多源高分辨率卫星影像监测黑臭水体的适用性研究

高分辨率卫星的幅宽一般很小,受云雨和轨道回访周期影响,单颗卫星的短时段内覆盖能力有限,因此,单一高分辨率卫星常常无法满足一定时段内的黑臭水体监测需求,需要多源卫星协同监测黑臭水体。为了分析多源高分辨率影像对黑臭水体遥感监测的适用性,本文基于地物光谱仪实测的水体遥感反射率数据,以GeoEye-1、WorldView-2、北京二号(DMC3)、高景一号SV1(SuperView-1)以及GF-PMS系列(GF-1/1B/1C/1D、GF-2、GF-6)传感器波段进行等效计算,结果表明:(1)采用反射率比值模型——BOI(Black and Odorous water Index)模型,GeoEye-1、WorldView-2、SuperView-1和GF-1/1B/1C/1D/2/6影像识别黑臭水体正确率均较高,分别为89.5%、89.5%、92.1%和92.1%。(2)BOI模型不适用于DMC3,这里采用了归一化水体指数NDWI≤0.55判别黑臭水体,识别正确率为89.5%。(3)BOI模型应用于仅有的2景同步卫星影像——GF-2影像,经实测数据验证,识别精度为83.3%,精度较高。针对通州区内的某重叠区,2016年—2021年10颗多源卫星影像协同观测的结果一致性较好,表明了多源遥感影像监测黑臭水体的适用性较好。综合考虑卫星影像空间分辨率和采购成本,给出了合理的协同观测建议。     

基于GF-1卫星影像的改进SWI水体提取方法

大尺度高精度山区河流信息提取是我国干旱区水资源开发利用的关键技术,而利用遥感影像提取水资源信息存在水体与山区阴影难以区分的瓶颈。以GF-1号卫星2 m分辨率全色波段影像和8 m分辨率多光谱影像为数据源,选取新疆特克斯河流域巴喀勒克水库为研究区,提出改进的阴影水体指数法(modified shade water index,MSWI)进行水体信息提取;同时运用单波段阈值法、NDWI法、单波段法与阴影水体指数法(shade water indes,SWI)相结合的决策树分类法(简称SWI)以及单波段法与MSWI相结合的决策树分类法(简称MSWI)分别对研究区水体信息进行提取,并进行了对比分析。研究结果表明,前2种方法与SWI和MSWI法相比,效果稍差;而SWI和MSWI法分类效果较好,其中MSWI比SWI法分类总精度高0.94%,提高了高分辨率遥感影像的解译精度,可为国产高分系列卫星影像在干旱区水资源信息提取中的应用提供技术支持。     

高分二号的沈阳市黑臭水体遥感识别

中国城市黑臭水体情况严重,基于遥感监测黑臭水体刚刚起步,很多问题待解决。以沈阳市城市建成区内主要河流为研究区,于2015年—2016年开展地面调查,获取了浑河和蒲河46个一般水体的样点,和辉山明渠、满堂河、细河以及微山湖路附近、丁香湖北部50个黑臭水体的样点数据,包括水面光谱和主要水质参数。分析了黑臭水体与一般水体的光谱特征,发现城市黑臭水体反射率光谱在绿光—红光波段变化比一般水体平缓,基于这一特点提出了一种基于反射率光谱指数BOI(Black and Odorous water Index)的黑臭水体识别模型,并将其与红绿波段比值指数进行对比,具有更好的识别精度。结果表明:(1)基于遥感反射率(Rrs)计算的BOI小于0.065时,可判为黑臭水体。(2)由于GF2水体图像精确大气校正存在困难,可以利用瑞利散射校正反射率(Rrc)替代R_(rs),BOI小于阈值0.05时,可判别为黑臭水体;同时模拟证明,当气溶胶光学厚度逐渐增大时,黑臭水体与一般水体的光谱差异将逐渐减小,因此这种方法主要适用于比较清晰的图像、气溶胶光学厚度比较小(如AOT(550)≤0.5时)。(3)基于R_(rc)的BOI模型可以较好的应用于GF2图像上,具有较好的识别精度。对2015年—2016年3景GF-2影像提取的结果显示,满堂河和新开河黑臭现象得到逐步改善,辉山明渠黑臭现象依然严峻。本文发展的黑臭水体遥感识别算法主要是基于沈阳黑臭水体的光谱特征,仅在沈阳市进行了验证,将来还需在其他城市进一步验证,并且需要更多地考虑多种因素对水体反射率的影响。     

