（地图学与地理信息系统专业论文）基于dem与遥感的数字流域水系提取研究.pdf

摘要 摘要 流域水系信息是进行水文模拟的必要信息，因此利用数字高程模型d e m 提取 流域水系及相关地貌指数信息是构建现代分布式水文模型、进行水文模拟等研究 的前提。 本文分析了基于d e m 提取水系方法的不足，引入了遥感信息来弥补d e m 的缺 陷。详细介绍了基于d e m 与遥感的数字流域水系提取方法，并将此方法在秦淮河 流域进行了实验，实验结果表明该方法能消除大量平行河道，修正与实际偏差较 大的主干河流，不仅在平坦地区而且在山区均能提取较符合实际情况的数字流域 水系。 本文主要研究内容与研究结论如下： 1 采用基于决策树的遥感分类法对遥感影像进行水体信息提取，从而获得d e m 提取水系的修正数据，不仅提高了修正数据获取的自动化程度，而且便于实 时更新。运用数学形态学知识，从水体信息中筛选出主干河流和湖泊，结果 表明此方法可以有效地去除水系中无用的噪声。 2 采用基于d e l a u n a y 三角网的方法提取河流中轴线，利用阈值法删除不合理 分支。结果表明该方法得到的河流中心线，较好的保持原有主干河流和湖泊 的连通性和拓扑架构，具有较高的运算效率。 3 遥感影像经过多项处理后得到数字河流与湖泊网络，利用其修正d e m 中平坦 地区河流、湖泊的水流方向，最终提取的数字流域水系表明，此方法消除了 大量平行河道，修正了主干河流位置，水系更接近流域真实情况。最后，对 缺失的湖泊进行修正，补充了准确的二维湖泊信息，为河流水系水动力计算 的精度提高提供了数据支撑。 关键词：数字流域水系，数字高程模型，遥感，d e l a u n a y 三角网 a b s t r a c t t h ed i g i t a ld r a i n a g en e t w o r ko fw a t e r s h e di sq u i t ei n d i s p e n s 曲l et ot h e h y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o n ，s oe x t r a c t i n gd i g i t a ld r a i n a g en e t w o r ka n dp h y s i c a l d e s c r i p t o r so fw a t e r s h e db a s e do nd e mi st h ep r e c o n d i t i o no fr e s e a r c ho nb u i i d i n g d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e la n dh y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h ed e f e c t so fe x t r a c t i n gd i g i t a ld r a i n a g en e t w o r kb a s e do n 斑札 t h i sp a p e rm a k e su pt h e s ed e f e c t sb yi m p o r t i n gt h er e m o t es e n s i n gd a t a t h e nt h i s p a p e re x p l i c a t e st h em e t h o do fe x t r a c t i n gd i g i t a ld r a i n a g en e t w o r ko fw a t e r s h e d b a s e do nd 凸la n dr e m o t es e n s i n g a n dp e r f o r m sa l le x p e r i m e n tu p o nq i n h u a ir i v e rb a s i n u s i n gt h i sm e t h o d t h er e s u l to f t h i se x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a t t h i sm e t h o dc a n e f f e c t i v e l yo v e r c o m ea n ds o l v et h es h o r t c o m i n go fp a r a l l e lw a t e rw a y sa n dt h em a i n c h a n n e lw h i c hd e p a r t si t sn a t u r a lp o s i t i o n n o to n l yi nt h ef l a tb u ta l s oi n