一種基于ENVISATASAR與LandsatTM遙感數(shù)據(jù)面向?qū)ο筇崛∷w的方法
【專利摘要】一種基于ENVISATASAR與LandsatTM遙感數(shù)據(jù)面向?qū)ο筇崛∷w的方法，本發(fā)明涉及基于ENVISATASAR與LandsatTM遙感影像數(shù)據(jù)利用面向?qū)ο筮b感圖像分類方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的利用遙感影像提取水體信息的方法提取精度低、水體提取方法復(fù)雜不易操作的問題。一與二：對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理■’三:對ENVISATASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣；四：對數(shù)據(jù)進(jìn)行空間配準(zhǔn)■’五:對影像進(jìn)行多層多尺度分割；六：建立開放水體指數(shù)放大第4波段的光譜差異；七：初步區(qū)分水體對象和非水體對象；八：確定水體雷達(dá)后向散射系數(shù)閾值；九：準(zhǔn)確提取水體信息；十：導(dǎo)出水體對象，生成水體矢量；十一：制作水體專題地圖。
【專利說明】-種基于ENVISAT ASAR與Landsat TM遙感數(shù)據(jù)面向?qū)ο?提取水體的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于ENVISAT ASAR與Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)利用面向?qū)ο筮b感圖 像分類方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 水是地球上萬物的生命之源，水體的提取是水資源的調(diào)查評估、洪澇災(zāi)害的預(yù)測 調(diào)查和損失評估、環(huán)境監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測以及旱情評估等眾多方面的基礎(chǔ)。因此，快速準(zhǔn)確地 繪制水體的空間分布專題地圖對水資源的保護(hù)、監(jiān)測和評估意義重大。然而，在現(xiàn)有的利用 遙感影像提取水體信息的方法中，簡單易行的水體提取方法往往提取精度不高，高精度的 水體提取方法往往又復(fù)雜不易操作。利用光學(xué)影像自動提取水體，僅考慮光譜信息，提取結(jié) 果容易受易于與水體混淆地物類型的影響，產(chǎn)生錯分或漏分，降低水體空間信息提取的準(zhǔn) 確性。針對傳統(tǒng)的僅應(yīng)用光學(xué)影像自動提取水體信息，提取精度受到山體陰影、居住地、云 朵等因素影響，且分類后的影像存在"椒鹽現(xiàn)象"、"飛地現(xiàn)象"不適用于中分辨率遙感影像 的水體制圖。
[0003] 面向?qū)ο蟮慕庾g方法在解譯時不僅考慮到地物的光譜信息，同時地物的幾何特征 和結(jié)構(gòu)特征也被考慮在內(nèi)，影像解譯的最小單元是具有相同特征（如光譜、紋理和空間組 合關(guān)系等特征）同質(zhì)均一的對象。相對于傳統(tǒng)的遙感解譯方法針對影像的單個像元的特 征進(jìn)行解譯而言，此方法突破了傳統(tǒng)的遙感分類方法以像元為基本分類和處理單元的局限 性，以含有更多語義信息的多個相鄰像元組成的對象為處理單元，可以實(shí)現(xiàn)較高層次的遙 感圖像分類和目標(biāo)地物提取。該方法是基于認(rèn)知模型的遙感信息提取方法，更貼近人類的 認(rèn)知過程，已成為遙感信息提取領(lǐng)域主要的研究方向之一。
[0004] Landsat是1町2年以來美國航空航天局（NASA)發(fā)射升空的一系列陸地資源衛(wèi) 星。Landsat5搭載的傳感器TM,含有7個波段（0. 45?0. 53 μ m，0. 52?0. 60 μ m，0. 63? 0. 69 μ m，0· 76 ?0· 90 μ m，1· 55 ?1· 75 μ m，10· 40 ?12. 50 μ m，2· 08 ?2· 35 μ m),軌道高 度705km，空間分辨率30m，重訪周期16天。ENVISAT是歐空局于2002年3月發(fā)射升空的巨 型環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，ASAR(Advanced Synthetic Aperture Radar)是 ENVISAT 搭載的先進(jìn)合 成孔徑雷達(dá)，它具有多模式、多極化、大幅寬、多入射角等特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的利用遙感影像提取水體信息的方法提取精度低、水體提取 方法復(fù)雜不易操作的問題，而提供了一種基于ENVISAT ASAR與Landsat TM遙感數(shù)據(jù)面向 對象提取水體的方法。