太原市黑臭水体遥感识别与地面验证

城市黑臭水体整治是城市水环境治理的一项重要工作。本文通过构建黑臭水体遥感识别模型，解决城市黑臭水体整治过程中黑臭水体的识别问题，实现城市黑臭水体空间分布快速定位与排查。通过分析黑臭水体形成机理和试验数据，从光谱特征上构建反映水体清洁程度的光谱指数（WCI），从图像特征上构建水体颜色、次生环境、河道淤塞、岸边带垃圾堆放等解译标志，综合光谱指数和解译标志共同进行黑臭水体遥感识别。利用该方法对太原市建成区内黑臭水体空间分布进行排查识别，共得到疑似黑臭河段14条，长度为52.530 km。经验证，除去断流影响外，遥感识别黑臭水体点位精度为92.86%，遥感识别黑臭河段长度精度为78.19%。在精度验证基础之上，进一步分析了黑臭水体遥感识别光谱指数和各项解译标志在黑臭识别中所占的权重，其中光谱指数和水体颜色二者权重最大，分别占29.60%和27.10%，是构成遥感识别黑臭水体的主要特征标志。通过两时相影像识别结果比对表明，WCI指数能够明显反应黑臭水体变化特征。因此，利用本文方法进行城市黑臭水体遥感识别具有很高的精度，在城市水环境整治过程中具有重要的应用价值。     

基于GF-2高分辨率遥感影像的水体提取方法研究

针对GF-2卫星影像数据的特点,利用单波段阈值法、多波段算法、归一化水体指数(NDWI)阈值法、单波段阈值法与阴影水体指数(SWI)相结合的决策树法对刘家峡地区的水体信息进行了提取,同时提出一种单波段阈值法与增强阴影水体指数(ESWI)相结合的决策树分类法,并对以上几种水体提取的效果进行比较分析,发现单波段阈值法与ESWI相结合的决策树分类法能够有效地消除绝大部分阴影的影响,且提取效果较SWI的效果要好,NDWI与多波段算法提取效果次之,单波段阈值法提取效果较差.      

基于GF-5高光谱特征分析的水体提取方法研究

针对山区水体、山体阴影与裸地等地类光谱混淆性,基于高分五号(GF-5)影像数据,结合高光谱特征分析构建了山区水体决策树提取模型. 先对水体和相关干扰地类进行高光谱特征分析实现特征波段选取,应用单波段阈值法、多波段谱间关系法、归一化水指数(NDWI)法进行提取实验. 通过比较以上实验不足之处,提出了单波段阈值法与构建的阴影水体指数(SWI)相结合的决策树水体提取模型,以Google Earth高清影像为参考结合实地采样得到的混淆矩阵进行精度评价. 实验结果表明:单波段阈值法与NDWI法易将山体阴影识别为水体,受裸地影响较小;多波段谱间关系法对山体阴影有一定抑制作用,受小面积裸地影响;决策树提取模型能有效抑制山体阴影和裸地影响提取完整水体. 其总体精度为89.39%,Kappa系数为0.82,显著提升了山区水体提取精度.      

面向GF-7影像的绿波改正归一化水体指数构建

针对高分辨率的GF-7卫星影像水体指数构建,本文以南京市浦口区为研究区,提出了一种绿波改正归一化指数（GNDVI）,并用单波段阈值法、NDVI、NDWI、CWI及SBI等方法与其进行精度比较。结果表明,GNDVI指数法总体精度高于其他方法,达97.26%,水体信息更加完整,对山体及建筑物阴影的抑制较好,效果最优。为GF-7遥感影像在水资源保护应用和研究提供了可用的技术参考。     

基于QuickBird影像的城市高大地物阴影检测方法

针对利用高分辨率遥感影像检测阴影时受水体和偏蓝色地物影像的影响问题,提出了一种主成分变换和多波段运算相结合的阴影检测方法。首先,统计、分析了Quick Bird影像中阴影、水体及建筑物等典型地物的光谱特征;然后,基于主成分变换和多波段运算相结合的方法识别阴影区域和非阴影区域,并利用多峰直方图阈值算法对阴影进行自动检测;最后,利用形态学滤波算法对检测结果进行后处理。实验结果表明,该方法对Quick Bird影像中的阴影提取具有较高的精度、效率和普适性。     

基于高分一号遥感影像的农村黑臭水体识别方法研究

农村黑臭水体治理是改善农村人居环境的一项非常重要的内容,黑臭水体识别是黑臭水体治理的前提和基础。本文在反射率光谱指数BOI(Black and Odorous water Index)的黑臭水体识别模型基础上,结合省基础测绘数据、高分辨率数字正射影像等专题资料,提出了基于高分一号(GF-1)遥感影像的农村黑臭水体识别模型,能够初步判别农村黑臭水体分布情况,为快速获取农村黑臭水体空间位置提供了解决方案,在农村黑臭水体治理中具有一定的应用价值。     

