一种基于数字地形约束和卫星遥感的时令河自动绘制方法
本发明属于水文遥感领域，特别涉及一种基于数字地形约束和卫星遥感的时令河自动绘制方法。
背景技术：
1、河流源于地表圈层各系统间复杂的交互作用，通过提供生态系统基础服务功能、影响气候变化和提供淡水资源，在地球水循环中发挥着关键作用。近年来，人类活动和气候变化改变了全球水文循环，致使全球大多数河流变得脆弱、不稳定。这些不稳定的河流控制着物质运输通道，影响着区域排水格局、水文循环过程和生态服务功能。
2、掌握河流的空间格局是评估河流连通性、揭示水文循环过程和生态环境影响的重要基础。然而，现阶段全球河流的空间分布尚未完全记录，尤其是时令河流，其动态多变的特点使其极难被精细化监测。实地测量是绘制河流分布、获取河流水文参数最准确的方法，但大尺度广域调查无法突破经济、现实等因素的限制。遥感对地观测技术的发展，不仅提高了河流观测的空间精细化程度，也提高了河流观测的频次。遥感绘制河流分布主要通过两种途径实现，一种是基于地形衍生的遥感数字产品，如数字高程模型（dem）。dem数据提供了包括潜在的集水线网络和高程等相关的河流信息，但目前全球公开最高空间分辨率的dem数据仅30米，其精度和空间分辨率限制了提取狭窄时令河流的能力，且无法反映真实的水体淹没情况和时间动态信息。另一种是通过遥感影像绘制河水的淹没范围，但二维影像中难以自动化区分河流与其他类型水体。此外，即便采用多卫星协同观测的方式，最终结果也是河流在多个时刻呈现的瞬时状态，依然无法突破对于动态多变的时令河流连续、精细化表达的技术瓶颈，难以在大区域尺度推广使用。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于数字地形约束和卫星遥感的时令河自动绘制方法，采用数字高程模型dem数据衍生的集水线网络和卫星遥感影像提取水淹范围，反映河水淹没的连续状态，实现对动态多变时令河流的精细化绘制。
2、一种基于数字地形约束和卫星遥感的时令河自动绘制方法，包括：
3、获取研究区dem衍生的集水线网络数据和卫星遥感影像数据；
4、将集水线网络的线数据向两侧生成预设距离的缓冲区，形成时令河的潜在水淹区域；
5、对每一景卫星遥感影像提取影像中的水域范围，将所有影像提取的水域范围空间聚合，计算时段内潜在水淹区域的水体淹没频率；
6、获取不同水淹状态对应的水域范围，包括最大、平均和瞬时水淹状态；
7、将不同水淹状态的水域范围的栅格数据转换为 n连通空间对象，通过水体对象与线数据的相交情况获取理论河道范围；
8、对理论河道范围通过形态学运算生成河道中心线；
9、由河道中心线参照河道水边线，通过形态学距离变换运算，逐段估算河流的宽度，完成时令河自动绘制。
10、作为一种优选的实施方式，还包括，生成缓冲区后对缓冲区进行空间相交判断，聚合空间重叠的组件后形成时令河的潜在水淹区域。
11、作为一种优选的实施方式，还包括，对卫星遥感影像进行无效像元剔除后，计算归一化水体指数。进一步的，所述无效像元包括云、雪、山体阴影像元；所述云、雪像元基于遥感影像同期云概率数据获取，所述山体阴影像元基于遥感影像同期dem数据获取。
12、作为一种优选的实施方式，所述水域范围的提取方式为：
13、计算每一景影像的归一化水体指数ndwi，对每一景ndwi灰度图像分别统计频率分布特征，采用等间距步长搜索类间方差最大的分割阈值，基于分割阈值分割ndwi灰度图像，提取水域范围。
14、作为一种优选的实施方式，根据抽样调查结果确定不同水淹状态的水体频率分割阈值，获取不同水淹状态对应的水域范围。
15、作为一种优选的实施方式，所述理论河道范围的获取方式为：
16、对水体对象与潜在水淹区域进行相交判断，满足相交条件的对象为高置信度河道对象，否则为初始低置信度河道对象；
17、遍历初始低置信度河道对象并与高置信度河道对象进行相邻判断，如果相邻，则将初始低置信度河道对象定为中置信度河道对象，否则为低置信度河道对象；
18、将中、高置信度河道对象进行条件判断，判断条件设定为“总像元数大于 a”或“最大水淹频率大于 b%”或“对象长宽比大于 c”，满足条件则保留为河道对象，否则删除； a、 b、 c为预设阈值。
19、作为一种优选的实施方式，还包括对于保留的河道对象执行形态学闭运算，获得理论河道范围。
20、作为一种优选的实施方式，对理论河道范围循环执行腐蚀操作和形态学开运算，直至河道栅格图像被完全腐蚀，获得河道中心像元。
21、作为一种优选的实施方式，所述通过形态学距离变换运算，逐段估算河流的宽度包括：
