基于Sentinel-1_2的邛海水体提取方法研究.pdf
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1、 年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:作者简介:青玲萱(),女,硕士研究生,主要研究G I S与水资源环境遥感方向.通讯作者:杨存建(),男,博士,教授,主要研究遥感与G I S应用研究方向.基基于于SS ee nn tt ii nn ee ll /的的邛邛海海水水体体提提取取方方法法研研究究青玲萱,苏子昕,王 鑫,薛飞阳,杨存建(四川师范大学 地理与资源科学学院,西南土地资源评价与监测教育部重点实验室,四川 成都 )摘要:地表水体提取是进行水体水环境监测和水平衡变化过程研究的基
2、石.邛海是西昌市的“母亲湖”,对城市的全面发展和居民的生产生活有着重要的影响.通过S e n t i n e l 和S e n t i n e l 遥感影像数据,辅以E S A土地覆盖数据和全球河湖矢量数据,以邛海地表水体为研究对象,基于阈值法,利用S DW I双极化水体指数和N DW I水体指数法实现了对邛海及周边细小水体的提取,结果表明:总体分类精度达到 ,K a p p a系数为 .其中水体区域用户精度达到 ,错分误差为 ,制图精度达到 ,漏分误差为 ;非水体区域用户精度为 ,错分误差为 ,制图精度为 ,漏分误差为 .通过实验对比验证了遥感影像与光学影像结合处理对于水体提取研究的可行性和
3、S e n t i n e l/影像在水体相关研究上的适用性,可为研究邛海水质和水量时空变化、水资源管理与保护等问题提供一定的参考.关键词:邛海;S e n t i n e l数据;水体提取中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:()S t u d yo nW a t e rE x t r a c t i o nM e t h o do fQ i o n g h a iL a k eB a s e do nS e n t i n e l/Q i n gL i n g x u a n,S uZ i x i n,W a n gX i n,X u eF e i y a n g,Y a n gC u
4、n j i a n(K e yL a b o r a t o r yo ft h eE v a l u a t i o na n dM o n i t o r i n go fS o u t h w e s tL a n dR e s o u r c e s(M i n i s t r yo fE d u c a t i o n),F a c u l t yo fG e o g r a p h yR e s o u r c eS c i e n c e s,S i c h u a nN o r m a lU n i v e r s i t y,C h e n g d u,S i c h u a
5、 n ,C h i n a)A b s t r a c t:S u r f a c ew a t e re x t r a c t i o ni st h ec o r n e r s t o n eo fw a t e re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n ga n dr e s e a r c ho nw a t e rb a l a n c ec h a n g e s Q i o n g h a i i s t h e m o t h e r l a k e o fX i c h a n gC i t y,w h i c hh a sas i
6、g n i f i c a n t i m p a c to nt h ec o m p r e h e n s i v ed e v e l o p m e n t o f t h e c i t ya n d t h ep r o d u c t i o na n d l i f eo f r e s i d e n t s T a k i n gQ i o n g h a i L a k es u r f a c ew a t e rb o d ya s t h e r e s e a r c ho b j e c t,t h i sp a p e ru s e sS e n t i n
7、 e l a n dS e n t i n e l r e m o t e s e n s i n g i m a g ed a t a,s u p p l e m e n t e db yE S Al a n dc o v e rd a t aa n dg l o b a l r i v e r a n d l a k ev e c t o rd a t a B a s e do n t h r e s h o l dm e t h o d,S DW Id u a l p o l a r i z a t i o nw a t e rb o d yi n d e xa n dN DW Iw a
8、 t e rb o d yi n d e xm e t h o da r eu s e dt oe x t r a c tQ i o n g h a iL a k ea n ds u r r o u n d i n gs m a l lw a t e rb o d i e s T h eo v e r a l lc l a s s i f i c a t i o na c c u r a c yr e a c h e s ,a n dK a p p ac o e f f i c i e n t i s T h eu s e ra c c u r a c yi nt h ew a t e ra