m o u n t a i n o u sa r e 8 t h i sm e t h o dc a ne x t r a c t i n gd i g i t a ld r a i n a g en e t w o r ko fw a t e r s h e d w h i c ha c c o r d sw i t ht h en a t u r a ld r a i n a g en e t w o r k t h ep r i m a r yc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so f t h i sp a p e ra r e a sf o l l o w s ： 1 b yc l a s s i f i c a t i o ni nr e m o t es e n s i n gi m a g eb a s e do nd e c i s i o nt r e ea l g o r i t h m ，t h e w a t e ri n f o r m a t i o nw h i c hi sn e e d e dt oc o r r e c te x t r a c t i n gd i g i t a ld r a i n a g en e t w o r k b a s e do nd e mc a nb ee x t r a c t e d t h em e t h o di m p r o v e st h ed e g r e eo fa u t o m a t i o ni n o b t a i n i n gc o r r e c t i o ni n f o r m a t i o n ，a n dm a k e st h ec o r r e c t i o ni n f o r m a t i o ne a s i e r t ou p d a t e w i t hm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y ，t h em a i nc h a n n e la n dl a r g el a k e sa r e f i l t e r e df r o mt h ew a t e ri n f o r m a t i o n 。a n dt h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i sm e t h o d c a na v a i l a b l yr e m o v et h eu s e l e s si m p u r i t yf r o mt h ew a t e ri n f o m a t i o n 2 t h i sp a p e re x t r a c t st h em e d i a la x i so fr i v e rb yu s i n gd e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n s ， t h e nd e l e t e st h ee x c r e s c e n te m b r a n c h m e n t s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em e d i a l a x i so fr i v e r w h i c hi se x t r a c t e du s i n gt h i sm e t h o dc a np r e s e r v et h ec o n n e c t e d n e s s a n dt o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h em a i nc h a n n e la n dl a r g el a k e s ，a n dt h a t t h e m e t h o dh a st h ef e a t u r eo fh i g ho p e r a t i n ge f f i c i e n c y 3 a f t e rs e v e r a lp r e t r e a t m a n t s 。