jù)，在水情監(jiān)測制圖中，以信息提取方式首次引入超警戒水文站點數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)遙感和地理信息數(shù)據(jù)的集成，在防汛決策服務(wù)中取得良好效果，被引入全國天氣會商業(yè)務(wù)中。

3.4 境內(nèi)外水體協(xié)同監(jiān)測

與黑龍江接壤的俄羅斯境內(nèi)結(jié)雅水庫、結(jié)雅河、布列亞河和布列亞水庫水情變化對黑龍江中下游汛情影響非常顯著。 中心密切關(guān)注境內(nèi)外水體變化，制作結(jié)雅水庫精細(xì)矢量， 建立汛期衛(wèi)星遙感長序列數(shù)據(jù)集。 開展歷史上重大洪澇災(zāi)害對比監(jiān)測，最早對比數(shù)據(jù)可追溯到1998 年。 圖5 為利用風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星2021 年6 月22 日與2013 年6 月23 日數(shù)據(jù)對黑龍江上游俄羅斯境內(nèi)結(jié)雅水庫水體面積和黑龍江省境內(nèi)各主要流域水體進行對比監(jiān)測分析。

圖5 2021 年6 月22 日與2013 年6 月22 日黑龍江境內(nèi)外水體對比監(jiān)測圖

3.5 本地化應(yīng)用衛(wèi)星遙感定量產(chǎn)品

黑龍江上游俄羅斯境內(nèi)氣象站點稀少， 且無雷達資料可尋， 利用氣象衛(wèi)星遙感資料所推導(dǎo)出的降水產(chǎn)品可以大大彌補常規(guī)氣象觀測的不足， 為天氣預(yù)報提供更為豐富的降水信息。 在2021 年的汛期服務(wù)中， 生態(tài)中心引進國家衛(wèi)星氣象中心開發(fā)的衛(wèi)星降水估計產(chǎn)品進行本地化應(yīng)用， 制作黑龍江上游區(qū)域降水估計產(chǎn)品， 進一步豐富和完善了衛(wèi)星遙感水情監(jiān)測服務(wù)材料。

3.6 區(qū)域精細(xì)化主動服務(wù)地市

充分響應(yīng)黑龍江省氣象局提出的“1+N”區(qū)域精細(xì)化服務(wù)理念， 在汛期氣象服務(wù)中進行1+N 產(chǎn)品分解定制化服務(wù)，為沿江的大興安嶺、黑河、齊齊哈爾、鶴崗、伊春、佳木斯等6 個受洪峰影響的市（地）提供精細(xì)化決策服務(wù)材料32 份。

4 結(jié)論和探討

相對于前期單一的風(fēng)云衛(wèi)星水體遙感監(jiān)測，目前黑龍江省生態(tài)氣象中心所采用多種手段相結(jié)合的綜合監(jiān)測方式，服務(wù)更具時效性、精細(xì)化、針對性，在防災(zāi)減災(zāi)氣象服務(wù)保障中發(fā)揮了重要作用， 取得良好的社會效益，為抗洪搶險、科學(xué)調(diào)度提供了決策依據(jù)。

目前數(shù)據(jù)來源主要依托佳木斯氣象衛(wèi)星地面站傳輸?shù)娘L(fēng)云系列數(shù)據(jù)， 高分衛(wèi)星和哨兵衛(wèi)星等高分辨率衛(wèi)星在數(shù)據(jù)獲取上仍存在一定困難， 下載時間慢，重訪周期長，對服務(wù)時效有一定影響。 另外，水利、水文數(shù)據(jù)獲取也存在問題，希望在后續(xù)工作中進一步加強部門合作，暢通信息獲取渠道，深度融入地方防災(zāi)減災(zāi)指揮體系， 全面提升汛期氣象服務(wù)保障工作能力。