中国湖泊分布与变化：全国尺度遥感监测研究进展与新编目

湖泊提供重要的生产生活用水,在维系生态安全方面发挥显著的价值。中国地理环境复杂多样,湖泊类型各异,不同湖区间的湖泊时空变化特征及驱动机制复杂。两次全国湖泊调查是国家尺度的湖泊变化监测的开创性工作,近年来伴随遥感数据源的海量积累和湖泊遥感提取方法的快速发展,大尺度湖泊水体变化遥感监测研究取得了长足的发展。然而,由于人工判读、湖泊类型判别依据和遥感数据源时相的差异,湖泊水体遥感提取结果及面积估算存在不同程度的出入。首先,本文总结了现有全国尺度湖泊监测研究的遥感数据源、方法和结果,分析了不同研究分析结果差异的可能原因。其次,本文基于1980s—2010s时段Landsat影像制图的湖泊水淹频率数据集的最大水域范围信息,提取并生成了全国湖泊新编目,以其作为该时段内湖泊判定和水体变化监测空间约束的统一参照,避免了因遥感数据时相与年际、年内湖泊水域范围波动对遥感提取结果及湖泊面积计算带来的差异。最后,本文从湖泊水淹范围频度的统计角度,初次提出了可体现湖泊面积年内与年际变化情况的统计指标——概率等效面积,用于监测和指示湖泊水域动态。结果表明,近30年来,中国有3741个最大水域范围大于1 km²的湖泊,总面积约93723 km²,其中青藏高原湖区的湖泊数量约占全国三分之一,总面积超过了全国的一半。全国湖泊总面积呈显著上升趋势,不同湖区的变化趋势差异明显:青藏高原湖区和新疆湖区湖泊面积显著上升,东部平原湖区、内蒙古高原湖区和云贵高原湖区显著下降,东北平原与山地湖区波动式变化、趋势不显著。研究结果总体表明中国湖泊水资源的时空不平衡状况在加剧。     

基于Faster R-CNN和MorphACWE模型的SAR图像高原湖泊提取

青藏高原湖泊是高原生态环境中最重要的自然要素之一,实现青藏高原湖泊调查与监测是现阶段迫在眉睫的任务。由于水体在SAR图像上呈现出独特的镜面反射特征,使得利用SAR图像进行湖泊的提取与分析成为当下研究热点。为进一步排除干扰地物影响、提高分类准确度,采用欧空局Sentinel-1A干涉宽幅模式的斜距单视复数产品(SLC)为主要数据源,Sentinel-2A多光谱影像Level-1C产品作为参考数据源,提出一种结合改进Faster RCNN和MorphACWE轮廓模型的SAR图像湖泊提取算法(Faster Region-based Convolution Neural Network-Morph ACWE,FR-MorphACWE)。该算法结合深度学习目标检测算法的高维特征分析和MorphACWE模型的边界提取,从综合干扰多湖泊提取角度进行分类实验评价,充分利用高原湖泊的形态学和雷达反射特征,实现西藏自治区那曲市南部至日喀则市北部高原湖泊高精度提取。实验结果表明,该算法在综合干扰多湖泊情境下准确率可达99.71%,精准率和召回率均高于98%,可作为SAR图像高原湖泊提取的新算法加以推广和应用。     

基于多源遥感数据的水体信息提取研究

卫星遥感技术已被广泛应用到水体信息提取中,但目前基于遥感技术的水体信息提取多采用单一的遥感数据源,而没有充分利用多源数据的信息复合优势,因此,提取结果经常受天气气候或空间分辨率限制。本文研究了不同尺度、不同平台的多种遥感数据源的水体信息提取方法。首先,基于波谱间关系决策树分类算法对Landsat ETM+图像进行水体提取,利用其分辨率优势较准确地提取出水体范围;其次,在Radarsat SAR图像上利用阈值法粗提取水体信息后,结合DEM剔除阴影得到水体信息;最后,利用灾前Landsat ETM+图像水体信息提取结果和灾中Radarsat SAR图像水体信息提取结果,进行差值处理,得到洪水淹没范围。研究结果可以为洪水灾害监测与评估提供信息依据。     