t h ed i g i t a lr i v e ra n dl a k en e t w o r ki se x t r a c t e d f r o mr e m o t es e n s i n gi m a g e a n di su s e dt oc o r r e c tt h ef l o 霄d i r e c t i o no ft h er i v e r a n dl a k ei nt h ef l a t t h ed i g i t a ld r a i n a g en e t w o r ko fw a t e r s h e dw h i c hi sf i n a l l y e x t r a c t e dw i t ht h i sm e t h o di n d i c a t e st h a tt h ep a r a l l e lw a t e rw a y sa r ed e l e t e d ， a n dt h em a i nc h a n n e lw h i c hd e p a r t si t sn a t u r a lp o s i t i o ni sc o r r e c t e d ，s ot h e d i g i t a ld r a i n a g en e t w o r ka c c o r d sw i t ht h ef a c t f i n a l l yt h i sp a p e rc o r r e c t st h e l a r g el a k e sw h i c ha r em i s s i n g ，a n dr e i n f o r c e st h ea c c u r a t el o c a l i t yo f t h e t w o d i m e n s i o n a ll a k es ot h a ti tc a np r o v i d e sd a t as u p p o r tf o ra d v a n c i n gt h e p r e c i s i o no fh y d r o d y n a m i cc a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：d i g i t a ld r a i n a g eo fw a t e r s h e d ，d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，r e m o t es e n s i n g ，d e l a u n a y t n q n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：41 之2 0 0 7 年钿，自 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：) l 沙2 0 0 7 年岛“矗论文作者( 签名) ： ! 二) ! ! 年瑚屈日 第一章撼述 第一章概述 。 磅究骜最 流域水文模型是水文科学中一个重要分支之一，是研究水文自然规律和解决 水文实践问题的主要工具吐丽流域水系这地貌特征是流域水文建模的主要参 数，其包含的水系信息怒承文模型分析豹基戳数据。霞此，流域承系特征的提取 羹廷窳文秘学疆究戆煞瘴。 逐二十年来，计算枫技术、遥感技术( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 、数字 高攫模型d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ( d n i ) 的快速发展，为数字流域水系的提 取提供了技术支撑。d e m 中蕴涵着丰富的地形、地貌信息，能有效地反映区域的 基零魏形空蠲势务援律麓缝貔特廷。夔羞数字零文匏兴起霸分褥式承文模型疆究 豹发鹱，利用d e m 获取承系稿子流域特征，避褥迸行东文模拟的方法越来越广泛 地为水文学者所采用。假熙由于d e m 提取水累过程中，本身缺少平煅地区水流路 径的数据信息、缺少湖塘信息，故所提取水系猩有些地方与自然水系还是有一定 的镳麓。 褥鞠对于d e m 静遥黪影像数据，醚着重爨遥感援来静逐猛发鼹，由于其具有 宏脱、快速和同步等优点，已逐渐在环境、土地、气候等各类动态般测、资源管 理等方面得到广泛应用，特别是在水文、水资源领域，已成为提取水体信息的一 种肖效的数据来源。 1 2 国内外研究现状 从d e m 直接提取流域水系及相关流域信息，是流域水文模型开发与应用的基 础。蒸手褥格d e m 提取溺网求系的一般途径蠢蹰秘。第一静称为局部方法，是在 一，j 、窍日肉薅离程逶移秘部诗算，然螽程d e m 土移动该塞嗣来确定主鹜嚣 ( p u e c k e ra n dd o u g l a s ，1 9 7 5 ) 1 2 l 。在这些酾的底部的格网单冗被视为水道或 河网的组成部分，此方法最大的缺陷在于生成的水系不连续，需鼗熏新连接、修 整以产生较合理的河网，此缺陷在地形平缓及复杂地形处尤为突出，因此这一按 辫海大学硕士论文 术的应用受敲较大。第二稀途径怒0 c a l l a g h a n 藕m a r k ( 1 9 8 4 ) p l 提出的坡藤流 模拟方法。窀依据水文学坡面流概念来判别水流路径。