[0006] -種基于ENVISAT ASAR與Landsat TM遙感數(shù)據(jù)面向?qū)ο筇崛∷w的方法，它按 以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0007] 步驟一：對Landsat TM數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；
[0008] 步驟二：對ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理； 巧〇〇9]步驟三：對步驟二預(yù)處理完成的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，重采樣標(biāo)準(zhǔn)：重 米樣后的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)與步驟一處理完成的Landsat TM數(shù)據(jù)的柵格大小一致. [0010]步驟四：對步驟一預(yù)處理完成的Landsat TM數(shù)據(jù)和步驟三中重采樣后的E]WISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行空間配準(zhǔn)，得到Landsat TM影像和ENVISAT ASAR影像；
[0011]步驟五：對Landsat TM影像和ENVISAT ASAR影像進(jìn)行多層多尺度分割，得到-系 列分割單元，將每個分割單元作為一個對象；其中，所述每個分割單元由空間上相鄰?fù)琟 性達(dá)到80 %?100 %的像元組成； 、
[0012]步驟六：利用水體對Landsat TM影像第4波段B4具有強(qiáng)烈吸收的特點(diǎn)，建立開放 水體指數(shù)放大第4波段的光譜差異，建立的指數(shù)稱為開放水體指數(shù)公式如下： 2 X /?4 X 54 _3] (S2 + S4)xpi+E4)5
[0014]其中B2為對象第2波段的值，B3為對象第3波段的值，B4為對象第4波段的值；
[0015]步驟七：基于步驟六的開放水體指數(shù)公式計算步驟五得到的各分割對象的開放水 體指數(shù)，根據(jù)已有水體確定樣點(diǎn)開放水體指數(shù)的閾值，初步區(qū)分水體對象和非水體對象· [0016]步驟八：分析水體與非水體對象在步驟四中空間配準(zhǔn)后的 ENVISAT ASAR影像后 向散射系數(shù)的差異，確定水體雷達(dá)后向散射系數(shù)閾值；
[00Π ]步驟九：在步驟七初步區(qū)分水體對象和非水體對象的基礎(chǔ)上，根據(jù)步驟八中確定 的水體雷達(dá)后向散射系數(shù)閾值，剔除初步區(qū)分水體對象和非水體對象中的非水體對象準(zhǔn) 確提取水體信息；
[0018] 步驟十:導(dǎo)出水體對象，生成水體矢量:
[0019]步驟十一：在ArcGIS軟件中制作水體專題地圖。
[0020] 發(fā)明效果：
[0021]將易于與水體fe息混淆的地物類型進(jìn)行區(qū)分，自動快速準(zhǔn)確地提取中等分辨率遙 感圖像（Landsat TM)中的水體的空間分布信息，從而實(shí)現(xiàn)水體信息自動提取專題制圖的方 法。
[0022]雷達(dá)影像與光學(xué)影像相結(jié)合，利用面向?qū)ο蟮倪b感分類方法，獲取對象的光譜、紋 理、形狀特征，通過設(shè)定閾值逐層提取水體對象,制作水體專題地圖。
[0023]、本發(fā)明^于Landsat TM影像和ENVISAT ASAR影像，將面向?qū)ο蟮倪b感圖像分類 方法應(yīng)用于水體息的自動提取中，將獨(dú)立的像元合并成為同質(zhì)的對象，對象分割過程中 不僅考慮光譜特征，還考慮到紋理特征和拓?fù)涮卣?，逐步得到水體空間分布信息。所得分 類結(jié)果精度為觀，比僅已細(xì)朗中等分辨輔感雜艦水働施髓提高 3%? 10%。同時，綜合運(yùn)用開放水體指數(shù)與水體在ENVISAT 4^1?雷達(dá)影像中的后向散射系數(shù)特 征，設(shè)定合適隱，操作簡單易行。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)分難術(shù)提取水體漏分和誤分現(xiàn)象嚴(yán) 重酬難，同時也解決了分類得到的水體空間信息存在"椒鹽現(xiàn)象"、"飛地現(xiàn)象，，，不具有明 ^地理意義等問題。本發(fā)明對光學(xué)影像與雷達(dá)影像相結(jié)合快速自動提取水體信息具g實(shí)踐 意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]【具體實(shí)施方式】一：本實(shí)施方式的一種基于ENVISAT ASAR與Landsat TM遙感數(shù)據(jù) 面向?qū)ο筇崛∷w的方法，它按以下步驟實(shí)現(xiàn)： u
