一种基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法，包括：(1)获取遥感卫星影像及DEM数据并分别进行预处理；(2)全局冰湖粗提取：根据预处理后的遥感卫星影像得到整个区域的归一化冰湖指数NDWI值，结合近红外波段NIR值及短波红外波段SWIR值，对整幅图像设置NDWI、NIR、SWIR的阈值去除冰川及其它部分地物的影响；利用预处理后的DEM数据生成区域的坡度图，并设定坡度阈值去除山体阴影的影响，粗略提取出所有冰湖以及混有的部分背景；(3)局部冰湖精提取：在冰湖粗提取的结果上，利用引入符号压力函数的C‑V模型逐个精确提取冰湖；本发明专利技术的提取方法能有效去除影响冰湖提取的各类因素，达到准确提取，同时针对图像中的较小冰湖，也有较好的提取效果。

A method of extracting ice lake in plateau area based on remote sensing satellite image

The invention discloses a method for extracting, plateau glacial lake of remote sensing satellite images based on including: (1) acquiring remote sensing satellite images and DEM data were preprocessed; (2) the global ice lake extract: according to the remote sensing image after preprocessing to obtain normalized ice lake index NDWI whole area value combined with near infrared and shortwave infrared band NIR SWIR, NDWI, NIR, SWIR influence on the whole image threshold to remove part of glaciers and other objects; using the DEM data generation area after pretreatment of slope map, and set the threshold to remove the shadow of the mountain slope, extract the rough ice and mixed Lake some part of the background; (3) local ice lake in lake ice: accurate extraction of crude extraction results, accurate extraction of ice lake by C one by one V model into the symbolic function of pressure; the extraction methods of the present invention It can effectively remove all kinds of factors affecting the extraction of ice lake, and achieve accurate extraction. At the same time, it also has better extraction effect for the smaller ice lake in the image.

【技术实现步骤摘要】
一种基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法
本专利技术涉及遥感
，特别是涉及一种基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法。
技术介绍
