《14、陈会丽-一种基于多时相遥感信息及路径追踪的流域河网提取方法(31页).pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《14、陈会丽-一种基于多时相遥感信息及路径追踪的流域河网提取方法(31页).pdf(31页珍藏版)》请在三个皮匠报告上搜索。
1、陈会丽,梁中耀,刘永陈会丽,梁中耀,刘永北京大学环境科学与工程学院流域科学实验室(PKUWSL)http:/www.pkuwsl.org2018-10-26基于多时相遥感数据和路径追踪基于多时相遥感数据和路径追踪的河网提取方法研究的河网提取方法研究1.背景背景 河网的精准刻画河网的精准刻画对洪水风险管洪水风险管理理(如:Ward et al.,2017,Nature Climate Change;Dottori et al.,2018,Nature Climate Change)、水资源管理水资源管理(如:Gleason&Smith,2014,PNAS)、地地貌演化貌演化(如:Boix-Fay
2、os et al.,2007,Geomorphology;Marchese et al.,2017,Geomorphology)、全球生物地球化全球生物地球化学循环学循环(如:Rosemond et al.,2015,Science)等具有重要意义。来自于:来自于:HydroSHEDS 数据库数据库实地测站分布稀疏测站分布稀疏,且未覆盖全球大部分地区(Gleason&Smith,2014,PNAS;Isikdogan&Passalacqua,2017,Remote sensing of environment)。基于DEM的河网提取算法地形信息地形信息水系信息水系信息限制限制1:平坦地区表现不
3、佳:平坦地区表现不佳限制限制2:集水面积阈值难以确定:集水面积阈值难以确定限制限制3:难以再现河网的时空变化:难以再现河网的时空变化1)DEM洼地预处理洼地预处理,2)栅格流向判断栅格流向判断,3)上游集水面积累计上游集水面积累计,4)河段识别河段识别真实真实模拟模拟基于遥感影像的河网提取算法水面水面信息信息水系信息水系信息限制限制1:断点:断点河网不连通河网不连通(Cazorzi et al.,2013,Hydrological Process)Tulbure et.al.,2016,Remote Sensing of Environment基于遥感影像的河网提取算法水面水面信息信息水系信息
4、水系信息限制限制1:断点:断点河网不连通河网不连通Tulbure et.al.,2016,Remote Sensing of Environment限制限制2:未考虑水面的时空变化:未考虑水面的时空变化河网不完整、位置偏差河网不完整、位置偏差东辽河东辽河基于遥感影像的河网提取算法水面水面信息信息水系信息水系信息限制限制1:断点:断点河网不连通河网不连通Tulbure et.al.,2016,Remote Sensing of Environment限制限制2:未考虑水面的时空变化:未考虑水面的时空变化河网不完整、位置偏差河网不完整、位置偏差东辽河东辽河限制限制3:未区分永久性水体与临时水体:未
5、区分永久性水体与临时水体东苕溪河局部东苕溪河局部虚假河网虚假河网基于多时相遥感数据和路径追踪的河网提取方法 河网不连通河网不连通 河网不完整、位置偏差河网不完整、位置偏差 虚假河网虚假河网多时相遥感影像多时相遥感影像机器学习机器学习连通追踪连通追踪江河湖泊江河湖泊河网水系河网水系高精度、完整的、连通的高精度、完整的、连通的河网河网多水文状态下的水面信息多水文状态下的水面信息最佳最佳/可能水力路径可能水力路径方法方法2.解释变量来源TOA1(Chander et.al.,2009)TOA2 TOA3 TOA4 TOA5 TOA7 Brightness temperature Normalized
6、 Difference Vegetation Index(NDVI)=(TOA4-TOA3)/(TOA4+TOA3)(Tucker,1979)Enhanced Vegetation Index(EVI)=2.5*(TOA4-TOA3)/(TOA4+6*TOA3-7.5*TOA1+1)(Huete et.al.,2002)Normalized Difference Water Index(NDWI)=(TOA2-TOA4)/(TOA2+TOA4)(McFeeters,1996)The Modified Normalized Difference Water Index(MNDWI)=(TOA2-
7、TOA5)/(TOA2+TOA5)(Xu,2006)Normalized Difference Moisture Index(NDMI)=(TOA4-TOA5)/(TOA4+TOA5)(Gao,1996)多时相遥感影像多时相遥感影像方法-基于多时相遥感影像的水面信息提取随机森林随机森林基于路径追踪的河网提取方法基于路径追踪的河网提取方法起点起点S终点终点G3终点终点G2终点终点Gi终点终点G1基于路径追踪的河网提取方法基于路径追踪的河网提取方法机器学习机器学习OccurrenceLowHigh645855686425532395346476436n42n55n32n39n
