本發(fā)明屬于水文遙感領(lǐng)域，特別涉及一種基于數(shù)字地形約束和衛(wèi)星遙感的時令河自動繪制方法。

背景技術(shù)：

1、河流源于地表圈層各系統(tǒng)間復(fù)雜的交互作用，通過提供生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)服務(wù)功能、影響氣候變化和提供淡水資源，在地球水循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。近年來，人類活動和氣候變化改變了全球水文循環(huán)，致使全球大多數(shù)河流變得脆弱、不穩(wěn)定。這些不穩(wěn)定的河流控制著物質(zhì)運輸通道，影響著區(qū)域排水格局、水文循環(huán)過程和生態(tài)服務(wù)功能。

2、掌握河流的空間格局是評估河流連通性、揭示水文循環(huán)過程和生態(tài)環(huán)境影響的重要基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)階段全球河流的空間分布尚未完全記錄，尤其是時令河流，其動態(tài)多變的特點使其極難被精細(xì)化監(jiān)測。實地測量是繪制河流分布、獲取河流水文參數(shù)最準(zhǔn)確的方法，但大尺度廣域調(diào)查無法突破經(jīng)濟、現(xiàn)實等因素的限制。遙感對地觀測技術(shù)的發(fā)展，不僅提高了河流觀測的空間精細(xì)化程度，也提高了河流觀測的頻次。遙感繪制河流分布主要通過兩種途徑實現(xiàn)，一種是基于地形衍生的遙感數(shù)字產(chǎn)品，如數(shù)字高程模型（dem）。dem數(shù)據(jù)提供了包括潛在的集水線網(wǎng)絡(luò)和高程等相關(guān)的河流信息，但目前全球公開最高空間分辨率的dem數(shù)據(jù)僅30米，其精度和空間分辨率限制了提取狹窄時令河流的能力，且無法反映真實的水體淹沒情況和時間動態(tài)信息。另一種是通過遙感影像繪制河水的淹沒范圍，但二維影像中難以自動化區(qū)分河流與其他類型水體。此外，即便采用多衛(wèi)星協(xié)同觀測的方式，最終結(jié)果也是河流在多個時刻呈現(xiàn)的瞬時狀態(tài)，依然無法突破對于動態(tài)多變的時令河流連續(xù)、精細(xì)化表達(dá)的技術(shù)瓶頸，難以在大區(qū)域尺度推廣使用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種基于數(shù)字地形約束和衛(wèi)星遙感的時令河自動繪制方法，采用數(shù)字高程模型dem數(shù)據(jù)衍生的集水線網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星遙感影像提取水淹范圍，反映河水淹沒的連續(xù)狀態(tài)，實現(xiàn)對動態(tài)多變時令河流的精細(xì)化繪制。

2、一種基于數(shù)字地形約束和衛(wèi)星遙感的時令河自動繪制方法，包括：

3、獲取研究區(qū)dem衍生的集水線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)；

4、將集水線網(wǎng)絡(luò)的線數(shù)據(jù)向兩側(cè)生成預(yù)設(shè)距離的緩沖區(qū)，形成時令河的潛在水淹區(qū)域；

5、對每一景衛(wèi)星遙感影像提取影像中的水域范圍，將所有影像提取的水域范圍空間聚合，計算時段內(nèi)潛在水淹區(qū)域的水體淹沒頻率；

6、獲取不同水淹狀態(tài)對應(yīng)的水域范圍，包括最大、平均和瞬時水淹狀態(tài)；

7、將不同水淹狀態(tài)的水域范圍的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 n連通空間對象，通過水體對象與線數(shù)據(jù)的相交情況獲取理論河道范圍；

8、對理論河道范圍通過形態(tài)學(xué)運算生成河道中心線；

9、由河道中心線參照河道水邊線，通過形態(tài)學(xué)距離變換運算，逐段估算河流的寬度，完成時令河自動繪制。

10、作為一種優(yōu)選的實施方式，還包括，生成緩沖區(qū)后對緩沖區(qū)進行空間相交判斷，聚合空間重疊的組件后形成時令河的潛在水淹區(qū)域。

11、作為一種優(yōu)選的實施方式，還包括，對衛(wèi)星遙感影像進行無效像元剔除后，計算歸一化水體指數(shù)。進一步的，所述無效像元包括云、雪、山體陰影像元；所述云、雪像元基于遙感影像同期云概率數(shù)據(jù)獲取，所述山體陰影像元基于遙感影像同期dem數(shù)據(jù)獲取。

12、作為一種優(yōu)選的實施方式，所述水域范圍的提取方式為：

13、計算每一景影像的歸一化水體指數(shù)ndwi，對每一景ndwi灰度圖像分別統(tǒng)計頻率分布特征，采用等間距步長搜索類間方差最大的分割閾值，基于分割閾值分割ndwi灰度圖像，提取水域范圍。

14、作為一種優(yōu)選的實施方式，根據(jù)抽樣調(diào)查結(jié)果確定不同水淹狀態(tài)的水體頻率分割閾值，獲取不同水淹狀態(tài)對應(yīng)的水域范圍。

15、作為一種優(yōu)選的實施方式，所述理論河道范圍的獲取方式為：

16、對水體對象與潛在水淹區(qū)域進行相交判斷，滿足相交條件的對象為高置信度河道對象，否則為初始低置信度河道對象；

17、遍歷初始低置信度河道對象并與高置信度河道對象進行相鄰判斷，如果相鄰，則將初始低置信度河道對象定為中置信度河道對象，否則為低置信度河道對象；

18、將中、高置信度河道對象進行條件判斷，判斷條件設(shè)定為“總像元數(shù)大于 a”或“最大水淹頻率大于 b%”或“對象長寬比大于 c”，滿足條件則保留為河道對象，否則刪除； a、 b、 c為預(yù)設(shè)閾值。

