一种基于时间序列遥感影像和水位监测数据的洲滩枯水位以上地形重建方法技术

本发明专利技术主要针对面积随河流水位变化年内变化较大的河流洲滩，提供一种基于时间序列卫星遥感数据和水位监测数据的河流洲滩枯水位以上地形重建方法。本发明专利技术从ESA/Sentinel‑2遥感影像提取时间序列的河流洲滩边界线，自动抓取对应时间的洲滩上下游最近水文站的水位观测数据，获取洲滩水位线高程或洲滩水位线各个特征点的高程信息，通过空间插值，建立洲滩自枯水位线以上的地形。本发明专利技术能够在不开展实地测量的情况下，充分利用现有卫星遥感资料和水位监测资料，适合受水位变化影响面积变化明显的洲滩，建立枯水位线以上的洲滩地形，对洲滩的冲刷淤积分析、保护和开发利用有重大意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间序列遥感影像和水位监测数据的洲滩枯水位以上地形重建方法
本专利技术涉及测绘遥感和水利
，具体是一种基于时间序列遥感影像和水位监测数据的河流洲滩枯水位以上地形重建方法。
技术介绍
基于水准仪及全站仪的传统地形测量方法，对区域地形测量的技术路线是由点到线再到面的地形测量方法。实地测量作业精度高，但是条件艰苦，效率低，人力财力消耗大。水下地形测量主要是船载测深仪测量。河流洲滩广布，而且洲滩受水位影响大，枯水期洲滩面积大，洪水期洲滩面积小，洲滩地形测量是一项长期困扰的难题，“船测难上滩，人测难下水”。船载测量水下地形方法受船舶需要足够的水深才能航行的限制，对于在洪水期完全淹没的洲滩可以开展水下地形测量的方式获取洲滩地形，但是对于洪水期间没有完全淹没的洲滩，由于其附近水域水深通常较浅，测船难以靠近，人力徒步上滩测量更是通行困难，洲滩泥深、滩陷、沟槽多变，不仅测量效率低下，而且存在人身及设备安全风险。摄影测量是建立在地物摄影像对基础上的光学影像测量方法。该方法适宜于有一定地形起伏的山地丘陵地形测量，但洲滩大多地形较为平缓，而且洲滩高概率定期被洪水淹没，地表覆盖简单，难以确定特征点，也难以形成有效的立体摄影像对，不适宜于洲滩湿地地形测量。机载激光探测和测距系统技术(LiDAR)可快速获得大范围滩涂地形信息，叶松等在清江流域湖北省长阳县使用LiDAR数据构建DEM(叶松等，2010)；但LiDAR技术受到洲滩植被、质地等差异，施测时的天气和潮汐条件等因素制约，而且LiDAR设备硬件成本较高，在涉水区域开展机载外业测量，作业风险较高，难以使用LiDAR技术有效开展河流洲滩地形监测。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于时间序列遥感影像和水位监测数据的河流洲滩枯水位以上地形重建方法，可以解决现有技术采集洲滩地形成本高、风险大等不足。一种基于时间序列遥感影像和水位监测数据的河流洲滩枯水位以上地形重建方法，包括如下步骤：步骤1，确定面积随河流水位变化年内变化较大的河流洲滩作为地形重建对象；步骤2，选择典型洲滩，根据其所在位置，确定该洲滩在河流上下游距离最近的水文监测站；步骤3，以ESA/Sentinel-2卫星数据为主要数据源，收集典型洲滩任一年内的时间序列遥感影像数据，将ESA/Sentinel-2时间序列遥感影像进行预处理，并通过构建MNDWI或NDWI水体指数，提取基于遥感数据的时间序列洲滩边界线；步骤4，根据遥感影像的成像时间，自动抓取该洲滩上下游最近水文监测站在离遥感影像成像时间最近时间点的水位数据，并计算在该时间点上下游最近水位监测断面之间的比降；步骤5，根据步骤4获取的上下游最近水文站之间的比降以及洲滩中心点或洲滩边界线各个特征点与上下游最近水文站的距离，计算水位等高线的高程信息或洲滩边界线各个特征点的高程信息；步骤6，将步骤3基于任一遥感影像提取的洲滩边界线和步骤5从水位监测数据获取的水位等高线的高程信息或洲滩边界线各个特征点的高程信息进行集成，得到三维水边线；并以此类推将时间序列的遥感影像提取的水位等高线或洲滩边界线各个特征点的高程信息都进行集成；步骤7，采用空间插值方法，根据步骤6获得的任一年内时间序列的三维水边线，利用现有GIS软件的3D分析功能生成TIN(不规则三角网)，并构建河流洲滩枯水位以上的数字地形模型；步骤8，利用监测区域内的新近实测地形数据，采用总体平均高程对比方法，在重叠测区对步骤7获取的受测典型洲滩枯水位以上数字地形与新近实测地形进行精度检验，最终完成监测区域的洲滩枯水位以上地形图。