基于多光谱遥感影像的城市河道水体异常检测方法研究

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近年来,城市水环境问题越来越受到重视。对城市河道水体水质开展长效管理、有效监测和综合治理,具有重要意义。除了使用河道水质监测站对河道水质进行监测之外,利用卫星遥感影像资料对城市河道大范围水质时空分布状况及水体异常进行监测、分析和报警,是人工检测和监测站监测的有益补充。本学位论文借助多光谱遥感监测范围大、地面分辨率较高等特点,开展了基于多光谱遥感影像的城市河道水体异常检测方法研究,旨在利用卫星影像信息,从空间、时间尺度上,研判出河道水体岸线变化、水质在多光谱影像中有表现的异常,为城市河道管理部门提供信息支持。论文着重研究了城市河道的水体(水域)提取、两时相岸线变化检测、水质空间异常检测以及两时相影像水质异常变化检测等相关问题,对河道岸线变化、在多光谱上有体现的泥沙污染及黑臭废水污染等综合水质异常进行了检测分析与验证。论文的主要工作和创新点如下:(1)研究了适用于多光谱遥感影像的城市河道水体(水域)提取及两时相岸线变化检测方法。在进行水体遥感检测数据定标、校正、影像融合等预处理之后,利用目标河道地理位置相对固定等先验知识,研究了应用水体指数法计算归一化差异水体指数、从遥感影像中辨别水域和背景物,以及应用区域生长法进行遥感影像分割与相似度匹配的河道水体提取与岸线配准技术。应用该技术,对目标河道的简略位置矢量对应像元进行筛选、确定种子点,根据水体指数建立区域生长准则,使用区域生长法提取水体信息,并利用两时相影像进行岸线配准及岸线变化检测。(2)研究了空间尺度上的城市河道水质异常检测方法。论文基于河道水质异常的空间局部特性(在多光谱影像上呈现出与周围水域不同表现的特性),提出了将基于多元高斯分布的双阈值异常检测算法与二维滑动窗结合使用以检测水质空间异常的方法。该方法在确定初始训练集后,使用水质正常区域的多波段多光谱数据构建多元高斯分布模型,实现对邻近区域的水质异常检测,使用二维滑动窗实现对空间中不同位置的检测并对训练集进行动态更新。论文使用高分二号多光谱遥感影像进行检测实验,以验证利用多波段光谱信息进行某些废水直排、泥沙泛起等异常检测的有效性。(3)研究了使用两时相遥感影像进行城市河道水质异常变化检测的方法,以检测出目标水域出现的新变化。考虑到基于单时相遥感影像的水质空间异常检测方法可能会将实际河道中固有的水质空间分布差异检测为异常,且难以发现河道中大范围的水质异常变化,论文提出了基于两时相遥感影像的城市河道水质异常检测方法,重点关注时间上水质发生的异常变化,与空间尺度上的水质异常检测方法互为补充。该方法首先利用主成分分析法能够集中信息、独立成分分析法可以消除数据间的高阶相关并实现信号分离的特性,结合使用两种方法提取两时相影像中的不变背景区域,然后基于两时相影像相同波段间的线性相关关系,使用不变背景区域的光谱数据建立线性回归模型,对待检测影像进行校正,最后利用校正后的残差影像的统计特性,结合阈值法检测目标水域的影像多光谱特性变化以及水质异常变化,并开展了实验验证。综上,本文主要围绕基于多光谱遥感影像的城市河道水体异常检测方法开展工作,重点研究了多光谱影像数据预处理、目标水体提取、水质空间异常检测、水体不同时相变化检测等技术,探讨了将高分辨率多光谱遥感影像用于城市河道水体异常检测、助推城市河道长效化监测管理的新思路。文中使用到的遥感数据来源于中国资源卫星应用中心的高分二号卫星,相关工作得到了遥感技术研究院的大力支持。
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