基于GF-6的可可西里典型湖泊水体面积提取方法研究

湖泊是气候变化的敏感指示器,快速准确地获取湖泊水体信息对区域气候变化研究、区域生态环境保护和治理具有重要意义。本文基于高分六号(GF-6) WFV数据,以可可西里地区4个湖泊为研究对象,分别采用单波段法、波段差值法、归一化差异水体指数(NDWI)法提取了水体面积,并以目视解译所得结果作为参考标准,对不同方法的提取结果进行了精度评价。结果表明,单波段法易受浅水区水体影响,但受积雪的影响较小,而波段差值法和NDWI法受积雪影响较大;NDWI法虽能有效提取浅水区水体,但仍受一定程度湖底沉积物的影响;波段差值法与单波段法和NDWI法相比,能有效区分浅水区水体和背景地物。     

黑臭水体遥感识别研究进展

黑臭水体对生态环境质量影响严重,加强黑臭水体整治是水环境治理的重要工作。黑臭水体的宏观监测是治理的前提,而遥感技术在宏观监测领域有巨大的优势。目前利用遥感技术识别黑臭水体已有少量研究,本文系统总结了目前黑臭水体遥感识别的研究现状,从反射光谱、水体颜色以及固有光学量3个识别特征分析黑臭水体的光学特性,并分别归纳其识别算法;总结了这些算法可能存在的问题,包括算法通用性问题、大气校正问题导致遥感反射率不准确、对于不同类型水体识别特征出现重叠部分等;最后从进一步挖掘识别特征、进行反射光谱分类、应用机器学习算法3方面对未来的发展趋势进行了展望。     

U-net模型在高分辨率遥感影像水体提取中的应用

选择安徽省巢湖流域为研究区,采用U-net模型和随机森林模型,对高分一号(GF-1)高分辨率遥感影像进行水体信息提取,并对比分析了2种模型的水体提取结果和效率。结果表明:①对于大面积水体,2种模型的水体提取结果均具有较高的精度;②对于小面积水体,随机森林模型水体提取结果存在较多细碎图斑,U-net模型水体提取结果和人工目视解译结果更加符合;③对于遥感影像中城市建筑物阴影和山体阴影,U-net模型能较好地消除阴影影响,正确提取水体,而随机森林模型存在较多将阴影误分为水体的现象;④总体来看,在复杂地表覆盖类型条件下,U-net模型提取水体的总体精度为98. 69%,Kappa系数为0. 95,均高于随机森林模型,在2种模型漏分误差相当的情况下,U-net模型错分误差远小于随机森林模型。U-net模型避免了人工提取分类特征的过程,自动化程度更高,训练效率较高,适用于遥感影像中水体高精度提取。     

一种改进光谱角匹配的水体信息提取方法

快速、准确地从卫星遥感影像上获取水体信息已成为水资源调查及监测、湿地保护、洪涝灾害评估等领域的重要技术手段。本文以GF-4卫星的PMS传感器影像为数据源,提出了一种改进光谱角匹配（MSAM）的水体信息提取方法,以内蒙古中东部和长江中下游两个试验区为研究对象,对比分析了MSAM与单波段阈值法、NDWI阈值法、支持向量机和光谱角匹配等传统方法的水体信息提取结果,并进行了精度评价。试验结果表明,本文提出的MSAM方法不仅能准确地提取水体信息,而且能很好地区分水体与云阴影,对细小水体的提取也具有很好的效果。在内蒙古中部和长江中下游两个试验区的水体提取精度分别达到99.86%和98.37%,在5种水体提取方法中的精度最高,可以有效地提取水体信息。     

GF-2影像中不同水体指数模型提取精度及稳定性分析

针对GF-2卫星影像数据的特点，选取了临夏回族自治州境内两个不同研究区域，分别采用单波段阈值法、归一化差分植被指数法（NDVI）及其他3种水体提取指数法（NDWI、SWI、MSWI）对两个研究区进行水体提取试验。通过分析比较各水体指数模型中阈值对水体提取精度和稳定性的影响，发现研究区1（城区）中单波段阈值法提取效果最高达到71.29，且稳定性较好。研究区2（山区）中MSWI方法提取精度最高为95.76，稳定性较单波段法次之。本文试验为GF-2影像在不同区域进行水体提取时选择不同模型及阈值时提供可靠的参考依据。     

