|
我国洪涝、干旱灾害和水资源短缺等水问题突出，地面监测系统目前还不能实现全面覆盖。高分三号卫星具有全天候全天时对地观测能力，可以不分昼夜、阴雨天气进行对地观测。针对洪涝灾害监测、水资源管理等水利应用需求，基于可以常态化接收的国产雷达数据，实现水体的自动化提取，可以补充地面监测能力的不足，在提升我国水利监测能力方面发挥重要作用。
常用的雷达水体提取技术包括目视解译、监督分类、纹理特征分析、动态轮廓模型、阈值分割等。阈值分割法是应用最为广泛的水体提取方法，其原理是设定阈值分割雷达影像，将图像中小于阈值部分标记为水体，大于阈值部分标记为背景，获得水体范围二值图。该方法易于实现，速度快，但难点在于阈值的确定。最直接的方式是通过人机交互的方式选取阈值，但当处理大批量数据时效率低下，并且获取的结果主观性强，可追踪性差。针对人机交互阈值选取方法上的不便，自动化阈值选取方法被应用到水体提取算法中。常用的自动阈值分割选取方法有双峰法、OTSU 方法、最大熵阈值法和最小误差阈值法。
出于自动化、业务化的考虑，所应用的雷达水体提取方法应具有简单、稳定、快速的特点，并具有满足业务需求的提取精度。结合上述常用水体提取方法，文章采用双峰法进行业务化水体提取工作。直观上说，双峰法寻找阈值的过程，是根据雷达影像后向散射系数统计分布直方图呈现出的双峰值特征、在两峰之间寻找波谷的过程。
为了验证雷达水体提取算法的有效性，在全国范围内选取了3个典型湖库进行实验，分别是云南省阳宗海、江苏省洪泽湖和北京市密云水库。结论：(1)直方图呈现典型的双峰特征分布，水体和背景像元被自动化寻找的阈值有效分割;(2)水体提取的精度对极化方式的选取并不敏感。
阳宗海试验区：
a 后向散射系数影像
b 水体提取结果
c 后向散射系数直方图
洪泽湖实验区：
a 后向散射系数影像
b 水体提取结果
c 后向散射系数直方图
密云水库实验区：
a 后向散射系数影像
b 水体提取结果
c 后向散射系数直方图
实验证明基于单景雷达影像自动提取水体的理论和方法具有可行性，该方法速度快，不需人工选取阈值，具有较高精度，能满足洪涝监测、水资源管理等业务化需求。在合适的软、硬件运行环境下，利用该自动化算法实现业务化水体提取的流程。
业务化水体提取流程图
高分三号卫星为洪涝监测、旱情监测等水资源管理业务提供了有力的数据支撑。基于高分三号影像在水体提取中的巨大应用潜力，该文设计了一种基于影像直方图自动化阈值分割的水体提取方法。
该方法简单、快速且无需人工干预，适用于业务化水体提取任务，分别从理论和实验两方面验证了该方法的有效性，分析了不同极化方式对水体提取进度的影响，发现4种极化方式下的提取精度均能满足水体提取任务的需求，在批量生产中可以根据实际情况任选一种极化方式的数据提取水体。
根据实际业务需求整理了高分三号业务化水体提取流程，为自动化完成高分三号SAR数据从数据接收到获得水体提取结果，提供了规范性操作指导，为湖库日常监测、洪涝灾害监测等涉水事件提供了有力的技术支撑，高效的水体自动提取也为农田水利管理提供了技术支持。后续将进一步开展基于极化SAR的水体提取研究，提高高分三号卫星在水利领域的应用水平。
|
