Sentinel-1 SAR在洪水范围提取与极化分析中的应用研究

在洪水灾情监测中,快速准确的获取淹没区域和洪灾面积,对防汛救灾和灾后重建工作具有重要价值。本文以2017年美国圣路易斯洪水为例,基于Sentinel-1 SAR数据,利用变化检测和阈值相结合的方法实现大范围洪水淹没提取,将VV/VH极化数据分别与从同期Sentinel-2光学影像中获取的洪水淹没范围进行比较,评定极化方式的洪水适用性优劣程度。不同的SAR极化数据对洪水监测的适用性不同,通过绘制各极化不同时期的后向散射横断面线来分析多极化中的散射响应特征。研究表明：Sentinel-1 VV/VH极化数据均能以超过82%的高精度识别出洪水,VV极化洪水提取时产生的误判更少;在同样的区域,相较于VH,Sentinel-1 VV极化信号的散射程度小了约28%,在洪水中的信息敏感,更适用于洪水灾害的淹没范围监测。     

基于潮汐动态淹没过程的长江口潮滩地形信息反演研究

潮滩是陆地与海洋之间重要的生态过渡地带,具有复杂的生态过程和重要的服务功能。受陆海交互作用及人类活动的影响,潮滩处于高度动态变化过程中,而传统测绘技术受到潮滩可达性影响无法快速获取潮滩地形信息。为解决潮滩高程数据获取困难的问题,本文提出一种基于潮汐动态淹没过程和时序遥感影像的潮滩地形信息提取算法,利用K-means++聚类方法实现水域提取,并通过时序淹没特征计算潮滩淹没频率提取潮滩范围信息,最终综合区域潮汐特征反演潮滩地形。研究以崇明东滩为例,利用2016—2020年所有可用Sentinel-2和Landsat-8时序遥感影像,实现潮滩范围提取与高程反演,并通过实测高程数据进行精度验证。研究结果表明,潮滩范围提取总体精度为97.73%,F1_score为0.98;高程反演平均绝对误差为0.15 m,潮滩高程的反演精度与可用影像的数量呈正相关。研究利用该算法进一步反演长江口地区主要潮滩地形特征,结果表明区域内潮滩面积为346.93 km²,高程范围为1.00~3.84 m,且与现有潮滩范围数据集相比,本研究提取的长江口潮滩范围更为完整。该算法为潮滩地形的快速反演提供了可能,对潮滩资源动态监测和管理具有重要意义。     

DEM起伏纹理的视觉认知内涵与多变量消隐方法

地形是在内外营力的共同作用之下综合形成的,不同类型的地形具有不同的起伏形态特征,从全局或宏观的观测视角,可以视觉感知到这种地形起伏及其特征规律。纹理是众多物体表面呈现的有规律的线条组合,DEM作为地形的数据表达,不同地形类型区域的起伏形态具有纹理的显著表征。目前,对于DEM纹理研究主要是从DEM影像认知的角度出发,利用图像纹理的计算方法进行地形纹理对象描述和指标的提取,并基于获取的纹理对象进行区域地形特征分析和地貌类型的分类,在视觉上的反映存在不足。DEM起伏纹理作为一种基于某种观测视角和尺度的地形要素组合对象,首先需要对其进行系统的视觉认知,明确基于视觉认知的DEM起伏纹理构成要素和不同视觉变量控制的纹理要素组合结构,通过实现DEM起伏纹理的多维可视化建模,达到DEM数字地形建模的抽象与简化。基于此,本文以DEM地形起伏纹理为研究对象,对DEM起伏纹理进行视觉认知,明确DEM起伏纹理的涵义并建立提取方法,使用建立的方法实现了DEM起伏纹理的提取,取得了较好的提取效果。从视觉感知的机制出发,确定了决定视觉感知结果的视觉变量组合。确定了包含景深、长度和邻域等用于视觉综合的参数,设计建立了多变量的DEM起伏纹理消隐方法。最后设置视觉变量并使用该方法实现了DEM起伏纹理的消隐,消隐后DEM起伏纹理的数量分别降低了45.2%和53.2%,视觉上也取得了较理想的结果,具有一定的应用价值。     

