多源遥感数据支持下的淮河流域地表水时空变化及洪涝敏感性评估

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淮河流域地处我国南北区域的自然分界线,近年来,在气候变化与人类活动的影响下,地表水时空变化剧烈,流域易受洪涝灾害侵扰,频繁发生的洪涝灾害严重威胁了人民群众的生命和财产安全。淮河经扬州三江营处汇入长江,洪涝时期,入江口上游地区的水量对长江干流的水位和泥沙含量影响显著。因此,对洪涝灾害期间淹水范围进行精准和快速的监测、探究流域地表水和水体浊度的时空变化规律以及评估流域洪涝敏感性变得更加重要,可提高流域水资源管理以及洪涝灾害监测和预防能力。本研究以淮河流域为研究对象,针对洪涝灾害期间淹水范围监测精准和时效的高要求,提出一种基于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)纹理信息和轻量级梯度提升器(Light Gradient Boosting Machine,Light GBM)算法的新型水体提取方法。基于提出的新型水体提取方法和全球地表水数据集,对淮河流域进行了近40年长时序地表水时空变化监测,并针对2020年淮河大洪水时期的洪涝淹水分布变化进行高时频监测,获取了流域地表水动态,同时对汛期前后的水体浊度进行监测,为相关部门的水资源管理提供参考。在获得地表水体监测信息的基础上,进一步使用频率比和逻辑回归评估了淮河流域的洪涝敏感性并识别易受灾区域,为制定防灾减灾政策提供科学依据。主要内容及结论如下:(1)地表水体提取方法的遥感研究提出一种基于SAR影像纹理与Light GBM算法的新型水体提取方法,与水体指数法、支持向量机、随机森林及梯度提升决策树方法对比表明:在河道区、湖泊区以及洪水淹没区三类典型区域,该方法提取精度均在98%以上,优于其它方法。同时,该方法的运行效率较其它方法提升20-100倍,极大提高了洪涝灾害期间淹水信息应急监测的时效性。(2)地表水时空变化分析及遥感监测研究结合提出的新型水体提取方法与全球地表水数据集对淮河流域进行近40年长时序地表水时空变化监测和高时频的洪涝淹水分布变化监测,并估算洪泽湖、高邮湖汛期前后浊度。研究结果表明,21世纪以来,淮河流域永久性水体面积平均每年增加约28.27km2,季节性水体面积平均每年减少约37.26km2;水体出现频率高值区集中在大型水体中央和河流干流处,低值区集中在大型湖泊边缘和流域内蓄洪区;中游新增的季节性水体占比达到9.12%,在各二级水资源分区中占比最大,新建的水库、蓄洪区以及入海河道成为新增季节性水体;监测淮河中游霍邱-颍上段2020年洪涝得出:6月21日至7月27日为涨水淹没过程,7月27日至9月25日为洪涝退水过程,7月27日淹没面积达到最大值;2016-2020年,洪泽湖、高邮湖汛期后的浊度较汛期前分别增加44.89%、44.54%,2016-2018年浊度逐年减少,2018年达到期间最低。(3)流域洪涝敏感性评估在对洪涝灾害淹水信息进行快速监测的基础上,分别使用频率比和逻辑回归算法构建了洪涝敏感性评估模型并评估其洪涝预测性能,获得了流域洪涝敏感性等级分布图。研究结果表明,基于逻辑回归的洪涝敏感性评估模型预测性能更优,更适用于淮河流域的洪涝敏感性评估;淮河流域极低、低、中、高以及极高风险区域分别占流域总面积的55.91%、16.19%、11.12%、14.95%以及1.84%;中风险及以下区域主要分布于淮河中游以及沂沭泗河,高风险及极高风险区域主要分布于淮河中游以及下游区段;各高风险及极高风险区域主要分布于淮河干流、各大支流中下游以及主要湖泊附近区域。综上所述,本研究基于多源遥感数据对淮河流域地表水体进行提取,分析地表水和浊度信息的时空分布及变化,并在获得地表水体监测信息的基础上,评估了流域的洪涝敏感性,结果可为淮河流域地表水资源可持续发展和洪涝灾害的预防与监测提供参考。
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