19、作為一種優(yōu)選的實施方式，還包括對于保留的河道對象執(zhí)行形態(tài)學(xué)閉運算，獲得理論河道范圍。

20、作為一種優(yōu)選的實施方式，對理論河道范圍循環(huán)執(zhí)行腐蝕操作和形態(tài)學(xué)開運算，直至河道柵格圖像被完全腐蝕，獲得河道中心像元。

21、作為一種優(yōu)選的實施方式，所述通過形態(tài)學(xué)距離變換運算，逐段估算河流的寬度包括：

22、采用形態(tài)學(xué)距離變換函數(shù)計算河道柵格內(nèi)所有像元距離水邊線的最短歐式距離，提取河道中心像元對應(yīng)的距離值；

23、遍歷河道中心像元，統(tǒng)計每一個像元3*3鄰域內(nèi)河道像元的數(shù)量，若數(shù)量≤3則判定該處河道為單一像元寬度，基于遙感影像分辨率將單一像元寬度屬性賦值為 l米；若數(shù)量＞3則將該處像元距離水邊線歐氏距離的二倍作為河道寬度

24、作為一種優(yōu)選的實施方式，將不同水淹狀態(tài)的水域范圍的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為八連通空間對象，通過水體對象與所述潛在水淹區(qū)域的相交情況獲取理論河道范圍。通常采用四連通或八連通空間對象進行水處理，本申請中，采用八連通處理相比四連通判斷精度更高，例如寬度較窄的時令河流在10米分辨率的影像上大多表現(xiàn)就是1~2個像元，像元之間對角連接的情況比較多。如果采用四連通，此類對角連接的兩個像元會被打散成獨立的對象，而選擇八連通情況下對角連接的兩個像元仍可連成一個整體，避免判斷時誤刪除。

25、作為一種優(yōu)選的實施方式，所述衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為sentinel-2衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

26、本發(fā)明具有如下有益效果：

27、（1）本發(fā)明提出的時令河流自動繪制方法，大幅簡化了野外實測工作量，基于可公開獲取的遙感數(shù)字產(chǎn)品和影像即可完成，特別適合于資料缺測地區(qū)；

28、（2）本發(fā)明算法實施簡單，可快速繪制河流空間分布，應(yīng)用于大空間尺度河流動態(tài)變化監(jiān)測，對不同流態(tài)、不同地貌環(huán)境的河流具有良好的適用性，可推廣至大區(qū)域乃至全球尺度研究，為揭示全球變化背景下區(qū)域河流水文情勢時空演變特征提供方法支撐。

技術(shù)特征：

1.一種基于數(shù)字地形約束和衛(wèi)星遙感的時令河自動繪制方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括，生成緩沖區(qū)后對緩沖區(qū)進行空間相交判斷，聚合空間重疊的組件后形成時令河的潛在水淹區(qū)域。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括，對衛(wèi)星遙感影像進行無效像元剔除后，計算歸一化水體指數(shù)；所述無效像元包括云、雪、山體陰影像元；所述云、雪像元基于遙感影像同期云概率數(shù)據(jù)獲取，所述山體陰影像元基于遙感影像同期dem數(shù)據(jù)獲取。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述水域范圍的提取方式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)抽樣調(diào)查結(jié)果確定不同水淹狀態(tài)的水體頻率分割閾值，獲取不同水淹狀態(tài)對應(yīng)的水域范圍。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述理論河道范圍的獲取方式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括對于保留的河道對象執(zhí)行形態(tài)學(xué)閉運算，獲得理論河道范圍。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對理論河道范圍循環(huán)執(zhí)行腐蝕操作和形態(tài)學(xué)開運算，直至河道柵格圖像被完全腐蝕，獲得河道中心像元。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述通過形態(tài)學(xué)距離變換運算，逐段估算河流的寬度包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將不同水淹狀態(tài)的水域范圍的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為八連通空間對象，通過水體對象與所述潛在水淹區(qū)域的相交情況獲取理論河道范圍。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字地形約束和衛(wèi)星遙感的時令河自動繪制方法?；跀?shù)字地形模型DEM衍生集水線網(wǎng)絡(luò)和遙感影像，實現(xiàn)對指定時段時令河的自動提取與繪制。本方法以數(shù)字地形模型DEM衍生集水線網(wǎng)絡(luò)作為空間約束條件，使用光學(xué)遙感影像水體指數(shù)法結(jié)合自適應(yīng)閾值分割實現(xiàn)研究時段內(nèi)逐景影像的自動化水體提取，并通過計算時段內(nèi)水體發(fā)生頻率克服時令河動態(tài)、多變導(dǎo)致監(jiān)測困難的問題。隨后，采用基于對象的形態(tài)學(xué)運算生成河流掩膜中心線，并估算時令河在多種水體狀態(tài)下長度、寬度、水域面積等指標(biāo)。該方法顧及時段內(nèi)時令河的連續(xù)變化狀態(tài)，可快速、自動繪制出河流空間分布，為理解資料缺測地區(qū)河流水文情勢時空演變特征提供方法支撐。

技術(shù)研發(fā)人員：宋春橋,曾繁軒
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5