一种GF‑4卫星遥感影像的水体提取方法技术

本发明专利技术涉及一种改进的光谱角匹配(MSAM)进行GF‑4卫星遥感影像水体提取的方法，其步骤：首先对影像进行几何和辐射校正后，分别进行主成分变换(PCA)、求取归一化差分水体指数(NDWI)与归一化差分植被指数(NDWI)，然后将遥感影像与第一个主成分PC1、第二个主成分PC2、NDWI和NDVI按波段合成组合成一个新的影像，由于影像的光谱值与PC1、PC2、NDWI和NDWI量纲不同，所以对组合后的影像进行归一化。进而构建积水体样本库，利用MSAM方法计算影像中各个像元与水体样本的光谱角度，生成光谱角结果图；通过设定阈值得到水体提取初步结果，最后进行分类结果后处理，得到最终的水体提取结果图。本发明专利技术填补了目前GF‑4卫星遥感影像水体提取方法的空白，实现了GF‑4卫星遥感影像中水体信息的准确提取。

A method for extracting GF 4 satellite remote sensing images of water

The present invention relates to an improved spectral angle matching (MSAM) GF method, the water extraction of the satellite remote sensing images in 4 steps: first, image geometric and radiometric correction, respectively, the principal component transform (PCA), calculate the normalized difference water index (NDWI) and normalized difference vegetation index (NDWI), then the remote sensing image and the first principal component of PC1, second principal components PC2, NDWI and NDVI into a new image according to the band combination, because the image spectral value is different from PC1, PC2, NDWI and NDWI dimension, so normalized combined image. Then construct the water sample library, spectral angle calculation in each image pixel and water samples by using MSAM method, the generated spectral angle map; by setting the threshold of water extraction obtained preliminary results, and finally the classification results postprocessing, get the final water extraction result diagram. The invention fills the blank of current extraction methods of GF 4 satellite remote sensing images of water, extract GF water in 4 satellite remote sensing image information.