先根据每一栅格单煎与相 邻单元之间的鼹陡坡度，识别求取沿水流路径的集水面积累计值，再选择念适的 求遂集承嚣积瓣筵来确定河网。茨镀羰瘩文学汇流概念刿别拳滚路径， 麓荤易 行，可竣壹接擞残连续斡河阏，掰淤被认为是一耱较好稳方法。其缺陷是程浚德 和平坦地区，栅格单元的水流方向无法确定。 多年来，很多学者在0 c a l l a g h a n 和m a r k 提出的坡面流模拟方法熬础上 进行了大量研究，m a r t z 和g a r b r e c h t l 4 ) 对有关处理乎她和洼地的粗题进彳亍了深 入懿疆究，焱三令霰设豹裁提下撬爨彳楚理平毽逢区稔洼遮懿方法，骚裁了数字 高程流域永慈模型。在m a r t z 和g a r b r e c h t 的基础上，任立良等( 1 9 9 9 ) p l 构建了 淮河史灌河流域和长江三峡万县寂昌区间的河网水系，结果表明该模型生成的水 系是可以接受的；j e n s o n 和d o m i n i q u e ( 1 9 8 8 ) 嘲、m a r t z 和d ej o n g ( 1 9 8 8 ) 7 1 绘窭了更一般爨有效静签理d e m 浚遗熬方法，该方法露魅理嵌套式鞠陷，警娩逡 帮凹陷和d e m 边缘由于裁剪产生的凹陷等复杂毙形情况溯；熊立华翻等援集水嚣 积方法实施于加拿大阿尔伯塔省中部的p a d d l e 流域，结果表明根据d e m 自幼提 取的河网的空问位置基本上是正确的；t r i b e ( 1 9 9 2 ) b o 则认为采用单一集水面 积阚值的坡藤流模拟方法产生的农系是由空闯分布均匀酌降雨降落至不透水的 裸蓬上黟藏鹣，与实际謇然薅形幂襁簿，联蔽产生戆浮秘、+ 茏其是承遂懿怒媲煮 位置不可能宛企对应于实际流域。 无论是0 c a l l a g h a n 和m a r k 提出的坡面流模拟方法，还是其后很移学者 在此基础上改遴的很多方法，对低洼和平坦地区的水累提取结果和效率述不完 善，毫无法撬数学覆恁速夔“缝上惑潺”。嚣受瑗覆濂貘攘方法其毒豹肉褒爨羧 往，以及这魏方法都不能弥补d e m 本身存在酶缺陷：缺少平坦地区和洼地的承流 路径数据信息与湖泊、水库位鬣信息，故在有些地方掇取的数字水系与自然水系 还是有一定的偏差，仅依靠改进簿法和模型还是不能解决这些问题。 有学者尝试奁d e m 基础上输入海道矢量数据来事鬻驻羧承系的信息潦。遮静 愚路最莩在1 9 8 9 年由h u t c h i n s o n 撵鑫，莠手1 9 9 9 颦凌s a u n d e r s 撩鞋宪耱，冀 主要思路是通过对河道人工输入河道数字地图来改善廉拟河网的精度【1 1 1 2 1 0 在此 基础上2 0 0 1 年t u r c o t l e 等人引入数字河流和湖泊网络( d r l n ：d i g i t a lr i v e ra n d 第一章概述 l a k en e t w o r k ) 来加强对湖泊、平原的处理能力【1 3 l 。郝振纯通过数字化主干河道 的方法来解决平坦地区主干河道偏离其自然位置的问题【1 4 1 。王加虎f 1 5 1 利用地形 图数字化水系等方式引入矢量河网与栅格化河网信息，来弥补d e m 中河道信息的 缺失，通过地图数字化得到的水系有较准确的位置，选用不同的比例尺能够获得 不同级别的水系。但是，这些方法仍然依靠大量的人工输入或大工作量的数字化 方式来确定河道流向，同样只适用于面积有限的确定区域，存在数据更新困难的 问题。 有学者尝试在d e m 基础上输入遥感水体信息来丰富信息源。林凯荣采用植被 指数计算和目视解译方法提取水系，并修正数字河网【1 6 j ，该方法可以生成较符合 实际的连续数字河网，其缺点是自动化程度低，主观因素影响大，工作繁琐。李 栋梁1 1 7 l 采用了一种运用形态学知识结合地物光谱知识的遥感影像方法提取主水 系，与遥感目视解译相比，提高了自动化程度，但是其实验区大部分都位于山区， 水系光谱特征特别容易与其它地物混淆，仅选择了小块平坦区域进行主水系修正 实验，并未应用到地形复杂的整个流域；而且具体修正原理，修正过程未详细分 析、叙述。 为了克服以上问题，本文对基于d e m 与遥感的数字流域水系提取进行研究， 利用遥感影像所提取的流域水系信息，采用基于数字河流和湖泊网络( d r l n ) 的水流方向修正法，修正d e m 中平坦地区主干河流及湖泊地区栅格的水流方向。 从而使数字流域水系提取过程更加自动化，减少了工作量，及人为直接干预，并 使提取的流域水系不仅在平坦地区而且在山区都更能反映流域的实际情况。 1 3 1 研究内容与思路 1 3 本文内容 本文对基于遥感信息修正的d e m 流域水系提取进行研究，拟解决的主要问题 包括： i 采用遥感影像数据的预处理方法消除遥感影像在成像过程中产生的几何 和辐射畸变，采用决策树方法进行遥感影像分类，提取出本文所需的流域水体信 息。 