进一步的，所述步骤3中的预处理具体包括：图像裁剪、辐射定标、影像配准、云检测。进一步的，所述步骤3中通过构建MNDWI或NDWI水体指数，提取基于遥感数据的洲滩边界线具体为：利用ENVI遥感软件，分析洲滩植被、洲滩沙地、水体在不同时间的ESA/Sentinel-2卫星影像各个波段的光谱特征，同时分析现有水体指数如NDWI、MNDWI在不同季节区分洲滩和水体等辨识度，然后对任一ESA/Sentinel-2卫星影像，选择合适的水体指数或者特征波段，通过目视判读或影像分类算法，提取基于遥感数据的洲滩边界线。进一步的，所述步骤4中使用Python程序从水文水资源局网站自动抓取该洲滩上下游最近水位监测断面在离遥感影像成像时间最近时间点的水位数据。进一步的，所述步骤5具体包括：(1)对于面积较小或顺水流方向较短的洲滩，洲头和洲尾水位接近，假定洲滩边界线和水位等高线一致，根据步骤4获取的上下游最近水文站之间的比降和洲滩中心点与上下游最近水文站的距离，获取水位等高线的高程；(2)对于面积较大或顺水流方向较长的洲滩，洲头和洲尾存在一定水位差，在洲滩边界线上每间隔一定距离设置一个特征点，根据步骤4获取的上下游最近水文站之间的比降和洲滩边界线各个特征点与上下游最近水文站的距离，获取洲滩边界线各个特征点的高程。进一步的，在洲滩边界线上每间隔100米设置一个特征点。本专利技术能够在不开展实地测量的情况下，针对面积随河流水位变化年内变化较大的河流洲滩，充分利用现有高时间、空间分辨率的卫星遥感资料和水位监测资料，通过构建MNDWI或NDWI水体指数特征参数，采用目视判读或面向对象分类技术提取洲滩边界线，并计算相应高程信息，利用现有GIS软件3D分析的空间插值功能建立枯水位线以上的河流洲滩地形，对洲滩的冲刷淤积分析、保护和开发利用有重大意义；与现有技术相比，将可彻底解决传统的人工徒步测量、无人机测量、船载雷达实地测量和机载激光雷达测量的测量困难，同时克服无人机和LiDAR测量受天气和空管的限制等难题。附图说明图1是本专利技术一种基于时间序列遥感影像和水位监测数据的河流洲滩枯水位以上地形重建方法的流程图；图2是本专利技术以长江岳阳河段南阳洲为例的具体实施流程图；图3是长江岳阳河段南阳洲示意图；图4是南阳洲2019年时间序列遥感影像；图5是南阳洲2019年时间序列MNDWI水体指数；图6是南阳洲2019年时间序列三维水边线；图7是南阳洲2019年枯水位以上数字高程模型；图8是南阳洲上下游水位监测断面水位表。具体实施方式下面将结合附图和具体实施例，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述。如图1所示，本专利技术实施例提供一种基于时间序列遥感影像和水位监测数据的河流洲滩枯水位以上地形重建方法，包括如下步骤：步骤1，确定面积随河流水位变化年内变化较大的河流洲滩作为地形重建对象；步骤2，选择典型洲滩，根据其所在位置，确定该洲滩在河流上下游距离最近的水文监测站；步骤3，以ESA/Sentinel-2卫星数据为主要数据源，收集典型洲滩任一年内的时间序列遥感影像数据，将ESA/Sentinel-2时间序列遥感影像进行图像裁剪、辐射定标、影像配准、云检测等预处理，并通过构建MNDWI或NDWI水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时间序列遥感影像和水位监测数