光学和SAR遥感数据在赵村水库水体监测中的应用.pdf

第 卷 第期 年月遥 感 信 息 ，收稿日期：修订日期：作者简介：许晟铭（），男，本科生，主要研究方向为遥感科学与技术。犈 犿 犪 犻 犾：光学和犛 犃 犚遥感数据在赵村水库水体监测中的应用许晟铭（河海大学 地球科学与工程学院，南京 ）摘要：为了解决传统水库监测管理手段效率低下的问题，采用光学影像和 影像数据对水库水体进行提取，实现对水库水域面积的动态监测。对比分析了多种水体提取方法在赵村水库的适用性，并结合现场调研的实际情况，分析了降雨量、水域面积和水位之间的关系。此外，利用数字高程模型对水库淹没区进行了模拟计算，得出了不同坝高设计下的淹没区域面积，并结合遥感影像进行了可视化展示。研究结果表明，光学影像和 影像数据相结合的方法可以准确提取水库水体信息，结果与实地调研数据相符，可为后续的水库监测预警工作提供有效的数据支持。关键词：光学影像；影像；水体提取；犱 狅 犻：中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犗 狆 狋 犻 犮 犪 犾 犪 狀 犱犛 犃 犚犛 犪 狋 犲 犾 犾 犻 狋 犲犇 犪 狋 犪 犻 狀犣 犺 犪 狅 犮 狌 狀犚 犲 狊 犲 狉 狏 狅 犻 狉犠 犪 狋 犲 狉犕 狅 狀 犻 狋 狅 狉 犻 狀 犵 （犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犳犈 犪 狉 狋 犺犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊犪 狀 犱犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵，犎 狅 犺 犪 犻犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犖 犪 狀 犼 犻 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；引言河流、湖泊和水库等季节性变化明显的地表水体在全球气候系统和全球生态方面具有不可替代的作用。人类活动、环境突变以及气候变化会对地表水体产生影响，进而影响生态环境、生物多样性和人类的生存条件。因此，分析全球地表水的流量、分布和储存是了解水文和生化循环以及水资源管理的一个重要课题。水库是开发利用水资源和防治水灾害的重要工程措施之一，对防洪、供水、生态、发引用格式：许晟铭光学和 遥感数据在赵村水库水体监测中的应用遥感信息，（）：电、航运等至关重要，研究水库水体动态监测对水库管理具有极其 重 要的 意 义和 价 值。通 过 遥 感技术对水库水面积进行反演，有助于及时掌握降水量与水库水位变化之间的关系，总结以往的防洪泄洪经验并提前进行洪涝灾害的预警模拟，设计合理 的 坝 高 来 提 高 防 洪 泄 洪 能 力，减 少 淹 没损失。我国水库生态环境保护工作起步晚、不成熟，缺乏科学的监测和治理方法，导致水库工程不能充分地发挥作用。水库管理工作与信息技术的结合度较低，测绘、采样等监测管理工作依然主要由人工完成，从而降低了中国水库生态环境保护管理的实效。得益于遥感技术的发展，利用遥感数据进行长 时间动 态 分 析 已成 为 水库 监 控 的 重 要手段。基于遥感影像的光谱特征和图像处理技术，通过分析影像中水体的光谱、纹理和空间特征，将水体从其他地物中提取出来。