湖滨带虚拟站的湖库时序水位重建方法技术

本发明专利技术公开了湖滨带虚拟站的湖库时序水位重建方法，借助归一化差值水体指数(NDWI)直方图自适应阈值分割方法对多期Landsat影像进行水域范围的提取，然后结合数字高程模型数据并采用湖岸线高程自动提取方法得到影像观测时间的湖泊水位，还可以基于湖滨带高分影像和无人机航测数字地形产品，获取高精度湖泊水位进行交叉验证。该方法通过获取数量更多、时序更长的湖泊水位变化信息，弥补和补充了现有雷达/激光测高卫星覆盖湖泊少、服役年限有限的情况，为偏远地区缺乏站点观测的湖泊变化分析及其多年连续时空演变规律的研究提供了方法支撑。

Reconstruction method of lake reservoir time series water level based on virtual station in Lakeside Zone

The invention discloses a lake reservoir time series water level reconstruction method of the virtual station in the lakeside zone, extracts the water area range of the multi-stage Landsat Image with the help of the normalized difference water index (NDWI) histogram adaptive threshold segmentation method, and then obtains the lake water level of the image observation time by combining the digital elevation model data and adopting the lakeside elevation automatic extraction method, which can also be based on the high score of the lakeside zone Image and UAV aerial survey digital terrain products to obtain high-precision lake water level for cross validation. By acquiring more lake water level change information with longer time sequence, this method makes up for and supplements the situation that the existing radar / laser altimetry satellite covers less lakes and has limited service life. It provides a method support for the analysis of lake change in remote areas without station observation and the study of the law of continuous time-space evolution for many years.