冰湖被认为是能够反映全球变化的重要因子之一，是全球气候变化与冰川退缩共同作用所形成的产物。冰湖的状态及其变化情况不仅能够侧面反映出全球气候的整体变化趋势，也能够为评价冰湖溃决灾害做出预警。然而，实地调查冰湖效率低，困难大，因此对冰湖信息的研究多集中于利用遥感影像对其进行提取和后续分析。目前遥感影像中的冰湖提取研究较少，主要方法可以分为以下4类：①手工数字化。即通过人工目视解译的方式，对冰湖进行识别，并对其边界进行人工手工数字化，实现冰湖的提取。例如1987年中国和尼泊尔联合对喜马拉雅山地区的冰湖进行编目(徐道明,冯清华.西藏喜马拉雅山危险冰湖及其溃决特征[J].地理学报,1989,44(3))。该方法存在的问题：需要投入大量的人力资源，且受判别人员的主观经验影响较大，一些易与环境混淆的冰湖难以被识别，不能够快速的大范围提取冰湖。②基于光谱信息的冰湖提取。典型的冰湖提取方法为分步迭代的多光谱遥感水体信息自动提取(骆剑承,盛永伟,沈占峰,等.分步迭代的多光谱遥感水体信息高精度的自动提取[J].遥感学报.2009,13(4):610-615)，基于双峰阈值分割方法的冰湖提取(LiJunli,ShengYongwei.AnAutomatedSchemeforGlacialLakeDynamicsMappingUsingLandsatImageryandDigitalElevationModels:aCaseStudyintheHimalayas[J].InternationalJournalofRemoteSensing.2012,33(16):5194-5213)，这类方法基于冰湖像元的光谱信息，对冰湖进行先全局提取，后局部提取的思路，并有效的考虑到了一些影响冰湖提取的因素。该方法存在的问题：该方法为基于像元的方法，只要是符合阈值条件的像元都会被提取出来，由此反而会在冰湖提取的过程中产生噪声；其次对于无法去除的山体阴影，后期还需手动去除；另外，这类方法仅从光谱角度入手，而忽略掉了冰湖的形状信息，提取出的冰湖边界往往是一些像元的边界，这导致冰湖的形状不够平滑；最后冰湖的边界信息本身相对模糊，因此这类方法对于冰湖边界的提取不够准确，尤其体现在一些易与周围环境混淆的细小冰湖上。③基于机器学习方法的冰湖提取。这类方法的代表方法包括神经网络(杨文亮,杨敏华,祁洪霞.利用BP神经网络提取TM影像水体[J].测绘科学,2012,37(1):148-150)，决策树(杨树文,薛重生,刘涛,等.一种利用TM影像自动提取细小水体的方法[J].测绘学报.2010,39(6):611-617)，聚类算法(YangY.H.,LiuY.X.,ZhouM.X.."Landsat8OLIImageBasedTerrestrialWaterExtractionfromHeterogeneousBackgroundsUsingaReflectanceHomogenizationApproach."RemoteSensingofEnvironment.,vol.171,pp.14-32,2015.)。这类方法的思路即从研究区域中选择一小块样本区域作为训练数据，然后选择合适的模型进行训练，并将此模型应用于整个研究区，实现对冰湖的大范围提取。该方法存在的问题：这类方法的提取精度很大程度上依靠于训练样本的选择，如何选择合适的样本是这类方法的关键问题；另一方面，训练样本的选择仍要耗费一定的人力和时间，且实现合适样本的自动化选择仍旧比较困难。④基于图像分割的方法。代表方法为面向对象法(BlaschkeT.ObjectBasedImageAnalysisforRemoteSensing[J].ISPRSJournalofPhotogrammetryandRemoteSensing.2010,65:2-16)，选取合适的分割尺度，将图像分割成若干个小区域，通过对冰湖的目视解译，合并组成冰湖的小区域，实现对冰湖的提取。该方法存在的问题：当研究范围非常大的时候，不同冰湖的形状特征差别非常大，因此合适的分割尺度较难选择；另外目前虽有相关成熟的软件，如易康(eCognition)，但该方法仍需少量人力做后处理工作。目前对冰湖的提取，多数研究是基于冰湖的光谱信息，设定合适的水体指数和阈值，实现冰湖的提取。从现有技术来看，针对冰湖提取的研究还不够深入，冰湖与其他类型湖泊存在显著区别，且影响冰湖提取的因素众多，例如山体阴影，融化冰川等。现有方法对这些因素的分析不够深入，难以去除这些因素的干扰，且实现冰湖的自动化提取，或多或少都需要人工干预，这就导致了当前冰湖提取方法的效率较低，精度较差。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种提取效率及精度较高的基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法，包括如下步骤：(1)获取数据及预处理:获取遥感卫星影像及DEM数据并分别进行预处理；(2)全局冰湖粗提取：根据预处理后的遥感卫星影像得到整个区域的归一化冰湖指数NDWI值，结合近红外波段NIR值及短波红外波段SWIR值，对整幅图像设置NDWI、NIR、SWIR的阈值去除冰川及其它部分地物的影响；利用预处理后的DEM数据生成区域的坡度图，设定坡度阈值去除山体阴影的影响，粗略提取出所有冰湖以及混有的部分背景；(3)局部冰湖精提取：对全局冰湖粗提取出的所有目标对象进行编号并以膨胀的方式建立缓冲区，利用引入符号压力函数的C-V模型在每一个缓冲区内精确提取冰湖；当前冰湖提取完毕后，则进行下一个冰湖的提取，直至所有冰湖提取完毕。