[0026] 步驟一：對Landsat TM數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；
[0027] 步驟二：對ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；
[^028]步驟三：對步驟二預(yù)處理完成的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，重采樣標(biāo)準(zhǔn).重 采樣后的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)與步驟一處理完成的Landsat TM數(shù)據(jù)的柵格大小一致；
[0029]步驟四：對步驟一預(yù)處理完成的Landsat TM數(shù)據(jù)和步驟三中重采樣后的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行空間配準(zhǔn)，得到Landsat TM影像和ENVISAT ASAR影像；
[0030]、步驟五：對Landsat TM影像和ENVISAT ASAR影像進(jìn)行多層多尺度分割，得到_系 列分割單元，將每個分割單元作為一個對象；其中，所述每個分割單元由空間上相鄰、同質(zhì) 性達(dá)到80 %?100 %的像元組成；
[0031]步驟六：利用水體對Landsat TM影像第4波段B4具有強(qiáng)烈吸收的特點(diǎn)，建立開放 水體指數(shù)放大第4波段的光譜差異，建立的指數(shù)稱為開放水體指數(shù)公式如下：
[0032]
[0033]其中B2為對象第2波段的值，B3為對象第3波段的值， M為對象第4波段的值； _4]頻七：基于步默的碰水體雛公式計算頻通_胳分割麟的開放水 體指數(shù)，根據(jù)已有水體確定樣點(diǎn)開放水體指數(shù)的閾值，初步區(qū)分水體對象和非水體對象； [00 35]步驟八：分析水體與非水體對象在步驟四中空間配準(zhǔn)后的ENVISAT ASAR影像后 向散射系數(shù)的差異，確定水體雷達(dá)后向散射系數(shù)閾值；
[0036]頻九：在頻七初步區(qū)分水體麟神水諸象的細(xì)上，観雜八中確定 的水體雷達(dá)后向散射系數(shù)閾值，剔除初步區(qū)分水體對象和非水體對象中的非水體對象準(zhǔn) 確提取水體信息； '
[0037]步驟十：導(dǎo)出水體對象，生成水體矢量；
[0038]步驟^^一 ：在ArcGIS軟件中制作水體專題地圖。 _]【具體實(shí)施方式】二：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是：所述步驟-中對 jsat TM數(shù)鍵彳了碰理采贓綱正和幾何精纟彳正聽觀糊除地綱變和幾何
[0040]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0041]具體^施方式二：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是：所述步驟二中對 此數(shù)據(jù)為棚格格式數(shù)據(jù)，細(xì)矩陣形式存儲）進(jìn)行預(yù)處理采用輻射定 ?將影像的數(shù)值量化側(cè)DN識化為后向散縣數(shù)，消除影像地
[0042]其中，所述輻射定標(biāo)公式如下： 0 Γ DNl [：
[0043] C7：g -10 -/〇<r|() j ^
[0044]其中，％為第i行第j列像元的后向散射系數(shù)為第i行第J?列像元的數(shù)值 量化值；Θ U縣i行第j賺涵1?波人射觸；K g卩為綱定標(biāo)系數(shù)。
[0045]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0046]【具體實(shí)施方式】四：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是：所述步驟三 中柵格大小為30m X 30m。
[0047]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0048]【具體實(shí)施方式】五：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是：所述步驟 四中空間配準(zhǔn)以步驟一預(yù)處理完成的Landsat TM數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對步驟三預(yù)處理完成的 ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校準(zhǔn)，誤差控制在〇· 5個像元以內(nèi)。
