水体面积变化自动遥感监测产品介绍与讨论


来源: 航天宏图-张宇航    时间:2016/08/22

1、水体面积监测的重要性

    
水体监测是水利行业的业务核心,监测的内容包括水域范围内水体的面积、水位、库容以及水质等多个方面。其中水体面积的变化监测尤为重要,从面积的变化可以推算库容变化、汛情旱情的严重程度等为水资源调度、防汛抗旱、防灾减灾、水利普查以及渔业养殖等提供数据支撑。

    采用传统方法进行水体面积监测往往要耗费巨大的人力、物力等资源,而遥感有全面、快速、数据量大及更新快的特点,因而遥感技术应用在大范围水域内水体面积的测量中有更大的优势。

2、基于遥感的水体面积自动监测方法与问题分析

    通过知名论文网站的关键字搜索可以看到近400篇论文对水体面积的遥感监测方法进行了论述,其中大部分是对单一水体利用单波段阈值法、谱间关系法、水体指数法以及面向对象等及其优化方法进行水体提取的研究。这些方法的共同问题是只能对部分同质化的水体范围进行监测。在不同区域、不同时相遥感影像水体范围的识别需要人工确定提取范围参数,无法满足全国范围不同水体的自动监测要求。

    基于遥感的水体面积自动监测范围可以是全国、省、指定大区域范围内的多个水体或单一水体。根据监测范围与用途不同,基于遥感的水体面积自动监测可分为大区域单次提取多水体的自动监测与大区域逐一提取多个水体的自动监测。

    大区域单次提取多水体的自动监测由于监测区域广,水体总体面积较大,可基于中低分辨率遥感影像利用传统的水体指数法(NDWI)结合固定的阈值范围进行长时间序列遥感数据的水体面积自动监测。此方法可体现同一时间提取的多个水体在不同季节环境下的变化趋势特征,例如在大区域洪涝或干旱灾害发生时基于遥感的大区域单次提取多水体的面积变化长时间序列自动监测可快速提供大范围水体面积的总体变化趋势分析。

    大区域逐一提取多个水体的自动监测指在大范围监测中逐一精确的提取监测范围内每个水体的面积并拼接为完整的区域化数据,根据提取的成果精确计算被监测水体面积受天气、江河来水等因素影响产生的单一水体面积的细微变化并结合多个水体的变化情况组成水体面积变化大数据的过程。如果直接利用NDWI与固定的阈值范围,虽然可以体现水体特征但一些山区阴影或城市建筑物会很大程度影响提取的精度。航天宏图基于这些问题做了相关技术的研制工作。

3、航天宏图自动水体提取算法的研制

    航天宏图现有员工600余人,拥有多名软件开发以及3S和水文水资源专业的博士、硕士。通过多年在水利行业遥感监测方面的积累,发明了基于中高分辨率卫星遥感数据的水体范围自动化监测方法并已申请专利。主要原理是通过直方图阈值自动分割算法实现,根据图像的直方图阈值(峰或谷)来对图像进行分割,从而将感兴趣的目标水体精确提取,为不同区域和时相遥感数据的自动化水体提取提供了依据。

    在水体指数直方图上,目标或背景峰值位置分布有以下三种情况,不同情况有相应的分割阈值判断方法:

    1)最大峰值位置位于直方图的右侧,说明研究区域内目标水体区域面积较大,从峰值处往左侧遍历,把直方图曲线上第一次发生突变点判断为分割阈值。


图 1 山区水体NDWI直方图曲线


图 2 山区水体提取结果


    2)最大峰值位置位于直方图的左侧,说明研究区域内背景区域面积较大,从峰值处往右侧遍历找出分割阈值。



图 3 洞庭湖NDWI直方图曲线




图4 洞庭湖提取结果

    3)最大峰值位置位于直方图的中部,如果该峰值右侧仍然存在一个较明显的峰值,则该最大峰值为背景峰值,此时采用步骤Ⅱ中的方法寻找分割阈值,否则认为该最大峰值为目标峰值,此时采用步骤Ⅰ中的方法寻找分割阈值。

图 5 薄云覆盖下水体NDWI直方图曲线

图 6 薄云覆盖下水体提取结果


4、水利应用

    全国大中小型水库和面积1平方公里以上湖泊合计约10万多座(个),目前利用高分一号16米宽覆盖数据对这些水库和湖泊水域面积进行实时监测,对干涸水库湖泊个数、水库水体面积分别进行统计,掌握全国主要地表水体动态分布状况,为水源调度提供技术支撑。

    全国水体提取的流程是航天宏图自主研发PIE-SDK结合水利业务需求在PIE集群并行处理平台之上实现的遥感大数据应用。技术流程为通过后台并行自动的正射校正、裁切、水体提取、发布等步骤针对全国10万多大中小型水库和湖泊进行实时自动提取,并在2016年7月份全国范围特大洪涝灾害应急响应中发挥作用。

图 7 全国水体提取并行自动处理监控页面


图 8 上百万数据量的提取结果归纳总结页面


图 9 7月特大暴雨鄱阳湖遥感监测专题图


图 10 7月特大暴雨武汉市PIE自动提取变化检测专题图

5、减灾应用

    水体提取软件基于环境减灾卫星和高分系列卫星数据对地表水体面积进行自动化提取,减少人工干预,提高提取的时效性,尤其在2016年汛期,对全国各地洪涝水体进行快速准确提取,准确率达到95%,为相关部门指导防洪救灾提供科学的数据支撑。

图 11 自动水体提取的人机交互界面

图 12 基于PIE自动水体提取的变化检测


    注:1、2、4三部分由航天宏图卫星应用事业部提供;3由航天宏图产品研发中心提供;5由航天宏图减灾应急事业部提供

版权所有 © 2008-2016    北京航天宏图信息技术股份有限公司

京ICP备08011069号-3    京ICP备08011069号-4     联系电话:400-890-0662