课程培训-基于pie的水体监测应用解决方案

1、北京航天宏图信息技术股份Beijing Piesat Information Technology Co.,Ltd.专题：基于PIE的水体范围监测解决方案北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N培训课程基于PIE的Hyperion数据预处理遥感在水利中的应用1基于PIE的水体范围监测解决方案2北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N遥感在水利中的应用1北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N遥感在水利中的应用遥感在水利中的应用水资源监测防洪抗旱预警监测洪水风险图旱情监测山洪灾害风险图洪涝监测水

2、体反演灌溉面积提取渠系提取水库蓄水量评价地表水监测悬浮物浓度反演叶绿素a 浓度反演水环境监测遥感水利中的应用北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N水资源监测 地表水监测岗南水库地表水监测（1）2010-4-23（2）2010-5-24（3）2010-6-5（4）2010-7-20（5）2010-8-16（6）2010-9-13应用HJ1A/HJ1B CCD数据（替代GF-1 WFV数据），实现逐旬优于30米分辨率的水源地水体面积监测。北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N水资源监测 水库蓄水量评价基于同化数据修正的水位面积

3、、水位库容曲线同化前同化后-水位(m)同化前库容(亿m3)同化后库容(亿m3)差值(亿m3)1700.440.350.091750.910.740.171801.561.350.211852.62.320.281904.113.760.351956.115.690.422008.588.070.5120511.3910.760.6321014.5813.80.78北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N水资源监测实际灌溉面积监测葵花夏杂玉米树林小麦利用ZY-3和TH-1进行了种植结构的提取，在此基础上获得了农作物种类的灌溉面积与地面同步监测点对比，精度达到80

4、%以上。小麦葵花玉米夏杂总计第一轮111.77522.04254.25521.721409.78第二轮41.9402.08241.51257.15942.64第三轮140.46736.03381.49568.931826.91第四轮141.61701.82382.84551.561777.84第五轮130.65713.43341.73627.661813.47第一轮第二轮第三轮第四轮第五轮北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N水资源监测 渠系提取与灌溉工程控制面积识别北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N灾害监测 水旱监测

5、 全国大中小型水库和面积1平方公里以上湖泊提取板桥水库水体提取结果洞庭湖水体提取结果鄱阳湖水体提取结果北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N灾害监测 水旱监测 全国大中小型水库和面积1平方公里以上湖泊提取成像质量好北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N灾害监测 水旱监测 全国大中小型水库和面积1平方公里以上湖泊提取 成像质量差（存在云雾）原始影像常规水体指数提取结果PIE提取结果北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N灾害监测利用LST和NDVI进行温度植旱指数（TVDI）的反演， TVD

6、I 的大小在一定程度上反映了土壤含水量的高低，进而实现对干旱监测。干旱监测北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N水利应用与服务 山洪灾害防治 面向山洪灾害防治非工程措施专项（包括山洪灾害调查评价、洪水风险图编制），提供山洪灾害预警信息管理及洪水风险图区划专业服务。 已在水科院、水利部水利信息中心开展相关信息化建设，积极参与河北、山东、辽宁、吉林、内蒙古、云南、甘肃、青海、广西、江苏等地水利信息化建设。注：目前市场占有率较高，涵盖国家级、20多个省级，涉及项目40余个。山洪灾害监测预警洪水风险图编制城市城涝监测预警山洪灾害调查评价北京航天宏图信息技术股份W W

7、 W . P I E S A T . C N水利应用与服务30水文信息省级平台气象信息地质灾害信息监督指导文件下发 山 洪 灾 害 监 测 预 警预警信息响应信息基础数据实时数据上报下发基础数据预测预报信息监督指导文件市级平台预警信息响应信息基础数据实时数据上报下发上报县级平台山洪监测预警发布应急响应监测（督促）预警（会商）汇总统计监预汇视警总（统督会计促商）北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N水利应用与服务洪水风险区划分析31 风险点方案查询 风险指标查询 计算方案信息查询 北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N水环境

