（水文学及水资源专业论文）基于modis数据的黄河下游洪水遥感监测研究.pdf

摘要 本文是在黄河防汛科技项目“m o d i s 数据在黄河防洪及防凌中的应用研究” 的支持下展开的，是为研究m o d i s 数据的黄河洪水监测方法而进行的理论和试 验研究。 洪水灾害是当今世界上造成损失最大的自然灾害。在洪灾发生时，快速、准 确地提取水体信息，确定洪水淹没范围，为防洪决策提供科学依据，具有十分重 要的意义。m o d i s 遥感数据以其高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱等显著 优点，在洪水动态监测中具有广阔的前景。 本文在详细分析了近年来国内外遥感洪水监测研究进展的基础上，以黄河下 游花园口至孙口河段为研究区，根据黄河水体在m o d i s 数据上的光谱特征及空 间特征，建立了基于m o d i s 数据的黄河下游水体信息提取模型，并讨论了含沙 量等因素对模型参数的影响。论文研究的内容主要涵盖以下几个方面： ( 1 ) 以突出黄河水体信息为目的，对m o d i sl 1 b 数据进行了简单处理，主要 包括：波段选择、“蝴蝶结”去除、几何校正、辐射校正及数据融合等。 ( 2 ) 分析了黄河水体在m o d i s 影像上的光谱表现特征及与其它背景地物在光 谱特征上的差异，分别采用单波段闽值法和多光谱混合分析法对黄河水体 进行了提取实验研究，并对比分析了两种方法的优缺点，指出多光谱混合 分析法更适用于m o d i s 数据的黄河水体提取。 ( 3 ) 建立了基于光谱特征和空间特征的黄河水体信息提取模型，并通过洪水监 测实例分析了含沙量等因素对模型参数的影响。 关键词：m o d i s ，数据处理，洪水监测模型，黄河水体，泥沙含量 a b s t r a c t s u p p o r t e db yn o o dp r e v e n t i o nt e c h n o l o g yp r o j e c to ft l l e y e l l o w 础v e r t h e 印p l i c a t i o nr c s e a r c ho f m em o d i s d a 诅i nm ey c l l o w 硪v e r n o o dc o n 仃o ia 1 1 da n t i i c e ， t l l i sa n i c l ep r e s e n t sm e 廿1 e o r c t i ca i l de x p e r i m e n t a ir e s e a r c ho nf l o o dm o i l i t o r i n g m e m o d so f t h ey e l l o wi u v e ru s i n gm o d i sd a t a f l o o dd i s a s t e ri s 山ew o r l d s1 a r g e s tn a _ c l 】r a ld i s a s t e rl o s s e s w h e nn o o d so c c u li t i so fg r e a ts i g l l i f i c a n c et oq u i c k l ya n da c c u r a t e l ye x t r a c tw a t e rb o d ym f o 姗a t i o n ， i d e n t i 母t l l es c o p eo ft l l en o o d ss u b m e 耀e d ，a n dp r o v i d es c i e i n i f i cb a s i sf o rn o o d c o n 仃o ld e c i s i o n m a l ( i n g w i t hh j 曲s p a t i a lr e s o l u t i o n ，h 谵ht e m p o r a lr e s 0 1 u t i o n ，圭l i 曲 s p e c 仃a l a n do t h e rs i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ，m o d i sd a t ah a sb r o a dp r o s p e c t si n d y n a 工n i cn o o dm o i l i t o r i n g b a s e do nt h ea n a l y s i so fr e s e a r c hp m g r e s so fn o o dm o 工1 i t o r i n gu s i i 培r e m o t e s e n s i n gi nr e c e my e a r s ，t h i sp 印e rd e a l s 丽mt 1 1 em e m o d so f m o n i t o r i n gn o o dw i m t h e r i v e rs e c t i o nh u a y u a n k o ut os u r l k o uo ft 