光学遥感影像具有丰富的光谱信息和高分辨率的空间信息，能够获取地表特征和水体几何信息，从而提取水体，特别是对于存在复杂地物混合或与其他地物相似的水体环境，提取效果较好，因此得到了较好的应用。其不足之处是容易受到云雾干扰，与光学影像相比，雷达影像受天气和云层的影响较小，具有较强的穿透能力，并具备全天候观测能力 。本文针对赵村水库天气复杂、植被交错的条件及长时间监测的需求，采用了光学影像和雷达影像相结合的方法，以提高水库水体提取的准确性和可靠性。分析和对比指数法、监督分类法和深度学习在水体提取方面的性能，在此基础上，利用数字高程模型（，）对赵村水库的淹没区进行模拟计算，为洪涝灾害的评估、分析和预测提供数据支持。研究区域赵村水库位于南京市江宁区，是江宁区最大的水库，总库容达到 （图）。作为南京市库区安全建设及生态建设的标杆，赵村水库在防洪灌溉、生态保护等方面发挥着不可或缺的作用。降水量较大的年份，水位会出现大幅上涨，只有实现库区及时管控、合理应对，才能避免损失。为更合理管控水库的水位变化，研究降水量、水域面积之间的联系，增强应对极端天气的能力，减少人为失误，做出防护应对策略极为重要。图研究区域赵村水库研究方法 研究数据）光学遥感数据。本研究选择了历史数据丰富且免费对外公开的哨兵二号卫星的多光谱数据进行光学遥感分析。相较于陆地卫星，哨兵二号卫星具有更高的光谱分辨率，可提供涵盖可见光、近红外线与短波红外线的 个波段影像，并且图像中还包含云光谱波段。此外，由于哨兵卫星系统数量较多，能够提供更好的时间和空间解决方案，可用于森林监测、水质监测、土地覆盖变化侦测、天然灾害管理等遥测分析。本文使用的哨兵二号卫星数据来自 平台提供的“”数据集，采用已经过辐射定标和几何校正的 地表反射率产品。）合 成 孔 径 雷 达（，）遥感数据。本文使用了来自哨兵一号卫星的 图像。哨兵一号是欧洲航天局哥白尼计划的一部分，由两颗极轨道卫星（哨兵一号和哨兵一号）组成。卫星使用波段的合成孔径雷达，中心频率为 ，可以在任何天气和光照条件下获取图像。为了获取更高的性能，本研究使用了地面范围检测（，）产品级数据，这些 数 据 是 通 过 宽 幅 干 涉（，）扫描模式获得的。该扫描模式从相对轨道 幅宽 的卫星扫描幅中获取数据。哨兵一号的数据可以通过阿拉斯加卫星设施门户的数据搜索平台（）或哥白尼数据开放获取中心（）获得。所有采集的图像的空间分辨率为 ，并具有（垂直水平）和（垂直垂直）的偏振配置类型。本文选取 年月到 年月份的哨兵一号和哨兵二号卫星影像数据，用于赵村水库水域面积的动态监测研究（表）。遥 感 信 息 年期表遥感影像数据源序号数据源数据描述时相哨兵二号 级影像数据 哨兵一号 影像 数据 光学影像遥感水体提取）数据处理流程。光学影像遥感数据处理流程如图所示。首先，输入哨兵二号 数据；然后，经过重采样、裁剪、导出 文件、分类算法；最后，进行水体面积计算。图光学影像处理流程需要说明的是，如果采用深度学习需要制作测试集、训练集和验证集，对深度学习模型进行改进和训练，然后对水体进行提取。）提取方法。在提取地表水体和区域信息的过程中，基于数学原理的光谱指数非常重要。使用光谱带获取地球表面水的信息有两种方法。第一种方法是单波段法，该方法包括选择波段并设置区分陆地和水域的阈值。第二种即更有效的方法是使用多频带方法。该提取方法包括计算两个光谱带之间的比率，第一个是代表可见波长区域电磁辐射，第二个代表近红外辐射。在此基础上，研究人员设计了几种用于水提取的光谱指数，以获得水面信息。用于提取水体使用最广泛的光谱指数是归一化水差指数（，）。