[0049]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0050]步驟一：下載試驗(yàn)所用Landsat TM數(shù)據(jù)，軌道號為p198R24,時間2002年Θ月24 日。為消除地形畸變，利用試驗(yàn)區(qū)的DM數(shù)據(jù)對Landsat TM影像進(jìn)行正射糾正；為消除幾 何畸變，利用地形數(shù)據(jù)，在ERDAS軟件中選取地面控制點(diǎn)，對正射糾正后的影像進(jìn)行幾何精 糾正；
[0051]步驟二：下載試驗(yàn)所用ENVISAT ASAR APP Level 1B級數(shù)據(jù)（極化方式為VV),時間 為2〇〇2年7月3〇日。對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，將影像DN值轉(zhuǎn)化為后散射系數(shù)（單位為冊）。 輻射定標(biāo)公式如下，其中，為第i行第j列像元的后向散射系數(shù);Dr^為第i行第j列像 元的原始強(qiáng)度數(shù)值；Θ 〃是第i行第j列像元的雷達(dá)波入射角度；κ即為絕對定標(biāo)系數(shù)；
[0052] = κ
[0053]為消除地形畸變，在NEXT4C軟件中，利用試驗(yàn)區(qū)的DEM數(shù)據(jù)采用的距離多普勒成 像算法（Range-Doppler)對輻射校正ENVISAT ASAR雷達(dá)影像進(jìn)行地形糾正；為消除影像噪 聲，應(yīng)用Enhanced Lee濾波器（窗口大小3 X 3像元）對地形校正完成的雷達(dá)影像進(jìn)行空 間濾波處理；
[0054] 步驟三：在ArcGIS中對步驟二處理完成的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣為 Landsat TM影像的柵格大?。?〇mX 30m);
[0055] 步驟四：利用ArcGIS軟件的Georeferencing模塊對步驟一和步驟三中得到的 Landsat TM數(shù)據(jù)和ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行空間配準(zhǔn)中，配準(zhǔn)以Landsat TM影像為基準(zhǔn)，對 ENVISAT ASAR雷達(dá)影像進(jìn)行幾何校準(zhǔn)，誤差控制在〇. 5個像元以內(nèi)；
[0056] 步驟五：利用eCognition軟件對Landsat TM影像和ENVISAT ASAR影像進(jìn)行多層 多尺度分割，得到一系列分割單元,每個分割單元由空間上相鄰、同質(zhì)性達(dá)到8〇%以上的像 兀組成，將每個分割單元作為一個對象。表1顯不在面向?qū)ο蠓诸愡^程中多尺度分割的參 數(shù)設(shè)置； 夕
[0057]表 1.
[0058] - 為割尺度彩色因子形狀因子光滑度 緊g[度 5 0.8 0.2 0. 6 0~4
[0059] 步驟六 Landsat TM 第四^^B4) '有強(qiáng)列吸^的料 ? 放大第4、波_光丨普差異，建立__為開放水術(shù)旨數(shù)（Qpen w；；ter 公式 其中B2為對象第2波段的值，其中μ為縣第3波段隨，M為對象第$驗(yàn)的值；
[0060] 〇W = --__ (B2+ B4)x(B3 + B4) 術(shù)旨數(shù)妓聰頻五翻胳分割縣的開放水 棚已有水―點(diǎn)確定開放水術(shù)旨__，初步區(qū)分水體縣神水體對象。根 據(jù)已有水體樣點(diǎn)，統(tǒng)計水體后向散縣數(shù)，并通過-系列的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 可以95%以上區(qū)分水體和非水體對象； mX 析水體與非水體棘在磨ISAT asar數(shù)據(jù)中后向散射纖的差異，確 ^水體后向散縣_值。在頻七初頻取水懦働細(xì)上，猶-系列的試驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)W極化方式下后向散射系數(shù)閾值設(shè)置為小于等于-2〇時可以 很好地區(qū)分水體和非水體對象； =3]頻九：在步驟七初步水體提取結(jié)果的基礎(chǔ)上，棚步驟八中確定的闡值,剔除初 步水體提取結(jié)果中的非水體對象，準(zhǔn)確提取水體信息。水體對象的提取精度98%以上； [0064]步驟十：導(dǎo)出水體對象，生成水體矢量；
