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为了有效改善遥感影像提取湖泊边界信息的可靠性和精度,减少人为误差,提出了一种利用多时相遥感影像提取边界信息的加权平均融合算法以及误差的域法修正处理方法。结果表明,该方法能有效融合各时相影像信息,提高湖泊边界信息提取的可靠性,并且对融合时相变化较大的湖泊边界都有一定的普适性。通过融合算法提取的呼伦湖面积为1928.35km2,修正后的面积为1929.85km2。通过利用地统计学理论对算法的验证及误差分析,得出相对误差空间变异拟合模型的块金方差与基台值之比都小于25%,具有很强的空间相关性,修正后的数据空间相
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J. Lake Sci.
( 湖泊科学 ), 2009, 21
21
21
21
(2): 264-271
http://www.jlakes.org. E-mail: jlakes@niglas.ac.cn
© 2009 by
Journal of Lake Sciences
多时 相 遥感影 像 提取湖泊边界信息的融合算法
*
蒋锦刚
1,2
, 李爱农
2,4
, 邓 伟
2
, 宋孟强
2
, 冯文兰
1
, 李晓铃
2,3
(1: 成都信息工程学院环境工程系 , 成都 610225)
(2: 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 , 成都 610041)
(3: 西南交通大学土木工程学院 , 成都 610031)
(4: Deptment of Geography, University of Maryland, College Park, MD 20742, USA)
摘 要 : 为了有效改善遥感影像提取湖泊边界信息的可靠性和精度 , 减少人为误差 , 提出了一种利用多时相遥感影像提取边
界信息的加权平均融合算法以及误差的域法修正处理方法 . 结果表明 , 该方法能有效融合各时相 影像 信息 , 提高湖泊边界信
息提取的可靠性 , 并且对融合时相变化较大的 湖泊边界 都有一定的普适性 . 通过融合算法提取的呼伦湖面积为 1928.35 km
2
,
修正后的面积为 1929.85 km
2
. 通过利用地统计学理论对算法的验证及误差分析 , 得出 相对误差空间变异 拟合模型的块金方差
与基台值之比都小于 25%, 具有很强的空间相关性 , 修正后的数据空间相关性要优于融合数据 , 空间变程也得到了有效地降低 ,
显示修正后的数据对半方差函数理论模型的拟合程度更好 .
关键词 : 湖泊边界 ; 多时相遥感影像 ; 数据融合 ; 误差修正 ; 空间变异
Fusion a lgorithm for the information of lake boundary integration from m ulti-temporal
r emote s ensing i mages
JIANG Jingang
1,2
, LI Ainong
2,4
, DENG Wei
2
, SONG Mengqiang
2
, FENG Wenlan
1
& LI Xiaoling
2,3
( 1 :
Dep ar t ment of Environmental Engineering
,
CUIT
,
Chengdu
610225,
P.R. China
)
( 2 :
Institute of Mountain Hazards and Environment
,
CAS
,
Chengdu
610041,
P.R. China
)
( 3 :
School of Civil Eng
,
Southwest Jiaotong University
,
Chengdu
610031,
P.R. China
)
( 4 :
Dep ar t ment of Geography
,
University of Maryland
,
College Park
,
MD
20742,
USA
)
Abstract : For improving the reliability and accuracy of lake boundary integration information from remote sensing images and
reducing human error, this paper put forwards a weighted average algorithm for integrating of the border information extracted by
using the multi-temporal remote sensing images , and a processing approach of error interzone correction which can integrate the
various temporal information effectively and improve the reliability of extracting the lake border information. According to this
fusion algorithm the area of Lake Hulun is 1928.35 km
2
. Using the geostatistics theory to validate the errors, the area is 1929.85 km
2
.
The results illuminated that the ratio of nugget to sill is less than 25% , and the spatial correlation of the corrected data is superior to
that of the integrated data. Furthermore the spatial variation range has been reduced effectively, and the extent of fitting the
theoretical model is better in the corrected data than the original data .
Keywords : Lake b order; multi-temporal remote sensing images; data integration; error correction; spatial variability ; Lake Hulun
对湖泊面积和边界进行及时和精确的测定 , 为人类了解湖泊资源现状 , 揭示自然因素及人类活动对
* 中国科学院 “ 西部之光
”
重点项目 “ 若尔盖高原湿地动态变化遥感监测体系研究
”
(08R
2
130130) 、国家自然科学基金 “ 973
”
项目 “ 黄
淮海地区湿地水生态过程、水环境效应及生态安全调控
”
( 2006CB403301 ) 和 “ 中国湖泊水质、水量和生物资源调查 ” 专项
( 2006FY110600 ) 子项目 : 云贵高原湖泊卫星遥感调查 ( 08K0010010
)
联合 资助
.
2008
-
09
-
13 收稿
;
2008
-
12
-
07 收修改稿
.
蒋
锦刚
,
男
,
1981 年生
,
硕士研究生
;
E-mail: gangzg@yahoo.com.cn.