据的河流洲滩枯水位以上地形重建方法，其特征在于包括如下步骤：/n步骤1，确定面积随河流水位变化年内变化较大的河流洲滩作为地形重建对象；/n步骤2，选择典型洲滩，根据其所在位置，确定该洲滩在河流上下游距离最近的水文监测站；/n步骤3，以ESA/Sentinel-2卫星数据为主要数据源，收集典型洲滩任一年内的时间序列遥感影像数据，将ESA/Sentinel-2时间序列遥感影像进行辐射定标、影像配准等预处理过程，并通过构建MNDWI或NDWI水体指数，提取基于遥感数据的洲滩边界线；/n步骤4，根据遥感影像的成像时间，自动抓取该洲滩上下游最近水文监测站在离遥感影像成像时间最近时间点的水位数据，并计算上下游最近水文站之间的比降；/n步骤5，根据步骤4获取的上下游最近水文站之间的比降以及洲滩中心点或洲滩边界线各个特征点与上下游最近水文站的距离，计算水位等高线的高程信息或洲滩边界线各个特征点的高程信息；/n步骤6，将步骤3基于任一遥感影像提取的洲滩边界线和步骤5从水位监测数据获取的水位等高线的高程信息或洲滩边界线各个特征点的高程信息进行集成，并以此类推将时间序列的遥感影像提取的洲滩边界线和洲滩边界线的高程信息都进行集成；/n步骤7，采用空间插值方法，根据步骤6获得的任一年内时间序列的带高程信息的洲滩边界线，构建河流洲滩枯水位以上的数字地形模型，生成受测典型洲滩枯水位以上的数字地形；/n步骤8，利用监测区域内的新近实测地形数据，采用总体平均高程对比方法，在重叠测区对步骤7获取的受测典型洲滩枯水位以上数字地形与新近实测地形进行精度检验，最终完成监测区域的洲滩枯水位以上地形图。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于时间序列遥感影像和水位监测数据的河流洲滩枯水位以上地形重建方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，确定面积随河流水位变化年内变化较大的河流洲滩作为地形重建对象；
步骤2，选择典型洲滩，根据其所在位置，确定该洲滩在河流上下游距离最近的水文监测站；
步骤3，以ESA/Sentinel-2卫星数据为主要数据源，收集典型洲滩任一年内的时间序列遥感影像数据，将ESA/Sentinel-2时间序列遥感影像进行辐射定标、影像配准等预处理过程，并通过构建MNDWI或NDWI水体指数，提取基于遥感数据的洲滩边界线；
步骤4，根据遥感影像的成像时间，自动抓取该洲滩上下游最近水文监测站在离遥感影像成像时间最近时间点的水位数据，并计算上下游最近水文站之间的比降；
步骤5，根据步骤4获取的上下游最近水文站之间的比降以及洲滩中心点或洲滩边界线各个特征点与上下游最近水文站的距离，计算水位等高线的高程信息或洲滩边界线各个特征点的高程信息；
步骤6，将步骤3基于任一遥感影像提取的洲滩边界线和步骤5从水位监测数据获取的水位等高线的高程信息或洲滩边界线各个特征点的高程信息进行集成，并以此类推将时间序列的遥感影像提取的洲滩边界线和洲滩边界线的高程信息都进行集成；
步骤7，采用空间插值方法，根据步骤6获得的任一年内时间序列的带高程信息的洲滩边界线，构建河流洲滩枯水位以上的数字地形模型，生成受测典型洲滩枯水位以上的数字地形；
步骤8，利用监测区域内的新近实测地形数据，采用总体平均高程对比方法，在重叠测区对步骤7获取的受测典型洲滩枯水位以上数字地形与新近实测地形进行精度检验，最终完成监测区域的洲滩枯水位以上地形图。


2.如权利要求1所述的基于时间序列遥感影像和水位监测数据的河流洲滩枯水位以上地形重建方法，其特征在于：所述步骤3中的预处理具体包括：图像裁剪...

【专利技术属性】
技术研发人员：文雄飞，元媛，张穗，向大享，王敏，郑学东，姚仕明，刘希胜，李喆，王岗，申邵洪，姜莹，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42