1 1 ey b l l o wr j v e ra s 咖d ya r c a a c c o r d i n gt o t l l es p e c 仃a lc h 帅c t e 订s t i ca 1 1 dt h es p a t i a lc h 盯a c t e r i s t i co f m ey e l l o wm v e rw a t c r b o d y i nm o d i si m a g e ，w ee s t a b l i s h e dt 1 1 ew a t e rb o d yi n f b r n l a t i o ne x 仃a c t i o nm o d e lo fm e y e l l o wr i v e rb a s e do nt h em o d i sd a 诅a n dd i s c u s s e dt h ei n n u e n c eo fs e d i m e n t c o n c e n t i a t j o na n do t h e rf a c t o r st o 吐l em o d e lp 盯鼬e t e r s 1 m ec o n t e n tc o v e r st h e f 0 1 l o 、v i n gs e c t i o n s ： ( 1 ) 毗i n g h i 削i g h t st h ey e l l o wm v e rw a t c r b o d yi i l f o m a t i o na sm e9 0 a l ，s i m p l e t r e a t i l l e n t sa r ec a r r i e do nt ot h em o d i sl 1bd a 也m a i l l l yi n c l u d e s ：t 1 1 eb a i 】dc h o i c e ， t 1 1 e “b o w t i e ，r c m o v c s ，t h eg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o n ，m er a d i a t i o na d j u s 1 1 e n ta n dm e d a t a f l l s i o n a n ds oo n ( 2 ) t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i cd i 雎r e n c eb e 伽e e nt h ey e l l o wr j v e rw a t e r b o d y a i l d o l e r b a c k g r o u 工1 d t h i n g si nm o d i si m a g eh a sa 【1 a l y z e d ，t h es i n g i eb a n d 也r e s h o l da l g o r i m ma d dt h em u l t i s p e c t r a l i n t e g r a t e da i l a l y s i sm e 也o dw e r es 印a r a t e l y c a 玎i e do nt o 诵m 出a w nt h ey e l l o wm v e rw a t e rb o d ya se x p e r i m e n t a ls t u d y ，a n dw e r c c o n t m s t e dt oa n a l y z et w om e t h o d s 9 0 0 da n db a dp o i m s t h em u l t i s p e c 仃a l i n t e 替矾e da n a l y s i sm e m o dw a sp o i m e do u ts u i 诅b l et om ew a t e rb o d ye x 把狐t i o no f y b l l o wr i v e rw i t l lm o d i sd a t a ( 3 ) 1 1 1 ew a t e r b o d yi 幽皿a t i o ne 姗a c t i o nm o d e lo fy e l l o wm v e r b a s e do n 血e s p e c 讥l 1c h a r a c t e r i s t i ca 1 1 dm es p a t i a lc h a r a c t e r i s t i cw a se s 诅b l i s h e d a c c o r d i n gt o s o m ef 1 0 0 dm o n i t o re x 锄p l e s ，t h ei n n u e n c eo ft h es e d i 1 e n tc o n c e n t 删o na i l do n l e r f a c t o r st ot h em o d e lp a 姗曲：r s 、a sa 工】m y z e d k e yw o r d s ：m o