进一步地，所述(1)中，遥感卫星影像选择空间分辨率为30米的Landsat-8数据，DEM数据选择空间分辨率为30米的ASTERV2数据。进一步地，所述Landsat-8数据的成像时间选择9-11月之间的无云数据。进一步地，所述(1)中，遥感卫星影像预处理包括图像裁剪和像元DN值转换为大气顶层表观反射率TOA；DEM数据预处理包括对DEM数据的裁剪。进一步地，所述(2)全局冰湖粗提取具体包括如下步骤：①计算整个区域的NDWI值，NDWI定义为：其中，ρGreen表示绿光波段的大气顶层表观反射率，ρNIR表示近红外波段的大气顶层表观反射率；将NDWI初始阈值设为0.4；NIR初始阈值设为0.15，SWIR初始阈值设为0.05；②利用DEM数据生成研究区域的坡度图，选取的初始坡度slope阈值为15°；即全局冰湖粗提取的条件可以定义为：③生成冰湖二值掩膜影像：经过多重阈值的过滤，得到含有冰湖及部分背景信息的二值掩膜图像，将该图像作为全局冰湖粗提取的结果；④形态学开运算去除冰湖提取的噪声：对图像进行腐蚀运算，去除部分像元数量小于5的斑块，之后对图像进行膨胀，填充空洞区域。进一步地，所述(3)局部冰湖精提取的具体步骤为：①对全局粗提取出的所有目标对象进行编号1，……，i，……，n；②对编号第i个湖泊以膨胀的方式建立缓冲区，直到膨胀后的面积约为膨胀前面积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取数据及预处理:获取遥感卫星影像及DEM数据并分别进行预处理；(2)全局冰湖粗提取：根据预处理后的遥感卫星影像得到整个区域的归一化冰湖指数NDWI值，结合近红外波段NIR值及短波红外波段SWIR值，对整幅图像设置NDWI、NIR、SWIR的阈值去除冰川及其它部分地物的影响；利用预处理后的DEM数据生成区域的坡度图，设定坡度阈值去除山体阴影的影响，粗略提取出所有冰湖以及混有的部分背景；(3)局部冰湖精提取：对全局冰湖粗提取出的所有目标对象进行编号并以膨胀的方式建立缓冲区，利用引入符号压力函数的C‑V模型在每一个缓冲区内精确提取冰湖；当前冰湖提取完毕后，则进行下一个冰湖的提取，直至所有冰湖提取完毕。

【技术特征摘要】
1.一种基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取数据及预处理:获取遥感卫星影像及DEM数据并分别进行预处理；(2)全局冰湖粗提取：根据预处理后的遥感卫星影像得到整个区域的归一化冰湖指数NDWI值，结合近红外波段NIR值及短波红外波段SWIR值，对整幅图像设置NDWI、NIR、SWIR的阈值去除冰川及其它部分地物的影响；利用预处理后的DEM数据生成区域的坡度图，设定坡度阈值去除山体阴影的影响，粗略提取出所有冰湖以及混有的部分背景；(3)局部冰湖精提取：对全局冰湖粗提取出的所有目标对象进行编号并以膨胀的方式建立缓冲区，利用引入符号压力函数的C-V模型在每一个缓冲区内精确提取冰湖；当前冰湖提取完毕后，则进行下一个冰湖的提取，直至所有冰湖提取完毕。2.根据权利要求1所述的基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法，其特征在于，所述(1)中，遥感卫星影像选择空间分辨率为30米的Landsat-8数据，DEM数据选择空间分辨率为30米的ASTERV2数据。3.根据权利要求2所述的基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法，其特征在于，所述Landsat-8数据的成像时间选择9-11月之间的无云数据。4.根据权利要求1所述的基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法，其特征在于，所述(1)中，遥感卫星影像预处理包括图像裁剪和像元DN值转换为大气顶层表观反射率TOA；DEM数据预处理包括对DEM数据的裁剪。5.根据权利要求1所述的基于遥感卫星影像的高原地区冰湖提取方法，其特征在于，所述(2)全局冰湖粗提取具体包括如下步骤：①计算整个区域的NDWI值，NDWI定义为：其中，ρGreen表示绿光波段的大气顶层表观反射率，ρNIR表示近红外波段的大气顶层表观反射率；将NDWI初始阈值设为0.4；NIR初始阈值设为0.15，SWIR初始阈值设为0.05；②利用DEM数据生成研究区域的坡度...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈方，赵航，张美美，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11