基于Sentinel-1卫星SAR数据的洪水淹没范围快速提取

洪水灾害会对社会、经济、环境造成巨大损失,洪水淹没范围的确定是抗灾救灾决策必不可少的工作。遥感技术,特别是有着全天时、全天候、高分辨率特点的合成孔径雷达(SAR)是洪水灾害灾情评估的有力工具。Sentinel-1A作为欧洲宇航局(ESA)哥白尼计划(Copernicus Programme)发射升空第一颗环境监测卫星,意义重大。目前,国内还没有研究利用Sentinel-1卫星数据的相关文献。本文以2014年12月斯里兰卡遭受洪灾前后Sentinel-1A获取的影像为例,运用阈值法和RGB波段组合的方法,快速有效地提取出了洪水淹没范围。本研究为接下来对Sentinel-1卫星数据在洪水灾害评估中的研究利用提供了参考。     

中国大陆地区TanDEM-X 90 m DEM误差空间分布特征

TanDEM-X 90 m 数字高程模型（DEM）在其原始雷达影像的采集与DEM产品生产过程中,坡度、坡向和地表覆盖物等 因素都会对误差产生一定的影响。为了便于该数据更好地为各领域的研究提供服务,本文以整个中国大陆为研究区域,运用ICESat/GLA14数据对该区域的TanDEM-X 90 m DEM对应位置的高程数据进行提取统计,对比分析了我国陆地区域 TanDEM-X DEM数据与GLA14高程点数据的整体误差精度,并提取坡度、坡向地形因子,研究TanDEM-X 90 m DEM误差在不同坡度、不同坡向以及不同地表覆盖物影响下的分布规律。结果表明：① TanDEM-X 90 m DEM在中国区域整体的绝对误差均值为3.89 m,中误差为9.03 m,标准差为8.85 m; ② 受地形因子的影响,在坡度<3°时,绝对误差均值仅为1.29 m,标准差为2.84 m; 在坡度>25°时,绝对误差均值20 m以上,标准差也达到30 m左右,即误差随着坡度的上升逐渐增大;③ 坡向对误差也有一定影响,在南北方向的绝对误差均值明显比东西方向小;④ 受地表覆盖物影响较大,在荒地误差最小,绝对误差均值仅为 1.85 m,但在冰川积雪区绝对误差均值达到12.68 m。通过与无人机获取的等高线及剖面图对比分析发现,TanDEM-X 90 m DEM能较好地反映真实地形情况。最后,根据不同影响因素的权值,绘制全国范围的TanDEM-X 90 m DEM误差绝对值分布图,且验证了可靠性。     

顾及地表汇水分析的城市DEM构建

城市暴雨内涝是城市最普遍的自然灾害之一。受城市复杂下垫面环境的影响,城市暴雨积水具有响应时间短、淹没速度快的特点。数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）是城市地表汇水分析的关键,是暴雨积水分析的基础,而传统方法构建的DEM不能满足复杂下垫面环境下城市暴雨积水淹没分析的需求。本文以构建顾及地表汇水分析的城市DEM为目的,提出基于多源数据融合思想和地形修正思想的DEM构建方法,即将数字摄影测量技术构建的大范围DEM与车载激光扫描技术构建的城市道路高精度DEM相融合,再利用影响雨水汇流路径的建筑物、水系等要素对DEM进行修正的构建方法。本文以北京市海淀区公主坟地区为例进行研究,结果表明该方法构建的DEM在道路区域高程精度可达厘米级,实现了对城市道路易积水区域的重点表达,基于该DEM的汇水分析结果基本符合城市下垫面汇水特点,因此,本文构建的DEM适用于城市道路、桥区汇水路径分析和积水淹没分析。     