d i s ，d a _ t ap r o c e s s m g ，m o d e lo ff l o o dm o i l i t o r i n g ，w a t e r b o d i e so f y b l l o wr i v e r s e d i m e n tc o n c e n 扛a t i o 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) ：圣堕匿2 0 0 6 年6 月 日 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) ：圣选霞2 0 0 6 年6 月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 洪水灾害是当今世界上造成损失最大的自然灾害，据联合国统计，每年全世 界各种自然灾害中，洪涝造成的损失占4 0 “3 。黄河流域是典型的季风气候区， 降水季节性强，每年约6 0 8 0 的降水集中在7 1 0 月，而且多以暴雨形式 出现“3 ，下游以“地上悬河”著称于世的游荡型河段经常发生洪涝灾害。 在洪涝灾害发生时，如何快速、动态、准确地提取水体信息，确定洪水淹没 范围和受灾程度，为各级政府及有关部门采取有力措施开展援救工作提供翔实准 确的信息，为洪水调度和防灾减灾决策提供科学依据，具有十分重要的意义。 遥感技术在洪水监测中的应用，克服了常规监测方法监测点稀少、分散，监测过 程费时费力的缺点，在防洪救灾工作中正发挥越来越大的作用“1 1 。 洪水淹没范围信息的提取是洪水遥感监测中最为重要的方面之一。洪水淹没 范围是描述洪水灾害自然特征的基本要素，也是洪水灾害的重要特征指标。当洪 水发生时，最为重要的是快速获得洪水淹没范围的相关资料，以便在第一时间对 洪水的现状和发展趋势做出准确判断和估测，对防洪工作做出合理安排。然而在 当前的防洪应用中，得到遥感数据以后尚有两个技术瓶颈：一是数据处理，主要 是影像的辐射校正和几何校正，此项工作颇费时间，且在短期内不容易突破技术 难关；二是水体提取，主要是洪水淹没范围的提取。目前洪水淹没范围的提取主 要依靠目视解译。其方法通常是在专业软件支持下，目视判断，然后手工勾绘。 显然，这是一项非常耗时的工作，且人为影响较大，对于日视不能区分的地物往 往会发生误判。这种技术方法自然不能满足现代防洪救灾工作的要求，必然要求 探索自动化提取的技术和方法。因此研究常用卫星影像的水体信息提取方法，建 立洪水的自动识别模型已成为目前洪灾遥感监测中的主要任务。 目前我国可用于洪水监测的遥感资料有n o a a - a v h r r 、m o d i s 、1 m 、 s p o t 、r a d a r s a t 等。n o a a 卫星能昼夜获取信息，是目前应用最广的数据之 一，可作洪水动态监测的数据源，但空间分辨率较低( 1 0 0 0 m ) ，洪水监测的精 度难以保障。t e a e o s 和a q l l a e o s 星上都搭载有中分辨率成像光谱仪 ( m o d i s ) ，和n o a a a v h r r 相比，无论在空间分辨率、时间分辨率、光谱 河海大学硕士学位论文 范围、辐射计算还是衍生产品方面都具有显著的改善。m o d i s 数据1 2 波段空 间分辨率为2 5 0 m ，时间分辨率为o 5d ，具有3 6 个波段，覆盖光谱范围广，在防 汛应用中具有广阔的前景，对应急处理有较大的实用价值”。 美国l a n d s a tt m 数据、法国s p o t 卫星和加拿大合成孔径侧视雷达卫星 r a d a r s a t 的空间分辨率都较高：t m 分辨率为2 8 5 m ；s p o t 拥有一个1 0 m 分辨率的全色波段和三个2 0 m 分辨率的多光谱波段，它的空间分辨率在全世界 已投入运行的资源遥感卫星中是很高的，其图像质量一直十分稳定；队d a r s a t 具有多模式的特点，即分辨率有1 0 、2 5 、3 0 、3 5 、5 0 、1 0 0 m 多种。但是这些卫 星的时效性差，t m 的重复周期为1 6 天，s p o t 的标称重复周期是2 6 天， r a d a r s a t 为2 4 天，不能满足防汛在时间上的要求，并且数据购买费用较高。 每一种遥感数据都具有特定的适用范围和条件，选用何种遥感数据，主要取 决于研究目的和任务，以及被研究目标的特点和复杂程度。t m 、s p o t 及 r a d a r s a t 等高空间分辨率的遥感数据可以与高时间分辨率的m o d i s 数据互 为补充，作为m o d i s 洪水动态监测的本底信息支持。 利用卫星遥感数据提取水体，进行水资源宏观监测及洪水淹没灾害评估，近 2 0 年来得到了广泛的研究。闽值法、差值法、比值法、密度分割法、色度判别 法、比率测算法、谱间关系法以及基于知识的水体自动判别方法和根据形状信息 进行水体识别与分类方法等各种方法相继提出并得到了应用“”3 。由于遥感图像 的类别不同，以及研究地区的地面特征不同，同一方法不可能适用于所有情况。 