指数的主要原理是通过利用水体在绿色波段 的高反射率及其在近红外波段 的低反射率，并结合植被和土壤特征对 的高反射率，完成水体提取。提取水体的另一种方法是修正标准化水差指数（，），该方法在 年被提出。它使用可见绿光和短波红外辐射 进行计算，与 相比，辐射的吸收更强。由此可见，如果多光谱图像包含 波段，则使用光谱指数 进行水提取更加合理。使用 指数的显著优势在于检测城市区域的水体，其缺点是对含沙量高的水体检测能力较弱。研究人员一直在改进和细化水体提取计算的方法。近年来开发了一些指数来试图消除误导性信息，例如地形阴影、云阴影、建筑面积、雪和冰。为此，在 年提出了由两个独立指数组成的自动取水指数。第一个指数是 指数，旨在有效消除非水像素，包括城市背景区域的深色建筑表面。该 指 数 有 效 地 增 强 了 水 像 素 与 非 水 源 的 分 离。指数对包含阴影的像素的消除不充分且效率低下。为此，研究人员提出了 指数 来进一步提高水体提取的准确性。高反射表面是误导水体错误分类的重要因素。典型的物体包括冰、雪或城市地区的某些类型的屋顶。其相对于 指数的一个显著改进是将蓝色波段 纳入计算公式中。提取方法除指数法以外还有机器学习的方法。支持向量机（，）是一种监督学习模型，既能分析数据、辨识模式，还支持类别划分及回归分析。通过给定一组训练样本，每条记录标记所属类别，使用支持向量机算法进行训练，并建立一个模型，对新数据实例进行映射，使得所属不同类别的实例是由一个差距明显且尽可能宽的划分表示。新的实例则映射于同一空间中，并根据所处间隙对其是否为同类别进行判定。现在 也被扩展到处理多分类问题。选择高斯径向基核函数，其对应于某一变换空间中的内积。近年来，深度学习方法也在图像处理及信息提取方面成为该领域研究的热门，深度学习以其高效的特征学习能力在遥感影像解译方面取得了长足发展。与指数法和监督分类法相比，深度学习可以通过制作大量不同种类水体的数据集来提取特征，提高分类精度和稳定性，弥补传统方法的不足。深度学习领域新提出的 网络在图像信息提取方面得到了广泛应用。与常见的卷积神经网络等模型相比，网络拥有关注全局信息建模的能力，且其独特的滑动窗口模块使引用格式：许晟铭光学和 遥感数据在赵村水库水体监测中的应用遥感信息，（）：信息之间可以进行跨窗口的特征交互，能够有效扩大感受野，提升目标提取的效率 。犛 犃 犚影像水体提取）数据处理流程。影像水体提取采用欧空局哨兵一号 数据。哨兵一号雷达数据产品分为 、，数据包含单视复数影像 和地距影像 ，其中 数据为原始数据，要经过一系列预处理工作才可以进行后续的操作，处理流程如图所示。图哨兵一号犛 犃 犚影像预处理流程）提取方法。基于雷达影像的微波反射率和散射机制，可以结合土地覆盖和地形等因素，利用哨兵一号双极化水指数（，）方法的双极化数据相乘来增强水体特征，同时可以减弱土壤和植被的特征，从而实现水体的准确提取，如式（）所示。（）（）式中：与为 影像常用的极化方式。除此之外还有、极化方式，其中表示垂直发射、垂直接收；表示垂直发射、水平接收。综合考虑到赵村地物覆盖复杂、地形变化较大的特点，利用 方法可以鲁棒性地处理地物覆盖和地形变化因素，进一步提升水体识别和提取的精度。）准确性评估指标。本文借助个准确率统计指标评估水体提取结果的准确性：生产者准确率（，）、用 户 准 确 率（，）、总 体 准 确 率（，）和 统计系数。水体面积计算对哨兵二号光学影像数据，可以通过 软件对裁剪后的 数据利用 水体归一化指数进行水体提取，以便对水面积的变化情况进行直观的分析。