基于InSAR相干系數(shù)的河湖岸線水事活動監(jiān)測

陳子琪 陳亮 李建松

摘 要：及時發(fā)現(xiàn)河湖岸線水事活動對監(jiān)管河湖岸線、維護(hù)河湖健康具有重要意義。選取黃河小北干流4期Radarsat-2遙感影像形成2期干涉像對，對干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理生成相干系數(shù)圖。利用地物的干涉相干特性，采用差值閾值法獲取河湖岸線水事活動疑似“熱點”圖斑，以同期高分辨率可見光遙感影像為驗證數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行驗證和分析。結(jié)果表明，基于相干系數(shù)變化可以成功發(fā)現(xiàn)河道臨河房屋建設(shè)、堆放、占用等水事活動，利用該方法進(jìn)行河道水事活動監(jiān)測是可行的。

關(guān)鍵詞：相干系數(shù);水事活動;InSAR;發(fā)現(xiàn)監(jiān)測;河湖岸線

中圖分類號：TP79 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.035

Abstract：Water matter activity monitoring is of great significance for river and lake shoreline supervision and maintenance of river and lake health. Four radarsat-2 remote sensing images of Xiaobeiganliu reach of the Yellow River were chosen to form phase 2 interference image pairs. Coherence coefficient difference maps were generated through data preprocessing of the interference images. Based on the coherence characteristics of the ground object in InSAR images， the suspected “hot spot” pattern of water matter activity in the river and lake shoreline were obtained by the threshold method. The monitoring results were verified by the high-resolution visible remote sensing image of the same period. The results show that the methods based on the change of coherence coefficient is feasible and effective to find water matter activity of river and lake shoreline such as house construction， stacking and occupation.

Key words： coherent coefficient; water matter activity; InSAR; monitoring; river and lake shoreline

1 引 言

河湖水系是水資源的重要載體，在防洪、供水、灌溉、發(fā)電、航運、生態(tài)等方面具有不可替代的作用。長期以來，河湖岸線是新老水問題最為集中的區(qū)域，違規(guī)建設(shè)開發(fā)、圍墾河湖、侵占河道、違法養(yǎng)殖、非法采砂等水事活動頻發(fā)，河道和湖泊面積萎縮、水域空間減小、水質(zhì)惡化、生物棲息地破壞等問題十分突出，嚴(yán)重影響了河湖健康。2016年和2017年中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳先后印發(fā)了《關(guān)于全面推行河長制的意見》和《關(guān)于在湖泊實施湖長制的指導(dǎo)意見》，在全國江河湖泊全面推行河湖長制，為維護(hù)河湖健康生命、實現(xiàn)河湖功能永續(xù)利用提供了制度保障。在全國范圍內(nèi)開展的河湖清“四亂”專項行動是推動河長制從“有名”向“有實”轉(zhuǎn)變的第一抓手，是水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管的重要內(nèi)容，是對各級河長、湖長和水行政主管部門履職盡責(zé)的底線要求。

2019年9月，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會講話中指出，當(dāng)前黃河流域仍存在一些突出困難和問題，流域生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源保障形勢嚴(yán)峻，發(fā)展質(zhì)量有待提高。要堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，以水而定、量水而行，因地制宜、分類施策，上下游、干支流、左右岸統(tǒng)籌謀劃，共同抓好大保護(hù)，協(xié)同推進(jìn)大治理。利用科技手段加強(qiáng)黃河干流及其支流河道監(jiān)管，快速發(fā)現(xiàn)河道“四亂”變化情況，第一時間制止河湖“四亂”問題，防止事態(tài)擴(kuò)大、減小損失，對保護(hù)黃河流域生態(tài)環(huán)境、維護(hù)河湖健康生命具有重大意義。

利用遙感技術(shù)進(jìn)行城市、礦區(qū)等土地利用開發(fā)活動監(jiān)測已經(jīng)取得廣泛應(yīng)用。張翰超等[1]利用高分辨率可見光遙感影像對2000—2015年中國省會城市擴(kuò)張情況進(jìn)行高精度監(jiān)測;翟浩然等[2]利用Landsat遙感影像對1990—2015年中國超大城市建設(shè)用地時空變化進(jìn)行監(jiān)測;占昕等[3]結(jié)合Landsat遙感影像和DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行廈門市城市擴(kuò)張測度研究。以上成功應(yīng)用為城市規(guī)劃、發(fā)展決策提供支撐。趙鵬[4]、王海慶等[5]利用高分辨率可見光遙感影像進(jìn)行礦區(qū)開發(fā)監(jiān)測，為礦區(qū)監(jiān)管提供依據(jù);李春雷等[6]利用高分辨率可見光遙感影像進(jìn)行河湖清“四亂”應(yīng)用的探索研究。河道水事活動發(fā)展速度快，對監(jiān)測時效性要求高，可見光遙感技術(shù)受云、霧等天氣影響無法開展有效監(jiān)測。合成孔徑雷達(dá)（SAR）具有全天時、全天候的監(jiān)測優(yōu)勢，可以不受天氣因素影響及時發(fā)現(xiàn)地表變化。干涉雷達(dá)（InSAR）可以獲取地表相干特性，在地表變化監(jiān)測方面具有獨特優(yōu)勢。盧婷婷[7]利用InSAR技術(shù)對城市和礦區(qū)地表變化進(jìn)行監(jiān)測;Drezet等[8]利用ERS干涉相干系數(shù)圖像進(jìn)行森林覆蓋率提取;張舞燕等[9]利用ENVISAT ASAR干涉相干系數(shù)進(jìn)行豫北地區(qū)城市邊界提取，取得較好效果;郭唯娜等[10]采用兩個時期InSAR干涉相干系數(shù)取閾值的方法獲取東帕米爾高原冰川邊界，提取精度達(dá)到90%。地表變化引起相干性發(fā)生變化，為采用InSAR相干系數(shù)進(jìn)行河道水事活動監(jiān)測提供了新監(jiān)測手段。