[0065]步驟i^一 ：在ArcGIS軟件中制作水體專題地圖。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于ENVISAT ASAR與Landsat TM遙感數(shù)據(jù)面向?qū)ο筇崛∷w的方法，其特征 在于它按以下步驟實(shí)現(xiàn)： ~ 步驟一：對Landsat TM數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理； 步驟二：對ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理； 步驟三：對步驟二預(yù)處理完成的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，重采樣標(biāo)準(zhǔn)：重采樣 后的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)與步驟一處理完成的Landsat TM數(shù)據(jù)的柵格大小一致； 步驟四：對步驟一預(yù)處理完成的Landsat TM數(shù)據(jù)和步驟三中重采樣后的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行空間配準(zhǔn)，得到Landsat TM影像和ENVISAT ASAR影像； 步驟五：對Landsat TM影像和ENVISAT ASAR影像進(jìn)行多層多尺度分割，得到一系列分 割單元，將每個分割單元作為一個對象；其中，所述每個分割單元由空間上相鄰、同質(zhì)性達(dá) 到8〇 %?100 %的像元組成； 步驟八：利用水體對Landsat TM影像第4波段B4具有強(qiáng)烈吸收的特點(diǎn)，建立開放水體 指數(shù)放大第4波段的光譜差異，建立的指數(shù)稱為開放水體指數(shù)公式如下： _ ?% ΒΛ~χ BA ￥ 一體+』4)χ(53 + ·4" 其中Β2為對象第2波段的值，Β3為對象第3波段的值，Β4為對象第4波段的值； 步驟七：基于步驟六的開放水體指數(shù)公式計算步驟五得到的各分割對象的開放水'體指 數(shù)，根據(jù)已有水體確定樣點(diǎn)開放水體指數(shù)的閾值，初步區(qū)分水體對象和非水體對象； 步驟八：分析水體與非水體對象在步驟四中空間配準(zhǔn)后的ENVISAT ASAR影像后向散 射系數(shù)的差異，確定水體雷達(dá)后向散射系數(shù)閾值； 步驟九：在步驟七初步區(qū)分水體對象和非水體對象的基礎(chǔ)上，根據(jù)步驟八中確定的水 體雷達(dá)后向散射系數(shù)閾值，剔除初步區(qū)分水體對象和非水體對象中的非水體對象，準(zhǔn)確提 取水體信息； 步驟十：導(dǎo)出水體對象，生成水體矢量； 步驟i^一 ：在ArcGIS軟件中制作水體專題地圖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ENVISAT ASAR與Landsat TM遙感數(shù)據(jù)面向?qū)ο筇?取水體的方法，其特征在于所述步驟一中對Landsat TM數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理采用正射糾正和幾 何精糾正進(jìn)行預(yù)處理消除地形畸變和幾何畸變。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于ENVISAT ASAR與Landsat TM遙感數(shù)據(jù)面向?qū)?象提取水體的方法，其特征在于所述步驟二中對ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理采用輻射定 標(biāo)、地形校正和濾波處理，將影像的數(shù)值量化值即顏^值轉(zhuǎn)化為后向散射系數(shù)，消除影像地 形畸變、幾何畸變和噪聲； 其中，所述輻射定標(biāo)公式如下： 其中，為第i行第j列像元的后向散射系數(shù)；DNij為第i行第j列像元的數(shù)值量化 值；0 υ是第i行第j列像元的雷達(dá)波入射角度；κ即為絕對定標(biāo)系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于ENVISAT ASAR與Landsat TM遙感數(shù)據(jù)面向?qū)ο筇?取水體的方法，其特征在于所述步驟三中柵格大小為30mX30m。
5·根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于ENVISAT ASAR與Landsat TM遙感數(shù)據(jù)面向?qū)ο筇?取水體的方法，其特征在于所述步驟四中空間配準(zhǔn)以步驟一預(yù)處理完成的Landsat TM數(shù)據(jù) 為基準(zhǔn)，對步驟三預(yù)處理完成的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校準(zhǔn)，誤差控制在〇. 5個像元 以內(nèi)。
【文檔編號】G06F17/50GK104217426SQ201410406360
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】路春燕, 王宗明, 賈明明, 劉明月, 毛德華 申請人:中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所