8、监测 水质参数反演基于多光谱遥感数据（Landsat8 OLI）的青海湖水质反演 叶绿素a浓度反演 悬浮物浓度反演反演基于多光谱遥感数据（HJ CCD）的南四湖水质反演北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N基于PIE的水体范围监测解决方案2北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N培训课程基于PIE的水体范围监测解决方案背景介绍总体方案设计先期攻关关键技术项目需求高分水利遥感应用示范系统是高分行业示范应用系统之一，由水利部水利信息中心负责承担建设任务。高分水利遥感应用示范系统（一期）由一个应用平台和四个高分水利遥感应用业务系统

9、组成。关键技术一期科研水资源监测模型研究评价和管理子系统一期建设地表水资源监测与评价土壤含水量监测与评价水功能区水质监测灌溉面积监测与管理航天宏图承建一期示范灌溉面积监测应用示范水功能区水质监测应用示范土壤含水量监测与评价应用示范地表水资源监测与评价应用示范产品研制模型原型北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N培训课程基于PIE的水体范围监测解决方案背景介绍水体监测是水利业务的核心，水体范围监测是其中一个重要组成部分。湖泊和水库水体面积的变化情况可以在一定程度上反映水文干旱的程度。全国大中小型水库和面积1平方公里以上湖泊合计约10万多座（个），使用传统方法进

10、行水体范围监测需要耗费巨大的人力、物力等资源。遥感具有探测范围广、获取速度快、周 期短的特点，在大范围水体监测方面具有较大的优势。项目要求利用GF1 WFV数据（16米）对全国范围内的水库和湖泊水域面积按季度/半年进行自动化提取，并对干涸水库湖泊个数、水库水体面积分别进行统计，以便掌握全国主要地表水体动态分布状况，为水源调度提供技术支撑。航天宏图结合多年来水利业务经验的积累，提出了基于中高分辨率遥感数据的水体范围自动化监测解决方案。北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N培训课程基于PIE的水体范围监测解决方案背景介绍目前大部分水体提取方法（如单波段阈值法、谱

11、间关系法、水体指数及面向对象分类等）只能对部分同质化的水体范围进行监测。在对不同区域、不同时相遥感影像水体范围进行识别时需要人工确定范围参数，无法满足全国范围不同水体的自动监测要求。航天宏图提出了水体范围自动化监测方法，其原理是通过直方图阈值（峰或谷）对图像进行分割，从而实现感兴趣目标水体的精确提取。水体提取自动化监测方法水体提取算法研究现状北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N培训课程基于PIE的水体范围监测解决方案总体思路 针对全国范围内的水体面积提取，选取在其相应的参考矢量缓冲区范围内进行，水体指数直方图分布较为简单（湖泊的水体直方图分布多为单峰，水库

12、的水体直方图分布多为双峰），确定一个合适的阈值即可分割目标水1体与背景。 针对全国范围内的十万多座水库和水体，选取 针对全国范围内的十万多座水库与湖泊的提取，选取具有典型特征的水体（洞庭湖和板桥水库）使用基于水体指数直方图分布的阈值自动分割算法进行提取水体。说明基于水体指数直方 洞庭湖位于湖南省北图部分，布是中阈国值第自三动大湖分，割仅算次于青海湖、鄱阳湖，现是长江流域最重要的集法水提、取蓄洪水湖体泊过，程面积。达3968平方千米。板桥水库位于河南省中南部，是以防洪为主，兼顾灌溉、供水、发电、水产等综合利用的丘陵区水库，控制流域面积768平方公里。23北京航天宏图信息技术股份W W W . P

13、 I E S A T . C N培训课程基于PIE的水体范围监测解决方案技术路线数据预处理工作采用国产遥感图像处理软件PIE（Pixel InformationExpert），包括遥感影像数据辐射校正、基于不同源、不同时相等条件下的影像间的自动匹配、正射校正、矢量数据缓冲区分析及影像裁剪。针对裁剪后的研究对象，定义水体指数直方图。水体的光谱特性决定经水体指数NDWI运算后，可以增强水体与其他地物的反差，水体像元相对分布在直方图的右侧，只需要确定一个合适的阈值分割目标水体与背景。直方图在灰度级HistSize范围内平均划分为左、中、右三部分。北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S