高分三号影像水体信息提取

国内外针对陆地水体信息提取、洪涝灾害快速响应方面具有较深入的研究，但是多采用发展较早、图像质量可靠的可见光影像及国外星载SAR影像。中国合成孔径雷达（SAR）卫星高分三号（GF-3）已获取了大量多极化、全极化SAR数据，为了将GF-3影像快速应用到环境保护、水资源管理等行业中，本研究分析了水体与其他目标具有的不同后向散射特性，将阈值分割法与马尔可夫随机场（MRF）相结合，发展了一种检测精度较高、自动化程度强的水体信息提取方法。该方法首先通过直方图统计的方法对不同成像模式、不同极化的GF-3影像进行后向散射强度分析，在阈值分割的研究基础上，比较了最大类间方差法（Otsu）和Kittler and Illingworth（KI）二值化法在水体-非水体分类中的效果。然后结合DEM和GF-3轨道参数排除因阴影现象产生的辐射失真对图像概率分布的影响，得到初始的水体信息分布图，再经过Fisher变换和马尔可夫随机场（MRF）的迭代运算，综合利用GF-3影像的多极化信息和空间上下文信息，以最大后验概率准则输出最终的水体分布图。利用了湖南省东北部不同成像模式的两景GF-3影像进行试验，在成像时间接近的光学影像中随机选择检验样点进行精度评价。实验结果表明，KI方法在GF-3水体提取应用中比Otsu方法具有更强的优势，剔除图像阴影区域后，自动化确定的阈值与目视解译阈值更加接近，通过MRF模型优化以后，实现了对水体信息的连贯提取，对图像噪声具有较强的抑制作用。本研究对水体目标的提取精度均达到了85%以上，实验结果精度优于基于光学影像的水体指数法，整个流程需要很少的人工经验参与，具有自动化程度强、检测精度高的优势。     

高分一号卫星遥感影像提取冰川堰塞湖水体方法比较

快速准确地从遥感影像提取冰川堰塞湖水体信息,是研究冰坝遥感监测与应急监测的核心热点问题。以GF-1卫星遥感影像为主要数据源,采用归一化差分水体指数(NDWI)、改进阴影水体指数(ENDWI)和面向对象(SVM)对克亚吉尔冰川堰塞湖水体进行定量提取。比较分析3种水体判识方法,3种方法均可以提取完整的水体边界,并且抑制了90%以上的非水体信息。NDWI法和ENDWI法可应用于GF-1地表水体提取,能够满足冰坝水体监测与应急监测需求,但面向对象法最适宜GF-1影像的水体信息准确提取。     

资源三号影像中城市高大地物阴影检测方法

针对遥感影像处理中阴影检测和信息补偿不准确的问题,该文在研究已有阴影检测算法的基础上,结合资源三号(ZY-3)影像数据的特性,构建了阴影检测方法:首先对原始图像分别做差值运算和主成分变换,并利用多峰阈值自动提取算法检测出阴影区域;其次将差值运算提取的粗阴影区域与主成分变换提取的阴影区域做并运算生成一个新的阴影区域;然后判断影像中是否含有水体,如果含有水体则利用多峰阈值自动提取算法检测出水体并与新合并的阴影区域影像做布尔运算得到完整的阴影区域,反之则新合并的区域即为完整的阴影区域。实验结果表明该方法针对ZY-3具有较好的普适性、较高的提取精度和提取效率。     

GF-4 PMI影像着火点自适应阈值分割

为探究具有单中波红外通道的高分四号卫星(GF-4)PMI数据在林火监测中的应用方法,通过对覆盖近年发生森林火灾的多景GF-4 PMI影像分析,采用"劈窗法"构建GF-4 PMI数据的着火点自适应阈值检测算法;在云南省玉龙纳西族自治县、俄罗斯阿穆尔州和俄罗斯外贝加尔边疆区等3个实验区进行了着火点检测应用,并以目视解译的着火点结果为参照资料,对该算法的着火点检测精度进行了评价。结果表明,该算法在这3个实验区的着火点检测准确率均高于80.0%,基于着火点检测精度验证设定的综合评价指标高于0.780,可应用于GF-4PMI影像着火点的检测。     

基于阈值分割与决策树的SAR影像水体信息提取

目前我国的GF-3 SAR数据可实现全天时全天候的对地观测,已服务于海洋、减灾、水利、气象等多个领域。改进了基于阈值分割法与决策树的GF-3 SAR影像水体信息提取方法,首先对GF-3 SAR影像进行基本处理;再采用KI二值化阈值分割法进行图像分割;然后通过构建知识决策树模型来提取水体信息,为了提高精度,采用GDEM数据进行地表建模,提取山体阴影;最后利用空间分析功能将地形建模阴影图与提取的水体范围进行匹配,去除山体阴影,进而获得水体信息的精确范围。通过混淆矩阵计算得到水体信息提取的总体精度为89.22%,Kappa系数为0.71,精度优于基于光学GF-2号影像的水体指数法提取结果。整个流程人工干预少,具有自动化更强、效率更高的优势。     

人工神经网络在高分影像防沙带识别中的应用

基于高分一号(GF-1)遥感影像,利用人工神经网络方法对新疆和田洛浦县沙漠边缘村庄周围的防沙带进行识别,并与目视解译的防沙带结果进行对比,验证识别精度.将人工神经网络方法的识别结果与传统的最大似然法进行对比分析,并利用图像识别领域中的准确率、召回率和F值3个指标对两种方法进行精度评价.结果表明,人工神经网络方法识别防沙...