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    高分三號衛星水體自動提取應用
    發布時間:2020-07-06

      我國洪澇、干旱災害和水資源短缺等水問題突出,地面監測系統目前還不能實現全面覆蓋。高分三號衛星具有全天候全天時對地觀測能力,可以不分晝夜、陰雨天氣進行對地觀測。針對洪澇災害監測、水資源管理等水利應用需求,基于可以常態化接收的國產雷達數據,實現水體的自動化提取,可以補充地面監測能力的不足,在提升我國水利監測能力方面發揮重要作用。


      常用的雷達水體提取技術包括目視解譯、監督分類、紋理特征分析、動態輪廓模型、閾值分割等。閾值分割法是應用最為廣泛的水體提取方法,其原理是設定閾值分割雷達影像,將圖像中小于閾值部分標記為水體,大于閾值部分標記為背景,獲得水體范圍二值圖。該方法易于實現,速度快,但難點在于閾值的確定。最直接的方式是通過人機交互的方式選取閾值,但當處理大批量數據時效率低下,并且獲取的結果主觀性強,可追蹤性差。針對人機交互閾值選取方法上的不便,自動化閾值選取方法被應用到水體提取算法中。常用的自動閾值分割選取方法有雙峰法、OTSU 方法、最大熵閾值法和最小誤差閾值法。


      出于自動化、業務化的考慮,所應用的雷達水體提取方法應具有簡單、穩定、快速的特點,并具有滿足業務需求的提取精度。結合上述常用水體提取方法,文章采用雙峰法進行業務化水體提取工作。直觀上說,雙峰法尋找閾值的過程,是根據雷達影像后向散射系數統計分布直方圖呈現出的雙峰值特征、在兩峰之間尋找波谷的過程。


      為了驗證雷達水體提取算法的有效性,在全國范圍內選取了3個典型湖庫進行實驗,分別是云南省陽宗海、江蘇省洪澤湖和北京市密云水庫。結論:(1)直方圖呈現典型的雙峰特征分布,水體和背景像元被自動化尋找的閾值有效分割;(2)水體提取的精度對極化方式的選取并不敏感。



    陽宗海試驗區:
    a 后向散射系數影像
    b 水體提取結果
    c 后向散射系數直方圖



    洪澤湖實驗區:
    a 后向散射系數影像
    b 水體提取結果
    c 后向散射系數直方圖



    密云水庫實驗區:
    a 后向散射系數影像
    b 水體提取結果
    c 后向散射系數直方圖


      實驗證明基于單景雷達影像自動提取水體的理論和方法具有可行性,該方法速度快,不需人工選取閾值,具有較高精度,能滿足洪澇監測、水資源管理等業務化需求。在合適的軟、硬件運行環境下,利用該自動化算法實現業務化水體提取的流程。



    業務化水體提取流程圖


      高分三號衛星為洪澇監測、旱情監測等水資源管理業務提供了有力的數據支撐?;诟叻秩栍跋裨谒w提取中的巨大應用潛力,該文設計了一種基于影像直方圖自動化閾值分割的水體提取方法。


      該方法簡單、快速且無需人工干預,適用于業務化水體提取任務,分別從理論和實驗兩方面驗證了該方法的有效性,分析了不同極化方式對水體提取進度的影響,發現4種極化方式下的提取精度均能滿足水體提取任務的需求,在批量生產中可以根據實際情況任選一種極化方式的數據提取水體。


      根據實際業務需求整理了高分三號業務化水體提取流程,為自動化完成高分三號SAR數據從數據接收到獲得水體提取結果,提供了規范性操作指導,為湖庫日常監測、洪澇災害監測等涉水事件提供了有力的技術支撐,高效的水體自動提取也為農田水利管理提供了技術支持。后續將進一步開展基于極化SAR的水體提取研究,提高高分三號衛星在水利領域的應用水平。

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