对哨兵一号 影像数据按区域范围进行数据裁剪后，将得到的 数据利用水体指数法在 软件上进行处理，同时与上述流程中所得的 光学影像对比分析以便更精确地确定阈值。进行阈值分离后导出水体矢量文件，再利用 进行计算。在此计算的过程中，由于坐标源坐标系为 ，为椭圆投影坐标系，无法直接进行计算，故本文选择投影为平面坐标系 ，进行计算求得水体面积，计算流程如图所示。图水体面积计算流程 淹没分析淹没分析主要基于 和 单流向算法，得到水库的集水区，再通过坝口高度设定，模拟淹没区计算。单流向算法是指在某个点周围的个方向中，水流只能流向最陡峭的方向。将一个区域分为多个网格单元，并计算每个网格单元的水流方向，从而确定水流的路径和流向。原理可以简述为确定 中每个格点的高程值和坐标位置，将 分为多个网格单元，并计算每个网格单元的坡度，进而确定每个网格单元的水流方向，即该点的最大坡度方向。根据每个网格单元的水流方向，建立流向网络，从而计算出每个网格单元的累计流量。对流向分析结果进行栅格累积计算，可以得到流量统计数据。通过确定出水口的位置，可以确定集水区的位置，最终得出淹没分析的结果。利用 软件中的水文分析工具，对水库区域 数据进行一系列的水文分析计算，从而得到水库的集水区，然后再通过坝口高度设定，模拟淹没区计算。详细流程如图所示。图淹没区计算流程结果分析 水体提取结果分析本节对以上水体提取算法进行仿真分析，结果如图图及表所示。其中，图图为水库遥 感 信 息 年期在不同条件不同算法下的提取结果，图为光线适中条件下的提取结果，图为光线较强条件的提取结果，图为光线较暗条件下的提取结果。图中，子图（）为 遥 感 图 像、子 图（）子 图（）分 别 为 、算法的水体提取结果。图光线适中条件下不同算法水体提取结果对比图光线较强条件下不同算法水体提取结果对比引用格式：许晟铭光学和 遥感数据在赵村水库水体监测中的应用遥感信息，（）：图光线较暗条件下不同算法水体提取结果对比从图可以看出，在光线比较适中的条件下，各水体提取算法得到的水体基本相近，都比较接近真实情况。从图可以看出，在光线较强的情况下，和 能够规避掉由于光照强度太大而带来的反射干扰，提取结果较好。从图可以看出，在光线较暗的条件下，由于 算法引入 波段，相比于 具有更好的提取效果。对比图、图、图中的子图（）可以看出，的处理结果基本不受光照影响，提取的准确率比较相近，可以在光照太强、太弱或存在云雾遮挡的情况下作为光学遥感图像的补充，辅助光学方法进行水体识别。从表中的数据也可以更加直观地验证以上结果。图为 年之间的水面积详细分布图，横坐标为采集时间序列，纵坐标为反演得到的水面积。从图可以看出赵村水库每年的水面积变化，从而分析每个月的降水情况，可为研究周边环境和气候、赵村水库的监测和预警提供参考。表不同算法的水体提取精度光线条件提取方法 适中 较强 遥 感 信 息 年期续表光线条件提取方法 较暗 图赵村水库 年水面积变化通过图可 以 看 出，赵 村 水 库 年 以 及 年 水 面 积 波 动 不 大，水 面 积 主 要 集 中 在，并且其水面积于月份呈现下降趋势，而处于汛期、月份的数据则比前几个月份的数据值略高。经调研得知，此现象与水库的调洪措施有直接的关系。江淮地区的汛期时间主要为 月，在汛期期间降水量较大，为了保证下游河床的安全，水库在汛期时会削减下游洪水量，从而使得下泄洪水与区间洪水遭遇时完成错峰。为实现此目的，水库一般会在汛期来临前释放出一定的库容，由此便可以 解释汛 期 来 临 前卫 星 影 像 下 水 面 积 的变化。从 年下半年到 年数据可以看出，水面积发生了明显的下降。年 月到 年月份水面积降到了最低，对照赵村水库的调研数据得知，此段时间水位下降到 ，对应库容 。