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。     

MADC在浒苔空间分布信息提取中的应用

在青岛浒苔灾害遥感监测中,搭载于海监飞机上的多模态航空数字相机(MADC)为及时快速地提取浒苔信息提供了数据源,所提取的奥帆赛区警戒水域及周边海域浒苔分布面积、密集度等应急动态监测信息,为决策部门提供了准确的数据支持和决策依据,在浒苔治理中起到了重要的作用。介绍了MADC系统的特点,通过对浒苔光谱及其MADC影像特征的分析,建立了快速提取浒苔信息的技术方法和流程,并对信息提取的关键技术和结果进行了分析。MADC系统包含高分辨率、宽(多)视场、多(高)光谱、立体观测等多种成像模态,可以根据不同的应用需求快速灵活地设置成不同的工作模态,浒苔的光谱和植被非常相似,与海水的差异明显,容易建立浒苔的识别和提取模型。实践证明MADC系统在海洋赤潮等灾害监测中具有很大的应用潜力,文中最后对MADC系统的改进提出了建议。     

基于RS和GIS技术的吉林省西部典型区域土地盐碱化动态监测研究

以遥感影像数据为主要数据源,在GIS技术支撑下,以白城市大安市叉干镇为研究区,基于Landsat遥感影像的数据,通过监督分类与决策树分类相结合的方法进行数据提取,并参考第一次全国地理国情普查数据的结果,对其从1997—2017年的土地盐碱化进程进行了变化监测与分析,为在大区域范围中进行土地盐碱化变化监测提供了可以复制执行的方法及可靠的实例。     

基于数据融合的行树与篱笆三维信息自动提取

通过融合GIS数据、DSM和CIR立体影像等不同数据源,自动提取行树与篱笆的三维信息。综合采用了影像分割、边缘提取、直线段连接与编组、DSM三维验证等手段,成功地从航空立体像对中提取出目标信息。所提取的行树与篱笆信息可以应用于GIS数据更新、土壤监测与保护、风侵蚀的危害计算等。     

湖盆数据未知的湖泊动态库容遥感监测方法

针对现有库容遥感监测方法对无湖盆数据区域的湖泊动态库容难以直接测算问题,提出了未知湖泊水下地形数据的遥感湖泊动态库容监测方法。该方法通过多源遥感数据,匹配相对时相的湖泊面积和水位信息,构建并模拟湖盆DEM数据,据此来估算湖泊的动态库容。在算法实现上,首先采用分布迭代水体提取从遥感影像提取湖泊的多期动态边界;其次,从ICEsat GLAS激光测高数据中反演出湖泊的动态水位高程;第三,依据时间水位信息,通过邻近时相匹配,将水位高程赋给湖泊边界线,生成湖泊等水位线;第四,通过等水位线构建TIN(triangulated irregular network)和Kriging插值,得到模拟湖盆数字高程模型;最后,依据模拟湖盆DEM和水体面积分布、水位信息,计算湖泊动态库容。试验通过对博斯腾湖的多年动态库容监测与真实性检验,结果显示:最大误差为2.21×108 m3,最小误差为0.000 02×108 m3,平均误差为0.044×108 m3,均方根为0.59,相关系数达到0.99。     

融合分布式目标的小基线集干涉测量方法应用

针对在地理国情监测项目中遇到的时间序列InSAR技术获取的地表形变结果存在空间采样率不足的现状,该文以传统小基线集干涉测量方法为基础,融合分布式目标提取地表缓慢形变信息。以TerraSAR-X星载SAR SLC影像为数据源,对融合后的方法进行验证,获取了研究区域时间序列地表平均形变速率。结果表明,融合分布式目标的小基线集算法可以有效提高监测区域地表形变信息的获取,在非城市地区及传统方法不能提取高相干稳定点目标的区域克服了原有方法的缺点,表现出了很好的适用性。     