9、r e ar e a c h e s ;t h em i s c l a s s i f i c a t i o ne r r o r i s ;t h em a p p i n ga c c u r a c yr e a c h e s ,a n dt h em i s c l a s s i f i c a t i o ne r r o r i s ;T h eu s e ra c c u r a c yi nn o nw a t e ra r e a si s ;t h em i s c l a s s i f i c a t i o ne r r o ri s ;t h em a p
10、p i n ga c c u r a c y i s ,a n dt h em i s c l a s s i f i c a t i o ne r r o r i s T h ef e a s i b i l i t yo fc o m b i n i n gr e m o t es e n s i n g i m a g e sw i t ho p t i c a l i m a g e s f o rw a t e re x t r a c t i o nr e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a b i l i t yo fS e n t i n e
11、l/i m a g e s i nw a t e rr e l a t e dr e s e a r c hw e r ev e r i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o n,w h i c hp r o v i d e sac e r t a i nr e f e r e n c e f o rs t u d y i n gt h es p a t i o t e m p o r a l c h a n g e s i nw a t e rq u a l i t ya n dq u a n t i t y
12、,a sw e l l a sw a t e rr e s o u r c em a n a g e m e n t a n dp r o t e c t i o n i nt h eQ i o n g h a iL a k e K e yw o r d s:Q i o n g h a iL a k e;s e n t i n e l d a t a;w a t e re x t r a c t i o n青玲萱,等:基于S e n t i n e l/的邛海水体提取方法研究绿色创新研究:工程与技术 引言水是生命之源,也是最不可或缺的自然资源之一,覆盖了近 的地球表面.地表水包括地球陆地表面上
13、所有动态水和静态水,动态水包括河流和冰川径流,静态水由湖泊、沼泽、水库和池塘等组成.地表水参与全球水循环,一直处于动态变化中,其变化过程不仅直接反映水体面积变化,也间接作用在周边地域生态系统上,持续影响着农林牧业、产能供电等人类生产生活的方方面面.全球气候变化加剧,水资源呈现差异化的时空表达,旱灾洪灾接连发生,全球多地出现水能管理危机.因此,精准实时地动态获取地表水的时空分布现状,对水资源监测与管理、水旱灾害预防与治理等实际问题具有重要意义.湖泊在全球水循环中发挥着重要作用,具有调洪防旱、优化环境、维持地球生态平衡等环境功能.邛海地处四川省凉山彝族自治州,位于西昌市东南市郊,是四川省第二大淡水
14、湖,属近郊型半封闭型湖泊,被列为四川省饮用水源保护区、自然保护区和国家 A级风景名胜区,是西昌卫星发射基地、城区工农业生产以及居民生活饮用水的水源地,也是国家级风景名胜区和最大的城市湿地公园,.多年来,邛海承担着生产生活供水、防洪抗旱、旅游景观和气候变化调节等职能,是长江上游重要的生态屏障和水源涵养地.高速发展的城市经济、不断扩大的城区面积和蓬勃发展的旅游业等一系列人类活动给生态环境造成了重大影响,邛海生态系统面临着水环境污染与水资源短缺的双重问题,.因此邛海水体的提取对认知了解水资源时空分布、治理水污染等研究很有必要.基于不同地物在遥感影像上的光学表征和结构信息差异,可以利用亮度或像元的差值
15、与分布规律来区分不同地物.随着近年来卫星技术不断发展,影像分辨率得到显著提升,图像处理手段也更为多变,遥感被广泛运用于农林牧运等各个行业.其低廉的成本、宏观动态的监测方式也为地表水的相关研究提供了必要的技术支撑,.而借助卫星遥感数据完成水体边界、面积等水体信息的提取与计算是目前水体监测常用方法之一,多采用L a n d s a t、MO D I S和G F系列等光学数据,以及R a d a r S a t、E NV I S AT,S e n t i n e l 和G F号等雷达数据完成研究.本文通过S e n t i n e l 和S e n t i n e l 遥感影像数据,辅以E S A土