基于光学与雷达影像变化检测的2020年鄱阳湖洪灾评估与分析

利用遥感对地观测技术对2020年夏季鄱阳湖地区发生的洪水灾情进行评估和分析,分别选取Landsat 8卫星4月和 Sentinel-1A雷达卫星7月的影像作为洪水发生前、后的影像,利用遥感专题信息提取、随机森林分类和变化检测技术揭示洪水淹没范围,以及被淹没的主要土地覆盖类型面积,同时结合水文气象和地形数据进行灾情和受灾原因分析。研究结果表明,鄱阳湖2020年洪灾的淹没面积为1961.95 km2,共造成区内110.83 km2建筑用地、760.54 km2耕地、71.59 km2林地、992.02 km2草地和26.97 km2裸地被淹,其中尤以鄱阳县受灾最为严重,其总受灾面积达到514 km2,其次为新建区与余干县,分别达到了330 km2和310 km2。持续2个月的强降雨使得鄱阳湖流域的水位超过了其1998年特大洪水的水位,加上长江水倒灌,湖区地势北高南低,积水不能及时排出,圩堤决口等诸多水文气象和地形因素造成了此次鄱阳湖的特大洪灾。     

基于面向对象方法的Sentinel-1A SAR在洪水监测 中的应用

开展Sentinel-1A SAR数据在洪水淹没范围提取和水体变化监测方面的应用研究,对科学有效地管理洪涝灾害有重要意义。合成孔径雷达以其不受天气影响、能穿透云层、覆盖面积广等特点成为灾害监测的重要数据来源。面向对象的方法能有效解决影像的椒盐现象被广泛运用于信息提取研究。本文基于Sentinel-1A SAR数据,利用面向对象的方法构建洪水淹没范围提取流程,绘制灾前、灾中、灾后水体变化监测图,对比分析基于传统像元的提取方法,实现对广西临桂会仙岩溶湿地区域不同时期洪水动态监测。研究表明,Sentinel-1A SAR数据在洪水监测领域有巨大的应用潜力,相较于传统基于像元的方法,面向对象的方法能有效抑制杂斑生成,提高空间信息的利用效率,具有更好的提取精度。     

DEM在湖泊水文变化研究中的应用进展

在全球变化背景下,湖泊水文的动态变化不仅是评估和预测气候与环境变化的重要指示剂,同时对社会可持续发展、水资源的开发与利用、生态文明建设等产生重要影响。湖泊水文的动态变化受到湖滨及湖底地形的控制,数字高程模型（DEM）成为湖泊水文研究的重要数据源。随着遥测技术的发展,高分辨率、区域/全球大尺度DEM数据的获取手段快速发展、数据源不断丰富,DEM对推动湖泊水文动态研究进展起到了关键作用。本文首先基于Web of Science平台对DEM在湖泊水文动态研究中的相关文献进行了分析,阐述了该主题现有研究在发文时间、发文数量增减态势、研究区域与热点地区、文献所涉及的DEM数据等方面的特点。接着,围绕着DEM在湖泊水文动态的研究中4个主要方向：湖泊水域变化、湖泊水位变化、湖泊水量变化、湖泊水文灾害情势,重点总结：DEM与其他遥感观测平台、实地观测及模型模拟等多源数据的融合策略,数字地形分析与水文学分析、遥感影像分析等方法的集成策略,以及DEM数据不确定性等对湖泊水文变化研究的影响。最后,本文论述了目前DEM在湖泊水文研究中存在的关键问题,并结合技术发展趋势和研究热点问题,提出了可能的解决路径和未来的研究前景。     