瓣海大学硕士论文 2 芾j 阉遥感影像所提取的干流水系信怠，采用蕊予9 e l a u n a y 三角阏的河 流中线提取方法提取平坦地区藏平河流及湖泊地睡的数字河流和湖泊网络 ( d r l n ) 。 3 在8 榭提取流域隶系过程巾，糕臻提取弱数字涎流秘湖泊网络，分剃确 定其内、终鄢撵捂承流方商，歇 露遮劐修正d e m 争擎缓魄区主干弼流及漆泊缝送 的每个栅格水流方向的目的。 4 利用邂感影像所提取的湖塘信息，修正基于d e m 和d r l n 所提取的数字流 域水系中缺必的湖泊。 硬突豹羧零路线蘩圈1 1 舞零。 一4 一 第一章概述 1 3 2 本文章节安捧 图1 i 本研究的技术路线图 第一章、概述：首先介绍了本文研究背景，然后分析总结了目前基于栅格 d e m 提取流域水系的国内外现状与不足，提出采用基于d e m 与遥感提取流域水系 的方法来解决这些不足，并简要阐述了本研究的目的。 第二章、遥感水体信息提取：描述了研究区域概况及研究数据，详细论述了 采用遥感影像数据的预处理方法消除遥感影像在成像过程中产生的几何和辐射 河海大学硕士论文 畸变。重点论述了在此基础上，采用基于感兴趣区的决策树方法进行遥感影像分 类，为接下来的数字流域水系提取作了充分的数据准备工作。 第三章、基于d e m 与遥感的数字流域水系提取：简要论述了提取数字流域水 系的方法、原理和优缺点。随后，着重论述了本文采用的数字流域水系提取方法： 采用一定的中轴线提取算法从遥感水体信息中提取d r l n ，然后基于d r l n 进行水 流方向修正、湖泊修正，从而完善基于d e m 的数字水系提取的方法。 第四章、秦淮河流域水系提取实现：将基于d e m 与遥感提取数字流域水系的 方法在秦淮河流域进行了实验验证。最终提取的数字流域水系表明，此方法消除 了大量平行河道，修正了主干河流位置，水系更接近流域真实情况。 第五章、总结与展望：总结了论文研究的成果与不足，并对进一步的研究进 行了展望。 第二章基于遥感影像驰农体燕患提取 第二章遥感水体信息提取 本研究在9 e m 提取流域水系过程中，需要利用遥感影像所提取的流域水系 售慧，采羯基于数字瓣滚窝溺酒溺终弱漉自修燕法，修歪蚤臻孛警蜒蘧区主手 河流及湖泊建区的每槠格水流方向。困扰需矮对遥感影像提取掰需水系信息， 以此作为修正信息参与基予d e m 的数字流域水系提取过程。 2 。研究区域概琵萼疆究数攥 本文研究区域为泼苏省西南部的秦淮河流域，位于北纬3 1 。3 17 3 2 01 57 ， 东缀1 1 8 0 3 57 1 1 9 。1 8 暾域范围内，包括南糸市属区的一部分及江宁、溧水县 和匈容市的大部分，是长潍下游南岸的支流水系。流域内气候属北弧热带季风 气续嚣，霾季势臻，爱热冬冷，毒获短暂，激发、毙照、承资源较丰塞，年平 均气濑1 6 。c ，年平均降雨嫠11 0 6 m ，无霜期2 3 7 天，气候变翠较大，冬季干 旱寒冷，夏季炎热多雨。难导风向夏半年为西南风，冬半年为东j b 风。 秦淮河流域面积2 6 3 1 k m 2 ，流域长、宽备约5 0 k m 左右，是个究整的构造 窳蟪，疆邦为低洼圩区，翻瘸为丘陵出区1 1 8 l 。泰淮海流域东缘务麟蒡出由脉酶 三茅蜂、貉串墩、太茅晦、方由、髫出和嚣鬓融等；j 缘为藩宁镇由系靛紫金 山、膏龙山、汤山、大华山、仑山等；南部肖浮山、东芦山、陈山、马鞍山、 平安山、小茅山、横山等；西部有韩府山、嘏嶷山、皇姑山、云静山和牛首山 等。 豢灌浮凌城茨承系槎囊发弯，箕添头分隽瘵j 二灞，摩嚣楚潆承荽表芦函 北麓，称溧水河；北源出予句容市宝华山西南侧，称句容河；南北二源合流于 江宁黩方山西北村，这一带河床宽广，水量剧增，形成干流。然厝河流绕过方 山，向西北流经洋桥、脊砂嘴，沿途汇集吉山、牛首山诸水，再j b 经刘家渡、 镗如辩寒盘，至上方门踅 入囊豪泰区。1 9 7 6 镲到1 9 8 0 年闯入王嚣慧黥秦灌象 i 霹舀狂宁县枣圩，经嚣藏诞铁心耩、西善桥，矗至双阐金疆毒| ，全长强公里。 最终寮淮河流经南京城区，于流域盆地西北角流出，汇入长江。研究区域地理 位置如图2 1 所示： 一7 一 河海大学硕士论文 图2 1 秦淮河流域地理位置示意图 本研究使用的遥感影像数据是遥感卫星l a n d s a t7 的e t m + 影像。e t m + 影像 因其波段多，获取容易，更新方便，近年来被广泛应用。陆地卫星7 号( l a n d s a t 7 ) 于1 9 9 9 年4 月1 5 日由美国航空航天局发射，e t m + 是其携带的增强型主题成 像传感器，是在l a n d s a t4 、5 卫星的专题成像扫描仪( t m ) 的基础上改进而成的。 