多源遥感信息在环保监测中的应用

针对采用单一的中分辨率遥感手段监测秸秆焚烧准确度有限的问题,本文提出利用MODIS数据作为火点提取的数据源,采用MODIS数据共享中心提供的"背景对比火点探测算法"得到初步的疑似火点,再以高分辨率影像为依据,采用土地利用类型分类和目视解译相结合的方式对疑似火点进行筛选,最终得到秸秆焚烧疑似火点产品。本文介绍了秸秆焚烧疑似火点提取的基本原理、业务组成、处理流程。经现场比对确认,相比以往单一数据源的监测方法提高了报对率和报准率,表明采用多源遥感的手段提取秸秆焚烧疑似火点的方法有很高的时效性、准确性和可行性。     

近30年南昌城区湖泊面积变化图谱和动态监测

针对部分水体提取方法在提取城区水体时易出现漏提、错提和夹杂背景噪音的现象,本文提出一种更适合城市小型湖泊水体提取的方法,采用Landsat卫星影像的绿光波段、近红外波段和中红外波段(或短波红外波段),构建的经验型归一化差异水体指数ENDWI,相比NDWI和MNDWI,ENDWI在提取南昌城区水体时更具优势。本文以ENDWI为最佳水体提取模型,利用1989—2016年间4个不同时期的Landsat TM/OLI影像对南昌城区11个湖泊的面积变化状况进行了监测,从而制作了研究区各湖泊的面积变化图谱。随后引入气候指标和城镇化指标对南昌城区湖泊面积变化的成因进行分析。结果表明:气候对湖泊面积变化的影响有限,多年的城镇化运动,尤其是填湖造房运动的普遍存在才是湖泊面积变化的主要原因。     

基于小型无人机可见光遥感的蓝藻识别研究

以无人机航拍获取的可见光影像为数据源,研究小面积水域中蓝藻的提取方法。首先采用无人机获取可见光影像,运用4种可见光植被指数对图像进行运算,提出了用于蓝藻识别的可见光归一化差异植被指数与增强型红绿差值植被指数,以人工目视解译统计得到的蓝藻面积作为判别依据。结果表明:利用增强型红绿差值植被指数对湖泊中蓝藻的分类及提取,精度可达95.89%,Kappa系数为97.03,质量稳定,精度较高。     

多源遥感信息自动解译技术研究与应用

随着遥感技术的日益发展,遥感影像的空间、时相与光谱等分辨率不断提高,传统的信息获取方法已不能满足国土、规划等业务需求,为了提高遥感信息提取自动化程度及数据成果精度,本文研究了一套集合多种分类与变化检测方法的新技术,根据不同数据源影像特点实现择优处理,解决了目前传统方法耗时耗力、技术单一、针对性弱、精度与效率较低等问题。同时,通过程序开发形成对应的系统,应用于"三旧改造"地块监测、广东省基本农田监测等业务中,取得了良好的应用效果。     

基于 ObjectArx 技术的横断面自适应提取

为降低水利、公路等线路工程中横断面提取的复杂度,本文针对横断面提取的特点和专业要求,结合不同行业应用需求对横断面自适应提取进行了分析和研究,给出了涉及的关键算法和数学模型。在AutoCAD环境下基于ObjectARX技术实现了多种数据源的横断面自适应提取。项目生产实践表明,该方法显著地降低了劳动强度,提高了生产效率。     

近40年西藏那曲南部湖泊变化及其成因探讨

以遥感图像、SRTM的DEM数据为数据源,通过人工目视解译的方法提取并计算了1970—2010年那曲南部地区12个湖泊面积,并结合DEM数据计算其中9个湖泊1990—2010年间水位变化情况;然后分析该地区降水量、气温、最大潜在蒸发量、冻土、冰川雪线的变化规律;计算湖泊变化与气候变化之间的相关性,并以简单的水文模型分析了湖泊变化的原因。结果显示:12个湖泊中除了格仁错面积减少以外,其他湖泊面积在40 a间都处在增长状态,其中湖泊面积增长主要发生在2000—2010年,这期间12个湖泊增长总面积达743.88 km2,占40 a总增长面积的63.95%;9个湖泊的水位也呈上升趋势。造成这些湖泊面积增长的主要原因是近45 a气温上升造成的冰雪、冻土融化,降水量增加,而且该地区蒸发量呈减少趋势。     