必须对研究区的特点，遥感影像特征以及水体的遥感信息机理等方面进行综合分 析研究，最后才能确定使用某一方法或几种方法综合使用。 黄河作为中国的第二大河，具有水少沙多、地上悬河等特点，这使得黄河的 遥感应用更具复杂性，不能照搬其它河流的研究结果，必须针对黄河自身特点建 立适合黄河的遥感技术方法。因此，如何快速高效地利用m o d i s 数据提取黄河 水体信息，正确确定洪水淹没范围，对洪水灾害损失进行评估，为抗洪抢险提供 宝贵的时问，从而将洪水的损失降低到最低程度已经成为当务之急。因此本研究 的开展必然会提高黄河遥感中水体识别方面的应用水平，为维持黄河的健康生命 提供更完善的技术保障。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 21 遥感技术在防洪减灾中的应用 就灾害发生的时空范围、强度及其对人类生存与发展的威胁程度而言，洪水 灾害居各种自然灾害之首。如何系统、快速地分析与评价洪水灾害，不仅是当代 自然灾害学研究中的一个重大科学问题，也是与区域社会、经济、环境可持续发 展密切相关的一项迫切的实践任务。传统的水文信息采集手段、过程与水平已经 很难满足防洪抗涝的需要，主要表现在它的不准确性和非实时性上，给洪灾分析 与评估等工作带来了诸多不便。2 0 世纪6 0 年代发展起来的遥感技术因其具有观 测范围大、获取信息量大、速度快、实时性好、动态性强等优点，在洪涝灾害的 研究中得到越来越多的应用。国内外很多学者利用遥感技术对洪涝灾害的动态监 测进行了研究，并取得了一系列的研究成果。3 。”3 。 在遥感数据源的使用方面，从最初使用n o a a 气象卫星的a 碾r 数据，发 展到用陆地卫星的t m 影像，用全天候的机载和星载侧视合成孑l 径雷达( s a r ) 来监测洪水。如曹述互等应用气象卫星图像监测辽河洪水“”，肖乾广等对松花江 洪水进行了监测“，赁常恭等则用气象卫星影像监测了黑龙江春涝“，居为民等 应用极轨气象卫星对洪水面积估算进行了研究“；在2 0 世纪8 0 年代国外就都已 经开始用资源卫星进行洪涝灾害的监测，如法国利用s p o t 卫星资料对1 9 8 8 年 2 月旺代省的洪水进行了监测，美国利用t m 资料获取了b l a c k 河流的洪水信息。 我国也于2 0 世纪8 0 年代开始采用地球资源卫星遥感影像进行洪水监测，如李畅 游等利用e 1 m 遥感影像提取了乌梁素海的水体范围，都金康等采用s p o t 卫 星影像研究了山区水体提取的方法”“，杨存建等对基于星载雷达的洪水灾害淹没 范围的获取方法进行了探讨”。 在洪水信息提取的方法方面， 目前各种方法相继提出并得到广泛的应用。 陆家驹等分别用闽值法、色度判别法、比率测算法从t m 资料中识别水体。“。 b a n o ni j 等利用a r r 通道4 提取的亮度温度来识别水体。刘建波等利用密 度分割法从t m 图像中提取水体的分布范围。周成虎、杜云艳等。7 1 提出了基于 水体光谱知识的a v h r r 影像水体自动提取识别模型。都金康等利用水体的空间 特征信息，选用决策数分类方法对利用光谱信息提取的水体进行了分类。盛永伟 等利用a 、， 皿r 数据的通道2 与通道1 之比值图像，有效识别了薄云覆盖下的水 河海大学硕士学位论文 体3 。 1 2 2m o d i s 数据应用概述 m o d i s f m o d e r a t e r e s o l u t i o ni n l a g i n gs p e c t r o r a d i o m e t e r ) 是新一代对地观测的 遥感信息资源，其提供的中分辨率成像光谱仪遥感数据向全世界公开广播。1 9 9 9 年1 2 月1 8 日美国国家航空航天局( n a s a ) 组织实施的地球观测系统( e o s ) 计划上午星系列的第一颗卫星一t e 刚t a ( 拉丁语：陆地) 卫星发射成功，标志着人 类进入了一个全面的、系统的、实质性的地球观测阶段。2 0 0 2 年5 月4 日该计 划下午星系列第一颗卫星一a o u a ( 拉丁语：水) 卫星投入运行，把e o s 计划 推向一个新的高潮【2 9 1 。它的主要目标是实现从单系列极轨空间平台上对太阳辐 射、大气、海洋和陆地进行综合观测，获得有关海洋、陆地、冰雪圈和太阳动力 系统等观测信息，用于土地利用和土地覆盖研究、气候季节和年际变化研究、自 然灾害监测的分析研究、长期气候变率的变化研究以及大气臭氧变化研究，实现 对大气和地球环境进行长期观测和进一步的理解。这两颗卫星上都载有m o d i s 传感器。由于每个m o d i s 仪器的设计使用寿命为5 年，计划发射4 颗卫星。由 此估计，利用m o d i s 仪器至少将获得1 5 年、3 6 个光谱波段的地球综合信息。 这些数据对于开展自然灾害与生态环境监测、全球环境和气候变化研究以及进行 全球变化的综合性研究等将是非常有意义的。 m o d i s 传感器的数据免费、较高空间分辨率( 2 5 0 m ) 、时间分辨率( o 5 d ) 和光谱分辨率( 波谱范围0 4 1 4 岫，3 6 个光谱通道) 等特点，在水文水资源 中具有广阔的应用前景啪1 。