经调研得知，年，江苏省全省降水量普遍较低、上游来水量较低，出现了罕见的全年四季连旱，全省年平均降水量 ，位列历史倒数第位，比常年同期偏少，其中淮河流域的年平均降水量仅为 ，排历史同时期倒数第一。对于卫星影像中水面积大范围波动的 年月中旬至 年月初，经调查，江苏省全省平均降水量，较常年同期偏少，再次发生气象干旱，由此便导致了图像上显示的水面积大范围波动。在 年的数据中，整体并未显示较大的水面积波动。经了解得知，年上半年情况偏旱，入梅时间较晚，月 日江苏省才出现入梅后首轮降雨，江苏部分湖库水位止落回涨。但在月中旬至月份的数据中，水面积出现下降的趋势。经调查得知，夏季全球气温异常，多地高温频发，持续时间长，影响范围广，导致各地旱情严重，江苏省同样持续高温少雨，来水严重偏少，淮河以南地区湖库蓄水明显不足。截至月 日，赵村水库的卫星影像水面积数据并未出现明显下降，但已经出现了小范围下降态势。图 为水库 年依据不同算法得到的水面积平均值。横坐标为时间轴，纵坐标为一年内得到的平均水面积均值。从图 可以看出，各种算法在提取赵村水库的水体方面都表现良好，反演得到的水面积在一段时间内的均值存在差异但是差异不大，可用于水库水体面积的提取。可以充分利用光学和 遥感卫星的优势，相互补充，实现对水库水体的动态监测。图 赵村水库 年不同算法得到的水体面积 淹没区分析本节展示了淹没区分析结果，图 和图 为淹没区域和坝高仿真结果，坝高为 。表为误差分析表。引用格式：许晟铭光学和 遥感数据在赵村水库水体监测中的应用遥感信息，（）：图 水库淹没区模拟图 水库淹没区模拟表淹没区域误差分析年份计算量实测值绝对误差相对误差 从图 和图 水库淹没区分析结果可以看出，随着坝口高度的增加，淹没区范围也在一直增加。如何合理地设计坝口，最大限度减少生态的破坏，同时又能更好地调节水库泄洪功能尤为重要。从表可知预测值和实测值之间偏差在 以内，结 果 可 为 实 际 淹 没 区 域 预 测 提 供 较 可 靠参考。结合遥感影像，可更直观地展示淹没区的范围，为灾 害 受 损土 地 类 型、土 地 面 积 评 估 做 数 据支撑。结束语本文在水库水域面积的动态监测方面，结合光学 和 雷 达 遥 感 数 据 的 提 取 方 法 对 赵 村 水 库 在 年 的 水 域 面 积 进 行 了 研 究。采 用 、方法对赵村水库水体进行了提取并对水位变化进行了分析，综合考虑降水量、水位数据以及实地考察调研数据进行分析。研究结果表明，卫星遥感水体分析提取的结果与实际情况基本一致。研究同时对比分析了各种方法在赵村水库监测中的可行性。此外，利用 数据结合 单流向算法，设定不同的坝口高度，对水库淹没区域进行了模拟计算，为水库的规划设计和淹没灾后评估提供了数据支持。综上所述，采用光学和雷达遥感数据相结合的方法可以快速、客观地反映水库水域面积的状态和变化。该方法为水域面积的监测提取提供了快速有效的解决方案，并可辅助水库的监测预警工作。参考文献史卓琳，黄昌河流水情要素遥感研究进展地理科学进展，（）：，：，：，：刘畅，唐海蓉，计璐艳，等长时间序列 年密云水库水面信息遥感监测与分析遥感学报，（）：周斌，李航，李晶，等高分一号遥感数据的水体面积监测测绘与空间地理信息，（）：，：，遥 感 信 息 年期 ，：，：，：（），：（），：，：，：，：，：刘彦德，王竞雪一种改进 网络的资源三号水体提取方法遥感信息，（）：，：，：，：，：，：，：，“”，：，：刘学军，张平，朱荣 坡度计算的适宜窗口分析测绘学报，（）：，（）：