【技术实现步骤摘要】
一种GF-4卫星遥感影像的水体提取方法
本专利技术涉及遥感图像分类识别
，具体的说是一种利用改进光谱角匹配进行GF-4卫星遥感影像水体提取的方法。
技术介绍
目前对GF-4卫星遥感影像的水体提取方法缺少针对性的研究，但从提取方法本身来讲，已有的水体提取方法主要包括单波段阈值法、谱间关系法、水体指数法、监督分类等几种类型。其中，单波段阈值法是最简单的水体提取方法。陆家驹和李士鸿(1992)提出红外单波段识别水体的简便迅速的方法，但只能提取水体面积大于4000m2的水体(陆家驹，李士鸿.1992.TM资料水体识别技术的改进.环境遥感，7(1)：17-23)；Frazier和Page(2000)基于LandsatTM影像中红外波段，利用密度分割的方法提取水体信息，取得了较高的精度，但不能精确地提取出细小水体(FrazierPSandPageKJ.2000.WaterbodydetectionanddelineationwithLandsatTMdata.PhotogrammetricEngineeringandRemoteSensing，66(12)：1461-1467)。多波段谱间关系法主要是利用多波段丰富的信息优势来提取水体信息，通过分析水体与背景地物的波谱曲线特征规律，建立逻辑判断规则将水体从影像中提取出。周成虎等(1999)基于LandsatTM影像研究水体信息提取机理时，提出利用(TM2+TM3)＞(TM4+TM5)关系式可以提取水体信息(周成虎，骆剑承，杨晓梅.1999.遥感影像地学理解与分析.北京：科学出版社)；贾永红和李芳芳(2007)结合湿地遥感自身特点提出(TM4+KT3)＞(TM2+TM7)的关系式，不仅可以提取开敞的水体，同时可以将滩涂、芦苇沼泽地等湿地信息提取出来(贾永红，李芳芳.2007.一种新的湿地信息遥感提取方法研究.华中师范大学学报：自然科学版，41(4)：641-644)；水体指数法是基于谱间特征关系，通过特征波段间的比值运算，增强水体与其他地物之间的反差度来识别水体信息。McFeeters(1996)在归一化植被指数(NormalizedDifferenceVegetationIndex，NDVI)基础上提出了归一化差分水体指数(NormalizedDifferenceWaterIndex，NDWI)(McFeetersSK.1996.Theuseofthenormalizeddifferencewaterindex(NDWI)inthedelineationofopenwaterfeatures.InternationalJournalofRemoteSensing，17(7)：1425-1432)；徐涵秋(2005)在NDWI的基础上提出了改进的水体指数(ModifiedNormalizedDifferenceWaterIndex，MNDWI)，该方法能够更好地区分城镇建筑和水体，并且可以很容易地区分阴影和水体，解决了水体提取中难于消除阴影的难题(徐涵秋.2005.利用改进的归一化差异水体指数(MNDWI)提取水体信息的研究.遥感学报，9(5)：589-595)；周小莉等(2016)基于OLI影像进行水体提取时，构建了一种主成分水体指数(PrincipalComponentsWaterIndex，PCWI)，提出利用PCWI指数进行水体提取是可行且有效的(周小莉，郭加伟，刘锟铭.2016.基于陆地成像仪影像和主成分分析的水体信息提取——以鄱阳湖区为例.激光与光电子学进展，(53)：2-8)。监督分类是通过人工选取一定数量的代表性样本，根据已知类别的样本信息，用统计学的方法对整幅影像进行分类的方法，包括最大似然法和支持向量机(supportvectormachine，SVM)等。于欢等(2008)在基于TM影像的典型内陆淡水湿地水体提取研究时提出最大似然法的效果优于其他方法(于欢，张树清，李晓峰，那晓东，孔博.2008.基于TM影像的典型内陆淡水湿地水体提取研究.遥感技术与应用，23(3)：310-315)；段秋亚等(2015)在对GF-1卫星影像水体信息提取方法的适用性研究时，提出SVM法提取精度最高(段秋亚，孟令奎和樊志伟等.2015.GF-1卫星遥感水体信息提取方法的适用性研究.国土资源遥感，27(4)：79-84)；同时也有学者用光谱角匹配算法(SpectralAngleMapping，SAM)进行水体信息提取，齐庆超等(2016)用SAM(Krus等，1993)对黄河小浪底水库周边区域进行水体信息提取，该方法提取的结果受阴影的影响较小，提取精度在99％以上(齐庆超，张小磊，金江峰，金玉.2016.基于光谱角匹配算法的水体信息提取研究.测绘与空间地理信息，39(2)：92-96)。上述的水体提取方法虽然有很好的提取效果，但都是针对其他传感器设计的，而由于传感器的差异性，这些方法不一定适用于GF-4卫星遥感影像。
技术实现思路
本专利技术公开一种新的技术方案，要解决的技术问题是如何实现GF-4卫星遥感影像中水体的准确提取。本专利技术提供一种改进的光谱角匹配MSAM(ModifiedSpectralAngleMapping)GF-4卫星遥感影像水体提取方法。由于GF-4卫星遥感影像数据源较新，目前传统的方法都是针对其他卫星传感器数据的，缺少GF-4卫星专用的水体提取方法。为了实现所述的目的，本专利技术的技术解决方案是：(1)对于给定的GF-4卫星遥感影像，进行几何和辐射校正；(2)基于上述校正完后的影像，分别进行主成分变换(PrincipalComponentAnalysis，PCA)、求取归一化差分水体指数(NormalizedDifferenceVegetationIndex，NDWI)与归一化差分植被指数(NormalizedDifferenceWaterIndex，NDWI)，然后将遥感影像与第一个主成分PC1、第二个主成分PC2、NDWI和NDVI按波段合成得到波段合成影像；(3)由于影像的光谱值与PC1、PC2、NDWI和NDWI量纲不同，基于上述得到合成的影像，按波段进行归一化，得到归一化合成影像；(4)基于上述得到的归一化合成影像，进行水体样本选择构建水体样本库，计算影像中各个像元与水体样本的光谱角，生成光谱角结果图；(5)基于上述的光谱结果图，通过设定阈值进行水体提取，得到水体提取初步结果图；(6)基于上述水体提取初步结果图进行分类后处理，得到水体提取结果图。进一步，GF-4卫星遥感影像几何与辐射校正包括以下步骤：1)通过GF-4卫星自带的有理函数模型实现几何校正；2)辐射校正则从影像的XML头文件中读取定标系数，通过大气校正软件ACTOR-3运用SRTM90m的DEM数据进行大气校正。进一步，波段合成影像的生成包括以下步骤：1)对完成几何和辐射校正的影像，分别进行PCA、求取NDWI与NDWI；2)将遥感影像与第一个主成分PC1、第二个主成分PC2、NDWI和NDVI按波段合成组合成一个新的影像，得到波段合成影像；进一步，归一化波段合成影像的生成包括以下步骤：1)基于上述波段合成影像，按波段将每个波段的值归一化到0-1，得到归一化后的合成影像。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GF‑4卫星遥感影像的水体提取方法，其特征在于：对于给定的GF‑4卫星遥感影像，进行几何和辐射校正；基于上述校正完后的影像，分别进行主成分变换(Principal Component Analysis，PCA)、求取归一化差分水体指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDWI)与归一化差分植被指数(Normalized Difference Water Index，NDWI)，然后将遥感影像与第一个主成分PC1、第二个主成分PC2、NDWI和NDVI按波段合成得到波段合成影像；由于影像的光谱值与PC1、PC2、NDWI和NDWI量纲不同，基于上述得到合成的影像，按波段进行归一化，得到归一化合成影像；基于上述得到的归一化合成影像，进行水体样本选择构建水体样本库，计算影像中各个像元与水体样本的光谱角，生成光谱角结果图；基于上述的光谱结果图，通过设定阈值进行水体提取，得到水体提取初步结果图；基于上述水体提取初步结果图进行分类后处理，得到水体提取结果图。