蒋锦刚等: 多时相遥感影像提取湖泊边界信息的融合算法
265
湖泊水域的影响规律, 以及合理开发利用、保护和治理湖泊水域资源有着极其重要的意义. 从1958年到
1987年, 我国陆续开展了全国第一次湖泊资源调查, 获得大量湖泊基础数据, 取得了良好的社会和经济
效益. 由于当时调查技术手段的限制, 第一次湖泊资源调查在湖泊位置和数量的调查上大都以人工实地
调查为主. 人工调查虽然能在第一线获取湖泊地面资料, 但是在确定湖泊边界、湖泊位置的精度上存在
不足; 而且我国幅员辽阔, 有很多地方自然条件严酷, 人工一线作业困难, 致使第一次湖泊调查缺失了
许多湖泊信息. 近年来, 随着经济建设发展, 人为对自然湖泊的扰动增加, 加之全球气候变化的显著影
响, 我国湖泊萎缩严重, 湖泊边界变化明显, 有些湖泊已经或正在消失. 2007年, 国家科技基础性工作专
项重点项目“中国湖泊水质、水量和生物资源调查”正式启动, 标志着对我国湖泊资源的第二次调查进入
了系统实施的新阶段. 此次调查在第一次湖泊调查工作基础上, 将针对我国不同区域湖泊资源与环境变
化的特点, 以掌握我国湖泊水量、水质与生物资源变化及其形成原因为核心, 以野外调查、定位观测和
遥感监测为手段, 以全国湖泊遥感普查与外流湖区主要湖泊重点调查为主要途径, 对全国面积大于
1.0km
2
的湖泊, 进行湖泊数量、面积和分布现状进行遥感调查, 为全面、系统地掌握我国湖泊现状及其变
化情况, 为国家经济可持续发展和生态安全, 提供可靠的、系统的、规范的科学数据和决策依据.
利用遥感(Remote Sensing, RS)对地观测技术进行湖泊调查, 具有覆盖面广、宏观性强、快速、多时相、
丰富的综合信息等优点, 湖泊遥感调查结合地面实地验证能够有效保证湖泊调查的空间精度和及时更新的
需要, 大大降低了调查成本. 目前, 利用卫星遥感图像提取湖泊边界和面积等信息要素已成为研究湖泊的
重要手段之一
[1-5]
. 随着人们对遥感研究的不断深入, 利用遥感影像自身的光谱信息, 对水陆混合特征像元
进行识别和提取的算法研究已成为湖泊边界提取的热点
[6-8]
. 然而目前已有的一些湖泊边界自动提取的算
法不能很好地解决混合像元问题, 并且有些算法只针对一些典型的湖泊, 没有普适性,不能推广到其他湖区.
而对多时相遥感数据提取湖泊边界时, 如何有效利用各时相信息方面的研究就更少了. 然而, 由于遥感成
像的复杂性以及受多种不可控制因素的影响, 其获取的数据具有不确定性的特征; 利用地理信息系统
(Geographic Information System, GIS)提取湖泊边界数据时, 在对遥感数据进行解译处理时也会存在不确定
性. 例如, 单时相遥感数据提取湖泊边界容易受时相影响; 遥感图像的空间纠正存在可允许误差; 存在混合
像元, 使得湖泊水边界提取存在不确定性, 即使是人工判读同样受制于混合像元和水位变
迁的影响, 而且
不同判译人员的知识和经验的差异也会带来湖泊边界提取的不确定性. 这就使得有必要发展一种方法来有
效降低这种不确定性. 针对RS/GIS空间数据信息的不确定性, 目前研究的主要方法有空间统计学、模糊集
理论、粗集理论、遗传算法、反思模型、误差熵模型
[9-12]
等. 综合国内外对RS/GIS空间数据模糊不确定性的
处理研究现状, 结合实践发展减小空间数据模糊不确定性的算法仍然非常必要.
为了改善提取湖泊信息的可靠性和精度, 减少人为误差, 通常需要选择多景时相较近的影像进行综
合考虑, 以提取这一时期的湖泊信息. 如何有效综合所选取影像的信息, 减少人工判读在提取湖泊边界
时的不确定性因素, 有必要发展一种算法来融合多时相遥感数据提取的湖泊边界信息. 本文在利用
CBERS遥感影像提取湖泊边界时, 提出了一种多时相遥感影像提取矢量信息的加权平均融合算法以及误
差的域法修正处理方
法. 通过对算法的验证及误差分析, 得出该算法能有效融合各时相数据信息, 并且
能降低数据的空间变异程度.
1 多时相边界数据的融合算法及验证
利用 GIS 提取不同时相遥感影像的湖泊边界数据时, 是以线或者多边形的矢量数据结构来描述空间
实体的, 这种方式提取的数据结构的组织和编码如图 1 所示.
对提取的多组数据进行融合时, 首先要选择一个主时相数据, 主时相可随机选择, 通常可选择丰水
期为主时相, 以主时相的每个坐标数据为中心, 通过空间搜索, 找出每个时相与主时相空间上欧氏距离
之和最小的两个点数据, 该两个点与主时相坐标会构成一个三角形, 以主时相坐标为顶点引三角形的一
条高线(即搜索出的两个点所在的边的高线), 高线与边的
交点作为该时相参与融合的坐标数据. 融合后
的坐标数据是由中心数据加上计算出的各时相交点数据乘上对应的权值计算得到, 如图 2 是该融合方法
提取坐标的几何示意图, 其中 O 是主时相的某一中心点, A, B, C, D 分别为两个时相与主时相空间上欧氏
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