表2 1 给出了l a n d s a t7e t m + 的技术参数： 表2 il a n d s a t7e t m + 的技术参数 波段序号 波长范围波段名称地面分辨率 ( um )( m ) l o 4 5 0 o 5 1 5 蓝绿波段( b l u e - g r e e n ) 3 0 2 o 5 2 5 o 6 0 5 绿色波段( g r e e n ) 3 0 3 0 6 3 0 0 6 9 0 红色波段( r e d ) 3 0 40 7 7 5 0 9 0 0近红外波段( n e a ri r ) 3 0 5 1 5 5 0 1 7 5 0短红外波段( s w i r ) 3 0 6 1 0 4 0 0 1 2 5 0 0 热红外波段( l w i r ) 6 0 7 2 0 9 0 2 3 5 0短红外波段( s w i r ) 3 0 8 o 5 2 0 0 9 0 0 全色波段( p a n ) 1 5 第二章基于遥感影像的水体信息提取 本研究使用的e t m + 影像于2 0 0 2 年8 月2 1 日拍摄，太阳高度角为5 9 o o ， 太阳方位角为1 2 5 0o ，分辨率3 0 米，覆盖了整个秦淮河流域。此外，本研究 还使用了覆盖研究区的1 9 9 8 年d e m 数据资料和1 9 9 8 年矢量格式地形图，两者 均采用了基于横轴墨卡托投影( t r a n s v e r s em e r c a t o r ) 和1 9 7 5 地球椭球体的西 安8 0 坐标系。d e m 数据分辨率为2 5 米，用于本文方法提取秦淮河流域数字水 系；电子地形图比例尺为1 ：5 0 0 0 0 ，主要用于对本研究所提取的秦淮河流域水 系进行校核，进行精度分析。具体数据如下三图所示： 图2 2 研究区e t m + 影像图2 3 研究区d e m 数据图2 4 研究区电子地形图 2 2 遥感影像数据预处理 在定量化研究中，常常需要将空中遥感器接受到的电磁波能量信号直接与 地物光谱仪收到的电磁波能量信号及地物的物理特性联系起来加以分析研究， 这就要对遥感器进行定标。同时，遥感影像在成像过程中必须经过大气的反射、 散射、吸收作用，加上仪器本身系统误差及成像条件等种种因素导致产生很大 的几何和辐射畸变。为了使遥感图像上记录的地物的辐射量和地面真实目标一 一对应起来，能更好地提取遥感影像信息，提高分类精度以及方便计算，毖须 对原始遥感影像进行预处理，主要包括辐射校正和几何校正。 预处理流程如图2 5 ： 9 一 河海大学硕士论文 原始遥感影像 i 辐射校正 工上 i 传感器辐 l 嘉裹差li 嚣鬟差1 l 射校准 lil j i 几何精校正l i 校正后遥感影像 图2 5 预处理流程图 1 辐射校正 由于受地物的非朗伯体反射特性、大气传输特性、传感器响应特性等因素 的影像，致使采集的遥感数据与地物反( 辐) 射亮度出现不相关，出现的误差 称为遥感数据的辐射畸变1 9 1 。辐射校正是指从具有畸变的影像中消除依附在辐 射亮度中的各种辐射量失真。遥感图像的辐射校正主要包括传感器辐射校准、 大气辐射校正。 1 ) 传感器辐射校准 传感器辐射校准的目的是为确定入射到传感器上的分谱亮度l o 与相应波 段记录的数字量化值( d n ) 之间的关系。由于该步骤需要传感器的校正信息， 选择合适的校正场，而且辐射校准参数随时闻的推移可能发生变化1 2 0 ) ，因此该 步骤比较难以实现。本文较为简单的进行了辐射定标过程，利用e t m 影像数据 头文件中自带的辐射值( l b ) 和记录值( d n b ) 之间的校正增量系数( g a i n ) 和校正偏 移i ( o f f s e t ) ，将传感器记录的d n 值转换成表观大气反射率以( 大气上界的 反射率) 。表观大气反射率成计算公式【2 ”如下： p 。：_ 业 ( 2 i ) 砟2 e s u n a 。 c o s 见 ( 2 i ) 第二章基于遥感影像的水体信息提取 式中，l 为波谱辐射率；d 为天文单位的日地距离；e s u n 。为太阳表观辐 射率均值；琅是以度为单位的太阳高度角；e s u n , 。的值可以从l a n d s a t 技术手 册( 1 9 8 6 年8 月) 提供的列表中获得；作为结果的反射率是无单位的。 2 ) 大气辐射校正 电磁波需要经历一个在大气中的传输过程才能到达遥感传感器，在这个过 程中电磁波与大气发生相互作用反射、折射、吸收、散射和透射，造成电 磁波被大气部分吸收，且散射使地物辐射电磁波能量衰减，造成数据质量的下 降，影响遥感信息的提取和精度，因此大气辐射校正是遥感数据处理不可缺少的 环节。 遥感影像的大气校正方法很多，5 s 模型、6 s 模型、m o d t r a n 模型及l o w t r a n 等模型利用基于复杂的辐射传输原理建立起大气校正模型，校正精度较高，但 这些方法需要参数多，计算量大，而且一般很难获取这些参数。因此，本研究 采用了直接、简易的暗像元法，此大气校正方法不需大气和地面的实测数据， 尤其不需要卫星同步观测数据，而主要依靠影像本身的信息。 