目前，国外已经在水文水资源领域的一些方面进行了 应用，并取得了较好的成果，如z h a n ，x 等人利用m o d i s2 5 0 m 数据对土地覆盖 类型的变化情况进行了调查，并对2 0 0 0 年柬埔寨、泰国的洪水情况进行了监测 。“；m v n e n i 等提出一种从m o d i s 数据提取l a j 的算法，并以实际数据说明l a i 与归一化植被指数( n d v i ) 存在的非线性相关性”；h 删a 等以回归分析的方 法，分析m o d i s 的光谱反射率与待监测水质变量之间的关系，建立了一种半经 验的算法，对叶绿素、悬浮物、浊度等水质参数进行测算和研究。；p c t r i e 利用 2 5 0 m 分辨率的m o d i s 数据清晰地指出了2 0 0 2 年8 月2 0 日德国易北河洪水的位 置和范围。国内也从试验阶段逐步向生产应用阶段转化，在水资源监测调查中 取得了显著成果，如：谭德宝、刘良明等以湖北省为研究区提出了基于m o d i s 4 第一章绪论 数据的综合性干旱监测模型，能很好的用于湖北省的干旱预警与监测。；刘闯等 利用m o d i s 数据分析了青藏高原东部工布江达附近常年积雪区积雪覆盖面积的 动态变化”；黄河遥感从2 0 0 2 年开始已经应用m o d i s 数据进行凌情动态监测， 并取得了良好的成果“”。 1 3 本课题的主要内容及创耘点 1 3 1 本课题的研究内容及技术路线 本课题的研究目的是通过分析黄河水体在m o d i s 影像上的光谱表现特征及 与其它背景地物在光谱特征上的差异，并结合水体的空间特征，建立一个基于 m o d i s 数据的黄河水体信息自动识别模型，并对模型参数与含沙量之问的关系 做些研究，探讨在实际应用过程中如何根据含沙量的大小对模型参数进行调整， 以便使模型适用于不同含沙水体的自动识别。 本研究具体的技术路线如下图： 图卜1 本研究总的技术路线 河海大学硕士学位论文 各章主要内容分述如下： 第一章为绪论，介绍了本课题的选题依据和研究意义、国内外遥感技术在防 洪减灾领域的研究现状、m o d i s 数据应用情况、以及本课题的主要内容和创新 点。 第二章为研究区概况及数据源介绍，简要介绍了黄河下游河道的基本情况及 防洪形势，并介绍了本课题所使用的m o d i s 遥感数据的获取途径、数据特点及 文件格式。 第三章为m o d i s 数据的预处理，该部分主要参考已有的m o d i s 数据处理 方法及处理软件，根据研究的需要对m o d i s 数据进行了波段选择、“蝴蝶结”去 除、辐射校正、几何校正及数据融合等处理。 第四章为黄河水体自动识别模型的建立，本章简单介绍了水体遥感的识别原 理，阐述了水体的光谱特征及与悬浮泥沙含量的关系；分析了黄河水体在m o d i s 影像上的光谱特征和空间特征；分别采用单波段阂值法和多光谱混合分析法研究 黄河水体信息提取的最佳方法，建立基于光谱特征和空间特征的黄河水体自动识 别模型。 第五章为黄河下游洪水监测应用分析，本章以2 0 0 3 、2 0 0 4 、2 0 0 5 年8 幅m o d i s 影像为试验数据，利用第四章所建立的水体自动识别模型进行了洪水监测试验， 分析了含沙量、光照强度等因素对模型参数的影响程度，并对黄河水体提取的结 果进行了监测精度评价。 第六章为结论与展望，总结了本课题的主要研究成果，同时对进一步需深入 开展的工作进行了展望。 1 3 2 本课题的特色与创新点 ( 1 ) 分析了黄河水体与其他背景地物在m o d i s 影像上的光谱特性差异，通 过m o d i s 影像几个特定波段的组合运算，进行了基于m o d i s 数据的黄河水体 信息提取方法的研究。 ( 2 ) 分析了含沙量、光照强度及其他因素对m o d i s 影像地物光谱灰度值的 影响程度，根据含沙量等因素与光谱灰度值的相关关系确定了黄河水体自动识别 模型的参数，以便于在实际应用过程中根据这些影响因素的变化实时调整模型参 数，提高水体识别的精度。 6 第二章研究区概况及数据源介绍 2 1 研究区概况 第二章研究区概况及数据源介绍 2 1 1 黄河下游基本情况 黄河是世界上最大的一条多泥沙河流，黄河下游河床演变极为复杂，泥沙淤 积严重，河床抬升迅速，河势游荡多变，河道排洪能力逐年降低，是举世闻名的 “地上悬河”。黄河下游河道总面积为4 6 4 7 k m 2 ，其中滩地面积3 9 5 6 k m 2 ，占河 道总面积的8 5 ，耕地面积2 5 万公顷，村庄2 0 7 1 个，滩区常住人口接近1 8 0 万人。黄河下游花园口至孙口河段，河道总长3 1 9 k m ，是下游发生洪水漫滩几率 最大的地段，也是本研究的主要区域，河道基本形态如图2 一l 所示。 图2 1 黄河下游花园口一孙口河段河道形态 本研究根据水文站点的设置将工作区域划分为三个河段，即： 花园口至夹河滩。属典型的游荡型河段，河道长1 0 0 3 k m ，两岸堤距5 2 0 k m ， 槽宽3 2 4 5 k m 。该河段特性为河身宽浅，水流湍急，汊流交织，沙洲众多， 主流摆动不定。具有高、中、低三级滩地，由于大量漫流淤积，使槽、滩经常易 河海大学硕士学位论文 位，主流摆动频繁，险情丛生。