行業應用｜高分三號衛星水體自動提取應用

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我國洪澇、乾旱災害和水資源短缺等水問題突出，地面監測系統目前還不能實現全面覆蓋。高分三號衛星具有全天候全天時對地觀測能力，可以不分晝夜、陰雨天氣進行對地觀測。針對洪澇災害監測、水資源管理等水利應用需求，基於可以常態化接收的國產雷達資料，實現水體的自動化提取，可以補充地面監測能力的不足，在提升我國水利監測能力方面發揮重要作用。

常用的雷達水體提取技術包括目視解譯、監督分類、紋理特徵分析、動態輪廓模型、閾值分割等。閾值分割法是應用最為廣泛的水體提取方法，其原理是設定閾值分割雷達影像，將影象中小於閾值部分標記為水體，大於閾值部分標記為背景，獲得水體範圍二值圖。該方法易於實現，速度快，但難點在於閾值的確定。最直接的方式是透過人機互動的方式選取閾值，但當處理大批次資料時效率低下，並且獲取的結果主觀性強，可追蹤性差。針對人機互動閾值選取方法上的不便，自動化閾值選取方法被應用到水體提取演算法中。常用的自動閾值分割選取方法有雙峰法、OTSU 方法、最大熵閾值法和最小誤差閾值法。

出於自動化、業務化的考慮，所應用的雷達水體提取方法應具有簡單、穩定、快速的特點，並具有滿足業務需求的提取精度。結合上述常用水體提取方法，文章採用雙峰法進行業務化水體提取工作。直觀上說，雙峰法尋找閾值的過程，是根據雷達影像後向散射係數統計分佈直方圖呈現出的雙峰值特徵、在兩峰之間尋找波谷的過程。

為了驗證雷達水體提取演算法的有效性，在全國範圍內選取了3個典型湖庫進行實驗，分別是雲南省陽宗海、江蘇省洪澤湖和北京市密雲水庫。結論：（1）直方圖呈現典型的雙峰特徵分佈，水體和背景像元被自動化尋找的閾值有效分割；（2）水體提取的精度對極化方式的選取並不敏感。

陽宗海試驗區：

a 後向散射係數影像

b 水體提取結果

c 後向散射係數直方圖

洪澤湖實驗區：

a 後向散射係數影像

b 水體提取結果

c 後向散射係數直方圖

密雲水庫實驗區：

a 後向散射係數影像

b 水體提取結果

c 後向散射係數直方圖

實驗證明基於單景雷達影像自動提取水體的理論和方法具有可行性，該方法速度快，不需人工選取閾值，具有較高精度，能滿足洪澇監測、水資源管理等業務化需求。在合適的軟、硬體執行環境下，利用該自動化演算法實現業務化水體提取的流程。

業務化水體提取流程圖

高分三號衛星為洪澇監測、旱情監測等水資源管理業務提供了有力的資料支撐。基於高分三號影像在水體提取中的巨大應用潛力，該文設計了一種基於影像直方圖自動化閾值分割的水體提取方法。

該方法簡單、快速且無需人工干預，適用於業務化水體提取任務，分別從理論和實驗兩方面驗證了該方法的有效性，分析了不同極化方式對水體提取進度的影響，發現4種極化方式下的提取精度均能滿足水體提取任務的需求，在批次生產中可以根據實際情況任選一種極化方式的資料提取水體。

根據實際業務需求整理了高分三號業務化水體提取流程，為自動化完成高分三號SAR資料從資料接收到獲得水體提取結果，提供了規範性操作指導，為湖庫日常監測、洪澇災害監測等涉水事件提供了有力的技術支撐，高效的水體自動提取也為農田水利管理提供了技術支援。後續將進一步開展基於極化SAR的水體提取研究，提高高分三號衛星在水利領域的應用水平。

作者：崔倩、毛旭東、陳德清 、瞿孟 、白珏瑩

原標題：《行業應用｜高分三號衛星水體自動提取應用》