融合VGI和遥感等多源数据的洪涝范围提取与模拟方法

及时准确的洪涝范围提取可以提高应急管理部门对于洪涝灾害的响应能力，减轻灾害影响。SAR遥感不受云雨影响，是洪涝灾害监测的有效工具。然而，由于卫星重返周期的限制，基于SAR的洪涝连续观测较难实现。在应急背景下，如何快速、实时进行洪涝范围提取是急需解决的问题。本文提出了一种结合遥感、VGI等多源数据的洪涝范围提取与模拟方法：(1)构建Albert+CNN的文本分类模型提取社交媒体洪涝信息；(2)基于异常值剔除方法利用社交媒体和OSM等VGI数据代替人工采样对Sentinel-1 SAR数据进行分类，提取洪涝范围；(3)结合社交媒体、水位数据等多源数据基于SNIC分割和成本距离等方法模拟无可用SAR数据时的洪涝淹没情况，提高洪涝的淹没范围提取频次。研究表明，本文基于Albert+CNN与异常值剔除的样本自动生成方法，可以有效辅助SAR数据的洪涝分类；利用VGI数据结合水情、DEM等多源数据进行了洪涝范围的模拟可以增加洪涝监测的时间分辨率。本研究有助于提高洪涝信息提取能力，为VGI支持洪涝灾害的应急管理提供参考。     

基于当量距离算法的山洪灾害避灾路线研究

山区乡村防灾减灾能力薄弱,山洪灾害突发性强,避灾响应时间短,容易造成人员伤亡,合理设计避灾路线,有助于降低灾害损失。本文基于GIS技术,以河北省邢台市田白芷村所在山区避灾路线规划为例,通过高分辨率无人机摄影测量获得研究区DEM数字高程模型和正射影像。以坡度作为避灾阻力值,利用成本距离和成本路径函数计算山区初始避灾路线,以山洪沟所在区域、坡度较大区域作为避灾路线阻隔,同时充分考虑现有山路,优化形成最终避灾路线,基于避灾路线的距离和平均坡度2个指标将研究得到的避灾路线与原有的避灾路线进行定量对比分析。研究结果表明：① 在设计形成的20条远距离避灾路线中,该方法能够缩短18条避灾路线的长度,同时有10条线路的平均坡度得到降低,其余8条线路平均坡度的增加控制在2°以内;② 生成的路线较原始路线单条最长可缩短329.74 m,且平均坡度仅增加0.68°,实现增加少量的平均坡度来缩短避灾距离,从而提高避灾效率;③ 剩余2条路线分别增加了15.21 m和9.57 m行程使得平均坡度降低了8.43°和1.43°,实现增加少量的距离来降低线路的平均坡度,从而提高避灾的安全性;④ 田白芷村南部临近避灾点,避灾难度较低,而田白芷村北部到达避灾点的行程较长,最远长达1210.02 m,避灾难度较大。优化后的避灾路径与大坡度阻隔区域分离,与山洪沟的贴合度也大大降低,可为相关决策人员提供科学依据。     

等高线自动提取结构线方法与问题处理

结构线是地貌形态的骨架线,是描述地貌形态时的控制线,它在地图制图综合、遥感数字图像处理和扩充GIS 系统的应用功能上均有重要的意义。文中给出了从等高线数据中确定特征点的算法,并对整个图幅内全部特征点的确定方法进行了改进:以整体分析与局部分析相结合,根据局部地形特征的不同,使用不同的阈值分区确定特征点。然后通过建立数学模型匹配特征点生成结构线。为了提高结构线的应用潜力,在生成结构线的同时提取了结构线的分级信息,并将生成的结构线按树结构组织存储。实验结果表明该方法对任何特征的地形等高线数据均适用, 而且最后生成的结构线具有较好的完整性和较高的精确性。     

RESEARCH ON SYSTEM OF FLOOD DISASTER CONTROL AND REDUCTION SUPPORTED BY GIS IN MEDIUM AND SMALL BASINS

Southeast China coastal areas belong to subtropical monsoon climatic zone,thus easily affected by floods resulted from typhoons and rainstorm.Since the areas of river basins are small,rivers flood regulation capacities are low,and therefore flood hazard is grave.In the paper,taking the Yongjiang basin in southeast China as an example,the approaches and methods of geographic information system(GIS) applied to flood disaster control and reduction research on small basin are explred.On GIS help the rainfall-runoff calculation model and the river dchannel flood routing model are developed.And the evaluating flood submerged are and the damage assessment models are built supported by digit elevation models.Lastly the decision support system on GIS supported for flood control in research basin has been set up.This greatly improves flood-proofing decision-making capacities in river basin,and provides valuable information and a mode for flood prevention and reduction in the medium and small basin .Meanwhile,the research indicates that technologies of GIS provide a powerful tool for flood disaster control.     