据统计，黄河下游堤防在1 9 4 9 年以前2 0 0 0 多年 的时间里，决口达1 5 0 0 多次；1 9 4 9 年以后，黄河下游虽经过多年整治，花园口 至夹河滩段仍为决口易发地段。 夹河滩至高村。河段全长8 3 k m ，位于游荡型河道的最下段，是黄河下游游荡 性河道比降最小的河段，主槽摆幅较小，左右两岸滩地大而完整。 高村至孙口。系游荡型向弯曲型过渡的河段，主槽弯窄，是黄河下游“二级 悬河”最严重的河段。区间无支流汇入，河道平面面积7 3 3 5 k m 2 ，滩地面积为 4 6 0 k m 2 ，平均河宽6 2 0 0 m ，其中主槽宽约7 0 0 m ，滩地宽约5 5 0 0 m 。该河段堤根 低洼，有部分滩区退水困难，成为死水区。 2 1 2 黄河下游防洪形势 历史上黄河水患灾害十分严重。因暴雨洪水和冰凌洪水造成的水灾遍及全河 的上、中、下游，尤以下游最为突出，集中表现为频繁的洪水决口泛滥和河流改 道给两岸人民带来的深重灾难。洪灾的特点是：决口频次高，淹没面积广，水淹 沙压灾情重，经济损失大，后果严重，影响深远。 1 9 4 6 年人民治黄以来取得了历史性的巨大进展，黄河下游防洪工程体系初步 形成，非工程措施卓越，取得了很大成效，5 3 年岁岁安澜。黄河下游防洪体系 的骨干工程小浪底水库2 0 0 0 年建成投入运用，黄河下游防御大洪水的能力增强， 河床淤积在一定时期得到缓解，但是，由于黄河下游属“地上悬河”，而且“二 级悬河”的问题也越来越突出，泥沙问题长时期内难以根本解决，历史上构筑的 堤防质量差，游荡、宽浅河段河势变化大，中常洪水发生漫滩，大洪水发生堤防 决溢的危险依然存在，因此黄河下游防洪形势仍非常严峻”8 。 进入2 1 世纪，我国经济和社会发展对黄河下游防洪减灾提出了更高的要求。 随着“数字黄河”“。概念的提出，全数字摄影测量、遥测、遥感、地理信息系统、 全球定位系统等现代手段开始广泛应用于黄河的治理开发和管理工作中。多年 来，遥感技术在黄河防汛、河道整治、水土保持、水利工程建设、河口三角洲规 划治理等方面均取得了较好的社会经济效益。随着多种遥感手段的相继投入应用 和图像分辨率的提高，特别是得到计算机技术的支持以及与地理信息系统g i s 的有机结合，更加显示出了其广阔的应用前景“1 。4 。 第二章研究区概况及数据源介绍 2 2m o d i s 数据介绍 2 2 1m o d i s 数据获取 美国国家航空航天局( n a s a ) 对m o d i s 数据在接收、处理和使用方面继 承了n o a a 对a v m 汛的政策，即在全世界范围内免费接收和鼓励推广使用的 政策。所不同的是n a s a 在数据处理和传输方面作了技术改进，增加了数据在 星上存储的功能和将存储的数据一次性向地面( n a s a g o d d a r d 空间飞行中 心) 传输的功能。这样的技术改进保障了美国获得全球数据将不用再依赖于类似 n o a a 的地面交换的方式，而是可以每天直接一次性接收到全球数据。同时也 保持了世界各地均可以通过地面接收站获取到卫星通过该地区的数据的功能。 n a s a 为m o d i s 建立了一系列网站服务器和数据网络直接下载服务器。提 供无偿网络共享的数据涵盖了全球每天的数据。在线数据保持1 0 天，1 0 天以前 的数据通过订购，n a s a 经过一定时间调取数据，然后传给数据要求者。主网址 ( h t q p ：m o d i s g s f c n a s a g o v ) 采用图的方式连接了与m o d i s 算法、格式标准、 技术、软件以及相关进展报道的网站。n a s a 将美国获取的m o d i s 数据通过 n a s a 哥达飞行中心、美国地质调查局数据中心和美国科罗拉多大学冰雪数据中 心等三个中心通过美国国家级数据归档中心( d a a c s ) 系统共同承担向全民提 供数据无偿共享服务( h t t p ：d a a c g s f c n a s a 名o v ) 。本文研究所使用的数据都是通 过美国n a s a _ m o d i s 网站获取，按照5 分钟一景进行分割。 2 2 2m o d i s 数据的特点 m o d i s 数据波段多，具有3 6 个波段，光谱范围宽，分布在o 4 1 4 4 u m 的电磁波谱范围内，提供三种空间分辨率2 5 0 m 、5 0 0 m 和1 0 0 0 m 的数据，是 l a l l d s a t 1 m 和n o a a a v h r r 数据无法比拟的；采集的数据应用广，对地球科 学的综合研究和对陆地、大气和海洋进行分门别类的研究有较高的实用价值； t e 础u 和a o u a 卫星的配合，每天最少2 次白天和2 次黑夜更新数据，向全球 免费播放数据，对实时地球观测和应急处理( 如火灾和水灾) 有非常重要的实用 价值；m o d i s 数据接收相对简单，利用x 波段向地面发送，并在数据发送上增 加了大量的纠错能力，保证用户用较小的天线( 3 m ) 就可以得到优质信号。表 2 1 是m o d i s 各波段的分布特征。 