22、采用形态学距离变换函数计算河道栅格内所有像元距离水边线的最短欧式距离，提取河道中心像元对应的距离值；
23、遍历河道中心像元，统计每一个像元3*3邻域内河道像元的数量，若数量≤3则判定该处河道为单一像元宽度，基于遥感影像分辨率将单一像元宽度属性赋值为 l米；若数量＞3则将该处像元距离水边线欧氏距离的二倍作为河道宽度
24、作为一种优选的实施方式，将不同水淹状态的水域范围的栅格数据转换为八连通空间对象，通过水体对象与所述潜在水淹区域的相交情况获取理论河道范围。通常采用四连通或八连通空间对象进行水处理，本申请中，采用八连通处理相比四连通判断精度更高，例如宽度较窄的时令河流在10米分辨率的影像上大多表现就是1~2个像元，像元之间对角连接的情况比较多。如果采用四连通，此类对角连接的两个像元会被打散成独立的对象，而选择八连通情况下对角连接的两个像元仍可连成一个整体，避免判断时误删除。
25、作为一种优选的实施方式，所述卫星遥感影像数据为sentinel-2卫星影像数据。
26、本发明具有如下有益效果：
27、（1）本发明提出的时令河流自动绘制方法，大幅简化了野外实测工作量，基于可公开获取的遥感数字产品和影像即可完成，特别适合于资料缺测地区；
28、（2）本发明算法实施简单，可快速绘制河流空间分布，应用于大空间尺度河流动态变化监测，对不同流态、不同地貌环境的河流具有良好的适用性，可推广至大区域乃至全球尺度研究，为揭示全球变化背景下区域河流水文情势时空演变特征提供方法支撑。
技术特征：
1.一种基于数字地形约束和卫星遥感的时令河自动绘制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，生成缓冲区后对缓冲区进行空间相交判断，聚合空间重叠的组件后形成时令河的潜在水淹区域。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，对卫星遥感影像进行无效像元剔除后，计算归一化水体指数；所述无效像元包括云、雪、山体阴影像元；所述云、雪像元基于遥感影像同期云概率数据获取，所述山体阴影像元基于遥感影像同期dem数据获取。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水域范围的提取方式为：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据抽样调查结果确定不同水淹状态的水体频率分割阈值，获取不同水淹状态对应的水域范围。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述理论河道范围的获取方式为：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括对于保留的河道对象执行形态学闭运算，获得理论河道范围。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对理论河道范围循环执行腐蚀操作和形态学开运算，直至河道栅格图像被完全腐蚀，获得河道中心像元。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过形态学距离变换运算，逐段估算河流的宽度包括：
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将不同水淹状态的水域范围的栅格数据转换为八连通空间对象，通过水体对象与所述潜在水淹区域的相交情况获取理论河道范围。
技术总结
本发明公开了一种基于数字地形约束和卫星遥感的时令河自动绘制方法。基于数字地形模型DEM衍生集水线网络和遥感影像，实现对指定时段时令河的自动提取与绘制。本方法以数字地形模型DEM衍生集水线网络作为空间约束条件，使用光学遥感影像水体指数法结合自适应阈值分割实现研究时段内逐景影像的自动化水体提取，并通过计算时段内水体发生频率克服时令河动态、多变导致监测困难的问题。随后，采用基于对象的形态学运算生成河流掩膜中心线，并估算时令河在多种水体状态下长度、宽度、水域面积等指标。该方法顾及时段内时令河的连续变化状态，可快速、自动绘制出河流空间分布，为理解资料缺测地区河流水文情势时空演变特征提供方法支撑。
技术研发人员：宋春桥,曾繁轩
受保护的技术使用者：中国科学院南京地理与湖泊研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5