像元二分模型在MODIS水陆混合像元分解中的适用性研究

遥感数据是地表水监测的重要数据源,用较低空间分辨率的遥感影像探测地表水范围时,混合像元问题常使水陆边界的提取不够准确。有必要对水陆混合像元进行分解,估算混合像元中水体所占百分比,从而为亚像元级别的水域边界制图奠定基础。借助像元二分模型的概念对水陆混合像元进行分解,验证该类模型的适用性。首先,以中分辨率成像光谱仪影像为数据源,分别基于归一化水体指数(normalized difference water index, NDWI)和改进的归一化水体指数(modified normalized difference water index, MNDWI)建立像元二分模型,对云南省高原湖泊进行水域提取及边界混合像元分解;然后,用同期更高空间分辨率的Landsat数据对提取结果进行验证。结果表明,像元二分模型在对水陆混合像元的分解中具有较好的适用性,其中,基于NDWI的像元二分模型精度略高于基于MNDWI的模型。     

基于多源数据的广西大陆海岸线变迁研究

海岸线变迁是海岸信息动态变化研究的重要组成部分,为了能够更精确地获取海岸线空间变化和地理信息要素变化信息,需要基于多种数据源获得历史各个时相的海岸线数据,保证研究的准确性。广西大陆海岸线变迁研究中,采用了多个历史时相、多类型和多种数据格式的数据源,通过地理信息框架统一实现数据源融合统一,采用多种技术手段处理和提取海岸线空间位置信息与其他信息,采用多种手段统计和分析广西海岸线过去50年来的演变情况和未来发展趋势,为广西海岸的保护条件下利用提供了可靠材料。     

遥感影像水体追踪识别提取算法及应用

针对大尺度区域所有规模以上水体一次性智能化水体提取的问题,提出了水体追踪识别提取算法。这种方法可以追踪图像中所有的连通区域,并对区域进行识别与提取。以花马湖区域的水体为例,使用水体追踪识别算法提取湖泊,能够准确地追踪各种形状的湖泊,与两边扫描法、区域增长法相比,扫描重复率低、精度高。     

批量遥感影像湖泊提取后的矢量拼接策略问题

目的 在遥感影像湖泊提取结果进行矢量化之后,需要对多景影像的湖泊提取矢量数据进行拼接并形成湖泊信息专题图,不同的拼接策略直接决定区域湖泊数据拼接的效率。结合湖泊提取结果的矢量数据拼接与专题图制作问题,在分析矢量数据拼接原理与过程的基础上,首先分析了两景矢量数据的拼接方法与最佳策略,重点研究了面向大区域多景矢量数据的拼接策略,提出了两种实用的高效矢量数据拼接方法,即基于任务队列与基于间隔选择的策略,分析了不同策略的特点与适用情况。实际应用中,可以根据实际情况进行选择,较大程度地提高矢量数据拼接的效率。     

基于Landsat8 OLI数据的富贵竹种植区域信息提取

富贵竹作为一种观赏植物,在我国南方省份有大面积种植,具有良好的经济价值。为了解与监测区域富贵竹种植情况,以Landsat8 OLI遥感影像为数据源,构建了一种新的网体—水体差异增强指数(difference enhence between net and water index,DENWI)作为特征参数,通过面向对象的分类方法建立富贵竹信息提取规则集,得到研究区域内富贵竹的种植信息,并与2种传统信息提取方法进行对比研究。结果表明,相比于传统方法,基于DENWI的面向对象分类方法可以更有效地提取富贵竹种植信息,总体分类精度为98. 46%,Kappa系数为0. 97,该方法监测提取富贵竹种植信息是可行且有优势的,可以为富贵竹种植监测和管理提供科学依据。