暗像元法基本原理就是在假定待校正的遥感图像上存在暗像元区域，假设 地表为朗伯面反射，整幅图像大气性质均一，大气多次散射辐照作用和邻近像 元漫反射作用可以忽略的前提下，反射率或辐射亮度很小的暗像元由于大气的 影响，而使得这些像元的亮度值相对增加，可以认为这部分增加的亮度是由于 大气的程辐射影响产生的。利用暗像元辐射值计算出程辐射，并代入适当的大 气校正模型，获得相应的参数后，通过计算就得到了地物大气校正后的反射率 【2 甜。暗像元法的校正模型如公式2 2 。 r = ( l l d ) i t m ( t 。e o c o s0 + e d ) ( 2 2 ) 在式( 2 2 ) 中，r 为地物表面反射率，l 为表观辐亮度，l 。为程辐射，t 夺 是地物到传感器反射方向的大气透射率，to 为在太阳辐射入射方向上的大气透 射率，e 0 为大气层外相应波长的太阳光谱辐照度，0 为太阳天顶角，e d 为由天 空光漫射到地表面的光谱辐照度，巾是卫星传感器天顶角。 本文采用的e t b i + 影像中有大量的水体信息，由于纯净水体在近红外波段 ( e t m 4 ，5 ，7 ) 的反射率几乎为零( 即到纯净达水体的这部分波段的太阳辐射几 乎能完全被吸收) ，呈黑色，可被称为暗目标。因此采用感兴趣区法选择遥感 河海大学硕士论文 影像中无云、不含泥沙的清洁水域作为暗目标样本，将传感器接收到的来自于 这类暗目标像元的辐射值近似看作完全是大气程辐射的贡献，即可算出程辐射 值。最后便可具体采用选取感兴趣区均值法，进行暗像元法大气校正，得到校 正后的地物反射率。 2 几何校正 几何畸变是指影像上的像元在图像坐标系中的坐标与其在地图坐标系等参 考系统中的坐标之间的差异，消除这种差异的过程称为几何校正( g e o m e t r i c c o r r e c t i o n ) 1 2 3 1 。遥感图像的几何校正可分两阶段实现：系统校正( 几何粗校 正) ，即把遥感传感器的校准数据、传感器的位置、卫星姿态等测量值代入理论校 正公式进行几何畸变校正；几何精校正，即利用地面控制点g c p ( g r o u n dc o n t r o l p o i n t ，控制点选择遥感图像上易于识别，并可精确定位的点) 对应其它因素引起 的遥感图像几何畸变进行纠正。几何粗校正的服务通常由卫星接收系统提供，因 此本研究只进行了几何精校正。 几何精校正的基本原理就是通过选取一组g c p 建立原始的畸变图像空间与校 正图像空间的坐标变换关系： 8 b 巍g ( x 搿 = ，y ) j 其中x 、y 是畸变图像空间中的像元坐标，a 、b 是x 、 对应的像元坐标称作x 、y 的共轭点。 ( 2 3 ) y 在校正图像空间中 x 、y 的共轭点a 、b 的来源，可以进行实地测量得到坐标，由于条件限制， 本研究直接在秦淮河流域的1 ：5 0 0 0 0 地形图上选取了一定数量的控制点，对遥 感影像实现了几何精纠正。几何校正流程如图2 6 ： 1 2 一 第二章基于遥感影像的水体信息提取 图2 6 几何校正流程图 首先，本研究选取了1 8 个控制点，对遥感影像进行几何精校正，如表2 2 。 为了保证几何精校正的精度，选择控制点时尽量选择在图像和地图上都容易识 别和定位的明显地物点，如道路、河流等交叉点，桥头等，并且分布均匀，覆 盖整个研究区域，控制点的分布如图2 7 。最终算出控制点平均误差距离为0 7 9 个像元，即误差在一个像元之内。 河海大学硕士论文 表2 2e t m + 影像几何校正采集控制点 c , c p i d a pm a pi m a g ei m a g e r m sr m s i t m s x y x y ( x ) ( y ) t o t a l 16 6 8 6 9 2 8 53 5 6 8 9 5 8 6 1 4 6 0 01 6 5 0 0 - 0 1 0 1 3 4 - 0 8 0 3 5 50 8 0 9 9 1 2 6 6 4 6 1 8 6 43 5 5 5 6 9 8 01 3 2 5 o2 0 9 2 0 - 0 7 9 8 1 4- 0 6 5 6 3 5 1 0 3 3 3 6 36 7 2 3 9 5 1 93 5 3 7 5 1 0 11 5 8 4 02 6 9 7 0- o 6 7 0 9 3o 4 5 3 9 5 0o 8 1 0 0 7 46 5 7 5 5 5 4 63 5 3 9 0 3 8 31 0 8 9 o2 6 4 8 o- o 1 5 0 3 01 1 5 0 4 l1 1 6 0 1 9 56 4 8 5 3 7 7 3 3 5 4 2 5 5 4 17 8 9 0 2 5 2 9 0- 0 6 0 1 3 90 8 6 8 9 3 51 0 5 6 7 4 66 8 9 8 7 2 5 7 3 5 6 5 8 7 3 42 1 6 5 o 1 7 5 1 00 3 5 3 6 2 50 4 7 7 3 3 7o 5 9 4 0 5 