【技术特征摘要】
1.一种GF-4卫星遥感影像的水体提取方法，其特征在于：对于给定的GF-4卫星遥感影像，进行几何和辐射校正；基于上述校正完后的影像，分别进行主成分变换(PrincipalComponentAnalysis，PCA)、求取归一化差分水体指数(NormalizedDifferenceVegetationIndex，NDWI)与归一化差分植被指数(NormalizedDifferenceWaterIndex，NDWI)，然后将遥感影像与第一个主成分PC1、第二个主成分PC2、NDWI和NDVI按波段合成得到波段合成影像；由于影像的光谱值与PC1、PC2、NDWI和NDWI量纲不同，基于上述得到合成的影像，按波段进行归一化，得到归一化合成影像；基于上述得到的归一化合成影像，进行水体样本选择构建水体样本库，计算影像中各个像元与水体样本的光谱角，生成光谱角结果图；基于上述的光谱结果图，通过设定阈值进行水体提取，得到水体提取初步结果图；基于上述水体提取初步结果图进行分类后处理，得到水体提取结果图。2.根据权利要求1中所述的几何和辐射校正，其特征在于：几何校正通过GF-4卫星自带的有理函数模型实现，辐射校正则从影像的XML头文件中读取定标系数，通过大气校正软件ACTOR-3运用SRTM90m的DEM数据进行大气校正，得到校正以后的影像。3.根据权利要求1中所述的波段合成影像的生成，其特征在于：对完成几何和辐射校正的影像，分别进行PCA、求取NDWI与NDW...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐娉，张伟，赵理君，李素菊，崔燕，刘明，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，民政部国家减灾中心，
类型：发明
国别省市：北京,11