采用不同時期高分辨率SAR干涉像對生成相干系數(shù)圖，基于水事活動發(fā)生后河道地表在雷達(dá)干涉影像上相干性變化特性，采用差值閾值法進(jìn)行水事活動“熱點”圖斑監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)水事活動疑似點，為河湖監(jiān)管提供有力支撐。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

選取黃河小北干流河段為研究區(qū)，該河段位于黃河干流禹門口和潼關(guān)之間，河段長132.5 km，為晉陜兩省界河。左岸為山西省運城市所屬河津、萬榮、臨猗、永濟(jì)、芮城5縣（市），右岸為陜西省渭南市所屬韓城、合陽、大荔、潼關(guān)4縣（市）。河道穿行于汾、渭地塹谷凹地區(qū)，沿程有汾河、涺水、涑水河、渭河、北洛河等支流匯入，兩岸為高出河床10～200 m的黃土臺塬。黃河小北干流河道寬4～19 km，河道總面積1 107 km2，其中灘區(qū)面積657 km2，屬淤積性游蕩型河道。寬廣的河道灘區(qū)居住了數(shù)十萬居民，為了生產(chǎn)生活需要在河道內(nèi)開展大量生產(chǎn)建設(shè)活動，河道內(nèi)違規(guī)建設(shè)開發(fā)、侵占河道、非法采砂等水事活動時有發(fā)生，是河道監(jiān)管的重點關(guān)注河段。

2.2 研究數(shù)據(jù)

以Radarsat-2雷達(dá)衛(wèi)星遙感影像為研究數(shù)據(jù)進(jìn)行水事活動監(jiān)測研究。Radarsat-2雷達(dá)衛(wèi)星由加拿大太空署與MDA公司合作研發(fā)，2007年12月14日發(fā)射升空。衛(wèi)星軌高798 km，重訪周期為24 d，成像波段為C波段，具有HH、VV、HV、VH 4種極化方式和11種波束模式，成像空間分辨率為1～100 m，單景幅寬為20～500 km。選用3 m空間分辨率、超精細(xì)波束模式、VV極化方式的Radarsat-2雷達(dá)衛(wèi)星遙感影像，共采集了4期影像組成兩對干涉像對，分別為2016年12月28日和2017年1月21日的干涉像對、2017年8月1日和2017年8月25日的干涉像對，Radarsat-2 SAR影像相關(guān)參數(shù)見表1。

選用SRTM 90 m空間分辨率DEM數(shù)據(jù)作為參考DEM進(jìn)行干涉雷達(dá)影像預(yù)處理。選用2 m空間分辨率的可見光遙感影像進(jìn)行結(jié)果驗證與對比分析。

影響相干系數(shù)大小的因素主要有系統(tǒng)熱噪聲、空間基線、時間基線、方位向多普勒中心偏移、雷達(dá)波穿透引起的體散射、復(fù)數(shù)影像配準(zhǔn)誤差等[10，12]。本研究暫不考慮系統(tǒng)熱噪聲和雷達(dá)波穿透引起的體散射影響。為減小其他因素對相干系數(shù)的影響，本研究采用以下處理辦法：選取時間間隔短、空間基線小的干涉像對以降低時間、空間的相干影響;數(shù)據(jù)處理時對干涉像對兩期影像進(jìn)行精配準(zhǔn)和濾波，消除配準(zhǔn)誤差和方位向多普勒中心偏移引起的相干影響。

不同地物具有不同的干涉相干特性，居民地等人工地物相干系數(shù)一般高于植被、水體等，且隨時間變化不大，根據(jù)這一特性可通過干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行地物分類[7，13-14]。在河道內(nèi)開展占、采、堆、建等水事活動，會引起地表地物變化，如植被、裸灘變成建筑物，水面、裸灘變成砂堆、棄土棄渣等。水事活動在不同時期相干系數(shù)圖上表現(xiàn)為相同位置相干系數(shù)發(fā)生顯著變化，以此可以利用多期相干系數(shù)差異進(jìn)行水事活動監(jiān)測。