【技术实现步骤摘要】
湖滨带虚拟站的湖库时序水位重建方法
本专利技术涉及水文信息学及遥感科学
，尤其体现星-空-地(多时相遥感卫星影像、无人机航测立体相对与LiDAR数据产品以及数字高程模型)观测集成的湖滨带虚拟站观测的历史长时间序列水位重建的方法。
技术介绍
湖泊对地表水起到保持、净化和储存的作用，是水循环的重要组成部分(Lehneretal.,2004)，其形成演化不仅受流域自然环境因素及变化的影响，而且深受人类活动的干扰(杨桂山等.，2010)，湖泊水域的变化反映区域水平衡(regionalwaterbalance)、生物地球化学平衡(biogeochemicalcycles)、能量和气体与大气的交换(exchangeofenergyandtracegaseswiththeatmosphere)和人类用水量(Shengetal.,2016)，湖泊水量的急剧变化，将对当地的生态环境造成影响(Fengetal.,2012)。相对湖泊的水域变化而言，湖泊水位变化更能够表达湖泊总体的变化情况，是评价湖泊水量平衡的重要指标，为相关研究提供基础性数据支撑，为政府部门决策提供决定性数据依据。早期针对湖泊变化的监测主要是通过实地测量资料进行，这不仅耗时耗力还具有明显的时效性，要满足水资源管理的需求，仅靠地面监测手段是完全不够的。遥感技术具有大面积同步观测、强时效性、数据综合性与可比性、获取信息的手段多、信息量大和高经济与社会效益的特点，而水体独特的光谱特征使其易于遥感识别，遥感技术已经被广泛用于监测湖泊的水域变化。相对光学遥感卫星而言，测高卫星由于脚斑大小和重复周期的原因一般很难覆盖面积较小的湖泊或者得到连续的湖泊水位变化情况(Crétauxetal.,2011)，要想获得数量更多、时间尺度更密集的湖泊水位变化信息，就需要结合DEM综合利用RS和GIS的技术优势进行湖岸线高程信息提取。依据“全域-局部”分步迭代思想(骆剑承等.，2009)和归一化差值水体指数(NDWI)直方图自适应阈值分割方法(李均力等.，2011)，先通过一个较低的NDWI阈值进行全域潜在湖泊水体像元进行初步筛选。基于这个结果再进行潜在水体斑块进行局部NDWI阈值分割，根据双峰分布准则进行逐像元判断，直至划定的湖泊边界稳定。该方法提取精度较高，已经广泛的应用于不同区域的水域范围自动化识别(Wangetal.,2014；Songetal.,2016)。LandsatTM/ETM+/OLI传感器的由于空间分辨率较高(30m)，利用其数据提取湖泊范围能够得到更精确的动态水体变化情况。GIS作为一种十分有效的地理研究和分析工具，能够非常便捷的解决一些基础地理数据处理、分析的问题，后期的数据处理和高程提取都依赖于它(Lietal.,2019)。由于不同湖泊周边地形十分复杂，湖岸周边高程差异较大，一般采用湖泊周边坡度较缓的区域作为研究对象。另外当前在全球尺度上广泛应用的数据高程模型数据主要有SRTMDEM、ASTERGDEM、ALOSAW3D30等，而根据数据测量时间，SRTMDEM更适合研究2000年之后的湖泊变化。综上所述，现有的湖泊水位数据获取，往往因人工观测费时费力，测高卫星覆盖范围少、服役年限有限的情况，而无法获得许多湖泊的水位变化连续完整信息。在此背景下，开展湖泊水位提取方法的研究，可为水文变化相关科学问题的探索提供重要的数据保障和方法支撑，具有重要的科学意义。参考文献[1]LehnerB,P.Developmentandvalidationofaglobaldatabaseoflakes,reservoirsandwetlands[J].JournalofHydrology,2004,296(1-4):1-22.[2]杨桂山,马荣华,张路,等.中国湖泊现状及面临的重大问题与保护策略[J].湖泊科学,2010,22(6):799-810.[3]ShengY,SongC,WangJ,etal.Representativelakewaterextentmappingatcontinentalscalesusingmulti-temporalLandsat-8imagery[J].RemoteSensingofEnvironment,2016,185:129-141.[4]FengL,HuC,ChenX,etal.AssessmentofinundationchangesofPoyangLakeusingMODISobservationsbetween2000and2010[J].RemoteSensingofEnvironment,2012,121:80-92.[5]CrétauxJ-F，JelinskiW，CalmantStéphane，etal.SOLS:AlakedatabasetomonitorintheNearRealTimewaterlevelandstoragevariationsfromremotesensingdata[J].Advancesinspaceresearch,2011,47(9):1497-1507.[6]骆剑承，盛永伟，沈占锋，等.分步迭代的多光谱遥感水体信息高精度自动提取[J].遥感学报,2009,13(04):610-615.[7]李均力，盛永伟，骆剑承.喜马拉雅山地区冰湖信息的遥感自动化提取[J].遥感学报,2011,15(01):29-43.[8]WangJ，ShengY，TongTSD.MonitoringdecadallakedynamicsacrosstheYangtzeBasindownstreamofThreeGorgesDam[J].RemoteSensingofEnvironment,2014,152:251-269.[9]SongC，ShengY.Contrastingevolutionpatternsbetweenglacier-fedandnon-glacier-fedlakesintheTanggulaMountainsandclimatecauseanalysis[J].Climaticchange,2016,135(3-4):493-507.[10]LiX,LongD,HuangQ,etal.High-temporal-resolutionwaterlevelandstoragechangedatasetsforlakesontheTibetanPlateauduring2000–2017usingmultiplealtimetricmissionsandLandsat-derivedlakeshorelinepositions[J].EarthSystemScienceData,2019,11(4):1603-1627.
技术实现思路
为弥补和补充现有雷达/激光测高卫星覆盖湖泊少、服役年限有限的情况，本专利技术提出了一种基于星-空-地遥感立体观测的湖滨带虚拟站的湖库时序水位重建方法，采用可公开免费获取的数字高程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种湖滨带虚拟站的湖库时序水位重建方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、基于卫星遥感影像数据提取湖泊水域范围，根据湖泊边界的完整程度将影像分为湖泊边界完整和不完整两类；/n步骤2、根据湖泊边界完整的影像数据选定虚拟站区域；/n步骤3、基于两类影像中虚拟站区域湖岸线完整的湖泊提取结果按照历史观测时间先后进行岸线整理；/n步骤4、收集并处理步骤2提取的虚拟站区域覆盖的高分影像，提取湖滨带边界，并对该区域进行无人机航测，得到倾斜摄影图像以及LiDAR扫描数据并生成数字地形产品；结合提取的湖滨带边界和生成的数字地形产品提取湖滨带高程，获取水位数据；/n步骤5、基于步骤3的湖岸线整合结果，结合DEM数据进行湖岸线高程提取，代表影像观测时间的湖泊水面高程；/n步骤6、基于步骤5的高程提取结果，获取湖泊水位数据，并利用步骤4获取的水位数据与其进行交叉验证。/n

【技术特征摘要】
1.一种湖滨带虚拟站的湖库时序水位重建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、基于卫星遥感影像数据提取湖泊水域范围，根据湖泊边界的完整程度将影像分为湖泊边界完整和不完整两类；
步骤2、根据湖泊边界完整的影像数据选定虚拟站区域；
步骤3、基于两类影像中虚拟站区域湖岸线完整的湖泊提取结果按照历史观测时间先后进行岸线整理；
步骤4、收集并处理步骤2提取的虚拟站区域覆盖的高分影像，提取湖滨带边界，并对该区域进行无人机航测，得到倾斜摄影图像以及LiDAR扫描数据并生成数字地形产品；结合提取的湖滨带边界和生成的数字地形产品提取湖滨带高程，获取水位数据；
步骤5、基于步骤3的湖岸线整合结果，结合DEM数据进行湖岸线高程提取，代表影像观测时间的湖泊水面高程；
步骤6、基于步骤5的高程提取结果，获取湖泊水位数据，并利用步骤4获取的水位数据与其进行交叉验证。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，卫星遥感影像数据选用Landsat正射遥感反射率数据产品，并根据归一化差值水体指数直方图自适应阈值分割方法进行水域范围提取。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，基于湖泊边界完整的影像数据选取湖岸变化明显的区域，再叠加DEM数据，选择周边地形坡度较缓的湖岸线部分作为虚拟站区域。


4....

【专利技术属性】
技术研发人员：宋春桥，詹鹏飞，
申请(专利权)人：中国科学院南京地理与湖泊研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32