14、 A T . C N培训课程基于PIE的水体范围监测解决方案GF1数据高分一号是中国高分辨率对地观测系统的第一颗，由中国航天科技集团公司所属空间技术研究院研制。于2013年4月26日12时13分04秒由长征二号丁运载火箭成功发射，开启了中国对地观测的新时代。高分一号是中国高分辨率对地观测系统的首发星，搭载了两台2m分辨率全色/8m分辨率多光谱相机，四台16m分辨率多光谱相机。 GF1-WFV光谱范围空间分辨率幅宽重访周期(不侧摆)0.45-0.52um(蓝)0.52-0.59um(绿)0.63-0.69um(红)0.77-0.89um(近红)16m800km（四台相机组合）4天北京航天宏图信息

15、技术股份W W W . P I E S A T . C N培训课程基于PIE的水体范围监测解决方案数据预处理GF1 16mWFV数据第一次全国水利普查矢量PIE中提供一系列辐射校正工具，如辐射定标、大气校正、太阳高度角校正、内部平均法定标、平场域定标等。辐射校正辐射定标天地图网络服务大气校正可实现不同源、不同时相、不同尺度、有旋转扭曲等困难条件下的影像间自动匹配，并可以多影像、多服务为基准。几何校正DEM缓冲区分析PIE提供三种影像裁剪方式：拉框裁剪、矢量裁剪、栅格裁剪影像裁剪影像裁剪正射校正影像配准北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N培训课程基于PIE的

16、水体范围监测解决方案分割阈值判断方法 针对裁剪后的研究对象，定义水体指数直方图，利用公式1对直方图曲线进行平滑处理。pdKerneli= pdKerneli-1/4+ pdKerneli/2+ pdKerneli+1/4（1）1水体的光谱特性决定经水体指数NDWI运算后，可以增强水体与其他地物的反差，水体像元相对分布在直方图的右侧，只需要确定一个合适的阈值分割目标水体与背景，而不用考虑背景中不同地物之间的分割阈值。2NDWI=（Green-NIR）/（Green+NIR）（2）利用公式3将直方图在灰度级HistSize范围内平均划分为左、中、右三部分，定义公式4为遍历步长。3（3）（4）M=(

17、dfMax - dfMin)/3dStep =(dfMax - dfMin)/(HistSize - 1.0)北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N培训课程基于PIE的水体范围监测解决方案分割阈值判断方法 最大峰值位置位于直方图的右侧，说明研究区域内目标水体区域面积较大，从峰值处往左侧遍历，把直方图曲线上第一次发生突变点判断为分割阈值； 最大峰值位置位于直方图的左侧，说明研究区域内背景区域面积较大，从峰值处往右侧遍历找出分割阈值。考虑到右侧区域内可能还存在其他背景地物的影响，把距该峰值最远处的突变点判断为分割阈值； 最大峰值位置位于直方图的中部，如果该峰值右

18、侧仍然存在一个较明显的峰值，则该最大峰值为背景峰值，此时采用步骤中的方法寻找分割阈值，否则认为该最大峰值为目标峰值，此时采用步骤中的方法寻找分割阈值。目标或背景峰值分割阈值判断方法北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N培训课程基于PIE的水体范围监测解决方案成果展示u 峰值分布在直方图左侧的水体洞庭湖地区影像时期选取非汛期的2014年12月份，其NDWI直方图曲线如图2所示。该时期在枯水季节，大面积的浅水沼泽泥滩显露出水面，造成紧邻该峰值右侧有另外一不明显的峰值形成。图 1 洞庭湖NDWI直方图曲线图 2 洞庭湖提取结果北京航天宏图信息技术股份W W W . P I E S A T . C N培训课程基于PIE的水体范围监测解决方案成果