河海大学硕士学位论文 表2 1m o d l s 波段分布特征 波段波段宽度光谱灵敏度 基本用途信噪比 序号pmw m 2 u m - s r 陆地云气溶胶边界 】 o 6 2 0 o 6 7 02 1 81 2 8红 同上 2o 8 4 1 0 8 7 62 4 72 0 1 近红 陆地，云气溶胶特性 3 0 4 5 9 0 4 7 93 5 - 32 4 3蓝 同上 4 o 5 4 5 0 5 6 52 9 02 2 8绿 同上 5 1 2 3 0 一1 2 5 05 4 7 4 近红 同上 61 6 2 8 一】6 5 27 32 7 5中红 同上 7 2 1 0 5 2 1 5 51 0 1 1 0 中红 海洋水色、浮游植物、 8o 4 0 5 一o 4 2 04 4 98 8 0 紫 生物地球化学 同上 9 0 4 3 8 0 4 4 8 4 1 98 3 8 蓝 同上 l o o _ 4 8 3 一o 4 9 3 3 2 18 0 2 同上 1 】 o 5 2 6 0 5 3 6 2 7 97 5 4 绿 同上1 20 5 4 6 一o 5 5 62 1 o7 5 0绿 同上 1 3 0 ，6 6 2 0 6 7 2 9 59 1 0 红 同上1 4o 6 7 3 一o 6 8 38 71 0 8 7红 同上 1 5 0 7 4 3 一o 7 5 3 1 0 25 8 6 近红 同上1 60 8 6 2 0 8 7 76 25 1 6 近红 大气水汽 1 7o 8 9 0 o 9 2 01 0 o1 6 7 近红 同上 18 0 9 3 1 0 9 4 13 65 7近红 同上1 9o 9 1 5 一o 9 6 51 5 o2 5 0 近红 地表云顶温度 2 03 6 6 0 - 3 8 4 0 0 4 5 ( 3 0 0 k ) 0 0 5 热红 同上2 l3 9 2 9 3 9 8 9 2 - 3 8 ( 3 3 5 k ) 2 o o熟红 同上 2 23 9 2 9 3 9 8 9 o 6 7 ( 3 0 0 k ) 0 0 7 热红 同上 2 3 4 0 2 0 4 0 8 0o 7 9 ( 3 0 0 k )0 0 7熟红 大气温度 2 44 4 3 3 4 4 9 8 o 】7 ( 2 5 0 k ) 0 2 5 熟红 同上 2 54 4 8 2 4 5 4 9 o 5 9 ( 2 7 5 k ) o 2 5 熟红 卷云水汽 2 61 3 6 0 1 3 9 06 o o 1 5 0 ( s n r ) 中红 同上 2 76 5 3 5 - 6 8 9 5 1 1 6 f 2 4 0 目 o 2 5 热红 同上 2 8 7 1 7 5 7 4 7 5 2 18 ( 2 5 0 k ) 0 ，2 5 熟红 云特性 2 98 4 0 0 - 8 7 0 0 9 5 8 ( 3 0 0 k ) o0 5 热红 臭氧 3 0 9 5 8 0 9 8 8 0 3 6 9 ( 2 5 0 k ) 0 2 5熟红 地表云 3 11 0 7 8 0 1 1 2 8 0 9 5 5 ( 3 0 0 k ) o 0 5 热红 同上 3 21 1 7 7 0 - 1 2 2 7 0 8 9 “3 0 0 k ) 0 0 5 热红 云顶高度 3 31 3 1 8 5 1 3 4 8 5 4 5 2 ( 2 6 0 k ) 0 2 5 热红 同上 3 41 3 4 8 5 - 1 3 7 8 5 3 7 6 f 2 5 0 k 、 o 2 5 热红 同上 3 51 3 7 8 5 1 4 0 8 5 3 1 l f 2 4 0 k ) 0 2 5 热红 同上 3 61 4 0 8 5 - 1 4 _ 3 8 5 2 0 8 ( 2 2 0 k ) 0 2 5 热红 m o d i s 保留了n o a a a v h r r 功能的同时，在数据波段数目、空间分辨率、 数据接收、数据格式和数据应用范围等方面都作了相当大的改进，成为a v 玎王r 的换代产品，表2 2 列出了m o d i s 数据对于n o a a 卫星a 、r 汛数据改进的几 个方面。 第二章研究区概况及数据源介绍 表2 2m o d i s 与a v h r r 数据对比表 主要用途波段数波段序数空间分辨率 陆地与云的界限 2 1 2 2 5 0 m 陆地与云的性质 5 2 + 3 7 1 - 2 + 5 0 0 m 1 1 0 0 m + 海洋颜色、水体表 98 1 61 0 0 0 m 层性质、生物化学 大气水分 3 1 7 1 9 1 0 0 0 m 地表云温度 4 1 + 2 0 一2 3 3 + l o o o m 1 1 0 0 m + 大气温度 2 2 4 2 5 1 0 0 0 m 苷五 l 2 6 1 0 0 0 m 水分 3 2 7 2 9 1 0 0 0 m 臭氧 l3 0 1 0 0 0 m 地表、云表温度】 2 2 + 3 1 3 2 4 5 l o o o m ，1 l o o m + 云顶性质 4 3 3 3 6 1 0 0 l o m 注：有注记的为a 、，h r r 数据，其余的为m o d i s 数据。 