3.2 研究方法

選用4期Radarsat-2遙感影像形成2對干涉像對，利用SARscape軟件進(jìn)行干涉數(shù)據(jù)處理，在對干涉像對分別進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上生成相干系數(shù)圖，采用差值閾值法進(jìn)行水事活動信息提取，并采用高分辨率可見光遙感影像對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行驗證和分析，技術(shù)路線見圖1。

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于干涉像對兩期影像成像時傳感器的位置不一樣，影像同名點之間存在位置偏移，因此采用重復(fù)軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉測量時需要對影像進(jìn)行精配準(zhǔn)，將配準(zhǔn)后的影像生成干涉圖，并去除干涉條紋。InSAR的相干相位包括平地分量和高差分量，通過干涉去平、Goldstein自適應(yīng)濾波等數(shù)據(jù)處理方法去除平地相位差、保留高程相位差，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相干性計算，并進(jìn)行地理編碼，生成相干系數(shù)圖。

3.2.2 信息提取

不同時期相干系數(shù)圖之間存在幾何位置偏差，在進(jìn)行信息提取前需要對兩期相干系數(shù)圖進(jìn)行影像配準(zhǔn)，使同名點在兩個時期圖像上具有相同的坐標(biāo)位置。閾值法是遙感影像變化監(jiān)測的常用方法[10，12]，本文采用差值閾值法進(jìn)行水事活動監(jiān)測。將后一期與前一期相干系數(shù)圖進(jìn)行差值計算得到相干系數(shù)差值圖，將差值大于一定閾值的像元判定為水事活動疑似“熱點”，根據(jù)差值圖和野外實地查勘資料將閾值設(shè)定為0.15。采用Majority鄰域后處理方法對初步結(jié)果圖像進(jìn)行后處理，窗口大小為3×3。最后去除噪聲引起的過小圖斑，并將柵格成果轉(zhuǎn)成矢量，得到水事活動疑似“熱點”圖斑。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)前文提出的監(jiān)測方法進(jìn)行水事活動監(jiān)測，獲得水事活動疑似“熱點”圖斑。為了方便結(jié)果驗證和分析，選取龍門鎮(zhèn)部分監(jiān)測結(jié)果，相干系數(shù)差值和監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

選取2016年6月27日和2017年6月20日的2 m高分辨率衛(wèi)星遙感影像對該區(qū)域監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行驗證分析，見圖3。A區(qū)域為一處新增的臨河房屋，圖2（a）中該區(qū)域相干系數(shù)明顯增大，與2016年影像相比，2017年區(qū)域內(nèi)部分土地進(jìn)行了平整，部分房屋已經(jīng)建成;B區(qū)域為一處棄渣堆放場，2016年該棄渣堆為黑色棄渣且堆放形態(tài)較為規(guī)整，2017年棄渣顏色變?yōu)辄S色，堆放形態(tài)也發(fā)生變化，為一個個散亂分布的小堆，導(dǎo)致相干系數(shù)發(fā)生變化;C區(qū)域為一處面積擴(kuò)大的棄渣堆放場，與2016年相比，2017年棄渣堆形態(tài)發(fā)生較大變化，棄渣堆向南北兩側(cè)都有擴(kuò)張。由此可見，基于InSAR相干系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)河道開發(fā)建設(shè)、堆放、占用等水事活動變化。但是，由于雷達(dá)影像存在噪聲、建筑物存在多次散射且散射情況復(fù)雜，因此結(jié)果中會存在一些偽變化點，需要進(jìn)一步判別處理。

5 結(jié) 語

采用4期Radarsat-2遙感影像形成2對干涉像對，提出了基于InSAR相干系數(shù)的河道水事活動疑似“熱點”圖斑的監(jiān)測方法，在黃河小北干流河段進(jìn)行試驗，成功發(fā)現(xiàn)河道臨河房屋建設(shè)、堆放、占用等水事活動，表明利用相干系數(shù)進(jìn)行河道水事活動發(fā)現(xiàn)監(jiān)測是可行的。利用該方法進(jìn)行河道水事活動監(jiān)測能夠快速發(fā)現(xiàn)疑似對象，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水事活動解譯，可以縮小解譯范圍，大大降低解譯工作量，為河湖岸線監(jiān)管提供重要支撐。

本研究的閾值選取主要依據(jù)人工經(jīng)驗，不同遙感影像、不同作業(yè)區(qū)域需要重新確定閾值。雷達(dá)影像存在噪聲、建筑物存在多次散射造成監(jiān)測結(jié)果存在一些誤差。將來需要在閾值自動確定和利用多源數(shù)據(jù)抑制雷達(dá)噪聲等方面開展研究，進(jìn)一步提高監(jiān)測的自動化程度和準(zhǔn)確度。

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