16、地覆盖数据和全球河湖矢量数据,以邛海地表水体为研究对象,实现对邛海及周边细小水体的提取,为研究邛海水体的空间分布状况及其变化规律、洪水监测和维护水环境平衡等工作提供一定的数据支撑.国内外研究现状受限于技术和成本,以往有关地表水的研究大多采用人工调研和野外探测的方法.随后出现的遥感卫星技术打破了传统监测方法和设备的限制,能够动态实时地传输地表监测数据.随着越来越多的高分卫星被应用,更高分辨率的遥感影像也广泛应用于水体相关研究中.目前国内外常用的光学遥感卫星有L a n d s a t、MO D I S、S P O T、I KONO S、Q u i c k b i r d、W o r d v i
17、e w、S e n t i n e l 等,常用的雷达遥感卫星有R a d a r s a t、T e r r a S A RX、S e n t i n e l等.微波遥感可全天候工作,微波不受气象和光照条件变化的干扰,对云层的穿透性也较强,因此也常用于水体研究.雷达影像波段少,地物的后向散射系数、纹理特征和地物轮廓在提取过程中起到关键作用.与其他地物类型相比,水体在S A R影像上的后向散射系数较低,因此往往在图像上表现得较为光滑,整体偏暗.基于雷达影像的水体提取方法有目视解译法、灰度阈值分割法、监督分类法和图像分割法等.灰度阈值分割法是水体提取研究中最常用的方法之一,简易高效,但不易排除噪
18、声等影响,不适用于地形背景复杂的区域.李景刚等 提出了一种新的最大类间方差灰度值法,该方法基于改进类间和类内方差的计算,通过调试以确定最优提取阈值,较好地完成洞庭湖地区不同水体体量下的识别提取.使用监督分类法的提取效果取决于训练样本的确定和分类算法的选择.陈媛媛等 结合多种分析法的S VM算法和地形数据,验证了S e n t i n e l A影像在城市水体提取研究中可行性,该方法能减少山体阴影和淹水期水田对水体提取精度的影响.湛南渝等 基于一种改进的S L I C超像素分割算法对S e n t i n e l 雷达数据中细小水体进行提取研究,利用相似度分割和图像二值化得到目标信息.孙亚勇等
19、通过建立两种不同区域性水体提取模型,对比灾前、灾中的洪水淹没范围以对比该数据在洪水灾害检测中应用情况,从而在S e n t i n e l A数据上完成缅甸伊洛瓦底江下游地区涉洪区域监测.邱凤婷等提出了一种新的基于特征指标的改进S VM水体提取模型,在S A R图像上较好地提取了马哈韦利河流域水体.贾诗超等提出了一种新的基于S e n t i n e l 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期双极化数据的阈值分割法,较好地提取出巢湖和鄱阳湖的水体轮廓及信息.基于光学遥感影像的水体
20、提取方法有阈值法、水体指数法、谱间关系法和分类后提取法等.阈值法的关键在于确定区分水体和其他地物的阈值,这往往需要经过反复试验.M c F e e t e r s 基于归一化植被指数法提出了归一化差异水体指数法(N D W I),这一方法被广泛应用于各类水体提取研究中.X u 提出了一种新的更易去除噪声的归一化差异水体指数(MN DW I),在多建筑背景的影像上有较好的提取效果,在增强开放水域特征的同时减少土地、植被噪声.周春艳等 通过基于面向对象的多尺度影像分割分类方法在Q u i c k B i r d影像上完成城市水体的提取,该种方法大大提升了椒盐噪声的去除比例.虽然在研究过程中由于气候
21、和云层的影响,数据的精度会有所下降,但高分辨率、短运行周期和易获取性还是让其在水体研究领域被广泛使用,.于明洋等通过面向对象分类方法在S P O T影像上分类提取邛海流域地物,验证高分辨率下该方法的可行性.使用多源遥感数据能够很好改善单一数据源难以解决的影像分辨率、研究区地形、气候和水文等因素所造成的不理想提取效果,和D EM或气象等数据资料的协同处理是近年来地表水体提取方法研究的新思路.B i n h等 通过与基于光学遥感影像训练的神经网络水体提取算法对比,完成S e n t i n e l 数据下对湄公河流域水体的监测.周晗等 通过对比多种水体提取方法在斯里兰卡中东部S e n t i n
22、 e l影像上的提取效果,得到了更适合南亚小区域水体的方法.H o n g等 基于阈值法结合S A R、L a n d S a t影像和D EM数据,完成了大幅提升用户精度的洪水水体提取.研究区概况及数据来源 研究区概况邛海位于四川省凉山彝族自治州西昌市境内,地理位置在 N,E.邛海是更新世早期断陷湖,属长江干流金沙江支流雅砻江支流安宁河.邛海形似蜗牛状,湖周有多条山溪小河流入.其水源补充主要有地表径流、降水和溶洞水,.汇入河流主要包括鹅掌河、小青河和官坝河,经海河流入安宁河并汇入雅砻江,.湖泊南北长 k m,东西最宽 k m,平均宽度 k m,海拔为 m,湖水平均深 度 为 m,最 深 处
23、m,蓄 水 量 近 m.邛海地处四川西南部低纬度、高海拔地区,属于中亚热带高原山地气候,冬暖夏凉、干湿分明,降水多在夏秋(月份)两季,占年降雨总量的 以上,年均气温为 .邛海是西昌市区工农业和城镇生活用水的主要来源,也是重要的旅游资源,在 年被列为国家 A级风景名胜区,.数据来源 S e n t i n e l A数据欧空局在哥白尼计划中发射对地观测卫星哨兵号(S e n t i n e l)卫星,分别在 年月和 年月发射了A、B两颗卫星.S e n t i n e l 可以实现全天时、全天候的对地监测,空间分辨率为 m.S e n t i n e l 共有种成像模式:条带成像模式、干涉宽幅模
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- 基于 Sentinel _2 海水 提取 方法 研究
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