2 2 3m o d i s 数据文件格式 m o d i s 数据是以 玎) f ( h i e r a r c l l i c a ld a t af o h n a t ) 文件存储的超文本文件格 式，由美国伊利诺伊大学的n c s a 组织开发，为满足各种领域研究需求而研制的 一种能高效存储和分发科学数据的新型数据格式。为了节省存储空间，在反射太 阳波段的科学数据中进行尺度转换，采用1 6 咄i t 整数表示法。实际上，1 6 _ b i t 中的1 5 _ b i t 用于存储有效数据，第1 6 _ b i t 储存几类无效数据。一个i i ) f 文件 中可以包含多种类型的数据，如栅格图像数据、科学数据集和信息说明数据。这 种数据结构方便信息的提取。h d f 数据结构综合管理2 d 、3 d 、矢量、属性、文 本等多种信息，能够帮助人们摆脱不同数据格式之间相互转换的繁琐，而将更多 的时间和精力用于数据分析。 m o d i s 标准数据产品根据内容的不同分为陆地标准数据产品、大气标准数 据产品和海洋标准数据产品三种类型，总计分解为4 4 种标准数据产品类型。 m o d i sl 1 b 是m o d i s4 4 种系列数据产品种的一种，产品编号为m o d 0 2 ( t e r r a - m o d i s ) m y d 0 2 ( a q u a m o d l s ) 。该数据产品是大气顶层的辐射和反 射，经过辐射定位和定标，但没有经过大气校正。数据本身包含有地理坐标，但 是“科学数据”和“地理数据”还没有连接，直接显示时，边缘存在“蝴蝶结” ( b o w _ t i e ) 现象。 第三章m o d i s 数据处理 第三章m o d l s 数据处理 数据处理是遥感应用的基础，处理结果的好坏直接影响着最终成果的质量。 目前m o d i s 遥感应用中的数据预处理基本依靠地面站提供，并不能满足具体专 业领域的应用要求。因此，本文以突出黄河水体信息为目的，研究了m o d i s 数 据应用于黄河洪水监测之前的数据处理，主要包括：波段选择、“蝴蝶结”现象 去除、辐射校正、几何校正、分辨率融合及影像合成，本章将对此分别加以阐述。 本研究对m o d i s 数据的处理工作都是在e n v i 软件下进行的。美国r s i 公 司( r e s e a r c hs y s t e m si n c ) 基于i d l 语言开发的e n v i 软件是专业的显示、处理 和分析遥感影像数据的处理软件，它提供了很好的对m o d i sl b 数据的支持， 不需要进行数据格式的转换，可以通过打开外部文件阳) f 格式来直接读取 m o d i s1 b 数据所包含的文件信息，并提供了针对m o d i s 数据的处理工具。 3 1 波段选择 水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收率很强，特别是在近红外、中 红外波段有很强的吸收带，反射率几乎为零，因此在遥感中常用近红外波段确定 水体的位置和轮廓。根据表2 1 所示的m o d i s 数据波段分布特征及表2 2 所列 出的m o d i s 数据各波段分辨率大小，同时考虑到空间分辨率对水体信息提取的 影响，本文选择m o d i s 影像卜7 波段的数据作为黄河水体信息提取研究的主要 数据源，其中卜2 波段分辨率为2 5 0 m ，3 7 波段为5 0 0m 分辨率。 3 2 “蝴蝶结”去除 32 1 “蝴蝶结”现象的产生 m o d i s 探测器是一种被动式摆动扫描探测器，其横向扫描角为5 5 度。每 条扫描线由1 3 5 4 个1 公里的像素或2 7 0 8 个5 0 0 m 像素或5 4 1 6 个2 5 0 m 像素组成。 由于地球曲率的影响，扫描线的实际跨度大约为2 3 3 0 公里。每完成一次扫描， m o d i s 探测器沿轨道前进了1 0 公里，这1 0 公里的区域就是一个扫描条带。m o d i s 图像在其扫描线宽度方向由扫描条带组成，条带宽度分别为1 0 个像素( 1 0 0 0 m 分辨率) 、2 0 个像素( 5 0 0 m 分辨率) 和4 0 个象素( 2 5 0 m 分辨率) 。地球的球 1 河海大学硕士学位论文 面特性会导致扫描带两端产生数据的重叠现象，将扫描带组成遥感图像后即形成 所谓的“蝴蝶结”效应( b o w t i e 现象) ，如图3 1 所示，河流不仅左右错开， 而且上下有部分重叠，影响了数据的实际应用。如以1 公里分辨率为例，每条扫 描线1 3 5 4 个象素，其象素尺寸在星下点为1 1 公里，而随着扫描角的增大和地 球曲率的影响象素尺寸逐渐增大，当扫描角为5 5 度，其象素尺寸变为沿扫描方 向4 8 3 公里、沿轨道方向2 0 1 公里的大小，象素尺寸随扫描角的变化规律如 图3 2 和图3 3 所示。这种象素尺寸的几何形变造成两个现象，一是边沿象素对 象区域的重叠现象，而且越靠近边沿，象素重叠现象越严重；二是沿扫描方向图 像的压缩失真。 图3 1m o d i sl 1 b 数据边缘的“蝴蝶结”效应 图3 2m o d i s 数据的“蝴蝶结”效应随扫描角变化规律 1 4 第三章m o