76 6 8 9 2 3 7 9 3 5 5 1 2 6 1 91 4 6 7 o 2 2 3 8 o 0 6 2 7 2 2 51 1 1 4 5 5 6 1 2 7 8 9 2 8 6 5 3 8 5 4 6 63 5 2 7 6 坞29 6 5 03 0 2 8 00 4 7 4 9 7 7- 0 3 9 7 0 60 6 1 9 0 8 96 6 6 4 2 7 5 83 5 4 5 5 8 2 11 3 8 4 0 2 4 2 8 o 0 4 7 1 4 0 40 ，5 0 9 1 l o 0 6 9 3 8 4 1 06 7 8 5 0 2 5 43 5 5 0 5 6 6 11 7 8 7 o2 2 6 2 o- o 2 5 2 5 10 0 7 2 5 3 60 ，2 6 2 7 3 1 16 9 3 3 9 5 2 73 5 5 0 8 2 7 32 2 8 3 o2 2 5 3 o- o 1 0 1 0 9- 0 0 0 2 8 70 1 0 1 1 3 1 27 0 0 3 9 4 6 83 5 1 1 3 1 7 22 5 1 7 o3 5 6 9 7一o 2 2 2 4 20 3 2 2 9 1 20 3 9 2 1 0 1 36 9 4 5 8 1 5 53 5 3 6 6 1 0 62 3 2 3 02 7 2 8 o- - o 3 7 1 5 l- 1 0 6 2 4 71 1 2 5 5 5 1 46 6 8 0 5 7 6 13 5 7 1 0 9 8 91 4 3 8 2 51 5 7 8 50 4 8 7 6 7 0- 0 6 3 3 9 30 7 9 9 8 0 1 56 7 9 5 9 4 8 03 5 1 5 5 7 7 31 8 2 4 o3 4 2 8 o- o 6 0 7 4 5o 4 5 5 3 5 40 7 5 9 1 7 1 66 7 6 9 9 6 7 93 5 2 5 0 9 8 61 7 3 7 o3 1 1 1 5一o 2 6 2 9 2- o 3 9 8 9 lo 4 7 7 7 7 1 76 8 3 0 9 0 2 83 4 9 3 0 9 4 ，11 9 3 9 o4 1 7 8 01 1 0 8 5 9 7- o 0 8 6 9 91 1 1 2 0 0 1 86 6 9 8 5 5 1 63 5 6 6 6 4 1 11 4 9 8 01 7 2 5 5o 6 1 6 5 3 70 9 1 7 8 8 51 1 0 5 7 2 本研究采用的几何校正模型为多项式校正法。这种方法不需考虑遥感成像 的几何过程，把原始影像的总体变形看成是平移、缩放、旋转、偏扭、弯曲等 基本变形综合作用的结果，从而可以用一个适当的多项式来表达纠正前后图像 相应点之间的坐标关系。 校正多项式的一般多项式为： 第二章基于遥感影像的水体信息提取 工= 口o + ( 口1 r + 口2 y ) + ( 口3 工2 + a 4 x y + 口5 y2 ) + ( d 6 r3 + 口7 r2 j ，+ 口l x y2 + 口9 y3 ) + ) ，= b o + ( 6 i x + 6 2 y ) + ( 6 3 r2 + 6 4 x y + 6 j y2 ) + ( 6 6 x3 + 6 7 x 2 r + b s x y2 + 6 9 y ) + ( 2 4 ， 式中：多项式系数的个数n 与其次数n 有关系，即 n = ( n + 1 ) ( n + 2 ) 2( 2 5 ) 多项式的系数a 。，b t ( f = o ，l ，n 1 ) 是利用选取的控制点g c p 的坐标通过 最小二乘原理求得。本研究取二次多项式，构建几何校正表达式，对影像进行 几何校正。 最后需对图像进行灰度重采样。重采样是指按一定的规则对影像像元重新 赋值的过程1 2 ”，主要有三种方法：最邻近距离法、双线性插值法、三次卷积插 值法。最邻近距离法将距离最近的像元值赋给新像元，其特点是速度快，简单 易行，但是当点位相邻像元的灰度值相差很大时，会产生较大误差。双线性插 值法是对最邻近距离法的一种改进，用线性内插的方法，根据像元周围4 个邻 近点的灰度值在两个方向上进行插值，计算出该像元对应的灰度值。双线性插 值法优点是能产生灰度连续的图像，广泛应用，但其具有低通滤波性质，往往 会使高频分量受到损失，导致图像轮廓模糊。三次卷积插值法是利用多项式s ( ( ) ) 来逼近理论上的最佳插值函数辛克函数，计算时要利用周边1 6 个 邻近像元的灰度，计算公式如下： 辛克函数：s i n e ( ) = 里旦生( 2 6 ) s ( m ) = 1 - 2 1 1 2 + 时，h 1 4 8 h + 5 阿一坷，1 - l 6 0a n d a r e a ” = 1 5 0 0 0 0 ”执行后便可提取出水体中面积周长比大于6 0 m ，面积大于1 5 0 0 0 0m 2 的 的湖泊。 阈值法分类筛选后，- -