基于Erdas和DirectX平台的三维景观建模与应用

三维GIS已成为当前地理信息系统研究的一个热点,而高分辨率卫星图像则是建设三维GIS的重要数据源。本文以IKONOS卫星图像立体像对为数据源,利用数字摄影测量的方法,开展目标地区的三维可视化信息提取,包括DEM生成、正射影像图制作,以及地面建筑物的三维信息和纹理图像的提取,然后,探讨应用ERDAS IMAGINE和3ds Max软件进行混合建模的技术方法,达到优势互补,完成地面建筑物的模型构建。最后,基于VC++6.0平台,结合DirectX软件开发包,综合利用多种技术自主开发构建目标地区的三维虚拟景观,实现地形地貌景观的浏览;进一步通过构建粒子系统对研究区冷却塔的烟雾效果进行模拟,通过加入生产环境和设施的各种影响因子模拟烟雾的变化,推理特定目标的生产活动状况,为项目的决策提供三维分析支持。     

相空间重构神经网络在洪水灾害损失预报中的应用

在灾害领域中引入混沌理论,将相空间重构理论与神经网络相结合,提出了洪灾成灾面积预测模型。通过相空间重构,把一维成灾面积时间序列拓展为多维序列,而多维序列包含着各态历经的信息,从而可挖掘更为丰富的信息,有利于神经网络的训练。利用神经网络模型可以较好地求解非线性问题,因而使预测结果更符合实际。实例表明,该模型预报精度较高。     

基于等高线空间关系的鞍部点提取方法

鞍部点是反映地表形态起伏变化的重要地形特征点之一,准确地提取鞍部点有利于地形的空间关系和结构特征分析。现有的鞍部点提取方法通常是直接基于规则格网DEM数据,无法顾及鞍部点与周围地形的空间拓扑关系和复杂地形对其的影响,不仅产生大量的伪鞍部点,而且忽略一些关键地区的鞍部点。本文根据鞍部点的地形形态特征,设计了一种基于等高线数据的鞍部点提取算法。该算法利用等高线闭合的特征,将等高线按照一定规则转成等高面数据,再利用等高面之间的相邻拓扑关系实现递归查找并自动提取鞍部点。实验结果显示:①鞍部点的数量和位置与等高距的大小显著相关,在一定尺度范围内,等高距越小,提取出鞍部点越多,位置精度也逐渐提高;②与基于规则格网DEM数据提取方法相比,该方法能更有效的过滤大量伪鞍部点,提高了鞍部点的提取精度,同时也降低了鞍部点提取算法的复杂度;与基于等高线的增量缓冲方法(Incremental Buffering Algorithm)相比,本文的方法能有效提高鞍部点提取的完整性,更适用于本文DEM的尺度即5 m DEM数据。     

Dam-break flood simulation under various likely scenarios and mapping using GIS: Case of a proposed dam on River Yamuna, India

The precision modeling of dam break floods can lead to formulation of proper emergency action plan to minimize flood impacts within the economic lifetime of the assets.Application of GIS techniques in integration with hydrological modeling for mapping of the flood inundated areas can play a momentous role in further minimizing the risk and likely damages.In the present study,dam break analysis using DAMBRK model was performed under various likely scenarios.Probable Maximum Flood (PMF)calculated for a return period of 1000 years using deterministic approach was adopted for dam break analysis of the proposed dam under various combinations of breach dimensions.The available downstream river cross-sections data sets were used as input in the model to generate the downstream flood profile.Dam break flow depths generated by the DAMBRK model under various combinations of structural failure are subsequently plotted on Digital Elevation Model(DEM)of the downstream of dam site to map the likely affected area.The simulation results reveals that in one particular case the flood without dam may be more intense if a rainfall of significant intensity takes place.