8、53n46n47n64nn1100%-Wfi水面出现频率成本指数成本指数研究区研究区东辽河东辽河汉北河汉北河东苕溪东苕溪高度自然弯曲河流高度自然弯曲河流并行的人工河网并行的人工河网大量的临时性水体大量的临时性水体河网提取结果评估河网提取结果评估基于基于DEM提取的河网:提取的河网:SRTM DEM(Rabus et al.,2003),ASTER DEM(Fujisada et al.,2012),以及,以及MERIT DEM(Yamazaki et al.,2017),以及,以及HydroSHEDS 数据库数据库(Lehner et al.,2008)。基于形态学方法提取的河网:基于形态学方
9、法提取的河网:GRWL(Global River Widths from Landsat)(Allen&Pavelsky,2018,Nature)。手绘真实河网:手绘真实河网:Google Earth Engine。区域行行列列景数训练像素个数(水体)训练像素个数(非水体)东辽河1534东苕溪63汉北河89935合计177获取获取2001-2010年年Landsat5 TM 影像影像利用利用R(R Core Team,2015)中的中的“randomForest”包包(Liaw&Wiener,2002),建
10、立建立3个研究区各自的随机森个研究区各自的随机森林模型林模型。结果结果3.东辽河流域水面提取结果东辽河流域水面提取结果 高频高频(80%-100%)水库、湖泊等永久性水体水库、湖泊等永久性水体 中频(中频(25%-50%)下游干流和湖泊周围的湿地下游干流和湖泊周围的湿地 低频(低频(10%)上游支流上游支流大部分河流像素大部分河流像素水面出现频率水面出现频率 75%)河流、湖泊、水库河流、湖泊、水库 中频(中频(25%-50%)鱼塘鱼塘 低频(低频(75%)河流、湖泊、水库河流、湖泊、水库 低频(低频(500米米(DEM)240米米(HydroSHEDS)基于基于DEM的方法的方法在平坦地区的
11、表现在平坦地区的表现性能非常差。性能非常差。河网提取定河网提取定量评估结果量评估结果区域评估指标ASTER DEMSRTM DEMMERIT DEMHydroSHEDSGRWL本文东辽河假正率(%)92907985329假负率(%)949186888512距离误差(m)885528东苕溪假正率(%)96959494469假负率(%)969695958414距离误差(m)2101319928汉北河假正率(%)93949291147假负率(%)939492947110距离误差(m)2358223920434262516GRWL:中假正率中假正率(14%4
12、6%),高假高假负率负率(71%85%),距离误差距离误差 200米米本研究本研究:低假正率低假正率(10%),低假),低假负率负率(15%),距,距离误差离误差 30米米(一一个像素宽个像素宽)东辽河东辽河东苕溪东苕溪汉北河汉北河高精度!高精度!河网提取目视评估结果河网提取目视评估结果东辽河东辽河基于基于DEMDEM(黄绿)(黄绿):位置偏差位置偏差河网不符合实际河网不符合实际本研究提取河本研究提取河网(红)与真网(红)与真实河网(蓝)实河网(蓝)吻合良好吻合良好传统形态学法(黄)传统形态学法(黄):完整性不足完整性不足错误的连接错误的连接河网提取目视评估结果河网提取目视评估结果东辽河东辽河
13、 500 m本研究提取河本研究提取河网(红)与真网(红)与真实河网(蓝)实河网(蓝)吻合良好吻合良好基于基于DEMDEM(黄绿)(黄绿):位置偏差位置偏差河网不符合实际河网不符合实际传统形态学法(黄)传统形态学法(黄):完整性不足完整性不足错误的连接错误的连接河网提取目视评估结果河网提取目视评估结果东辽河东辽河本研究提取河本研究提取河网(红)与真网(红)与真实河网(蓝)实河网(蓝)吻合良好吻合良好传统形态学法(黄)传统形态学法(黄):完整性不足完整性不足错误的连接错误的连接基于基于DEMDEM(黄绿)(黄绿):位置偏差位置偏差河网不符合实际河网不符合实际 500 m河网提取目视评估结果河网提取
14、目视评估结果东苕溪东苕溪本研究提取河网(红)与本研究提取河网(红)与真实河网(蓝)吻合一致真实河网(蓝)吻合一致基于基于DEMDEM(绿)(绿):出现平行河网出现平行河网直线或棱角河网直线或棱角河网传统形态学法(黄)传统形态学法(黄):不完整不完整不连通不连通错误的河网错误的河网河网提取目视评估结果河网提取目视评估结果汉北河汉北河尽管有少量遗漏,本研究尽管有少量遗漏,本研究提取河网(红)与真实河提取河网(红)与真实河网(蓝)吻合一致网(蓝)吻合一致并行人工河道并行人工河道汈汊湖汈汊湖a.相邻河道错误连相邻河道错误连接接b.河道细小使得遥河道细小使得遥感影像无法捕捉感影像无法捕捉到其水面信息,到其水面信息,产生位置偏差产生位置偏差c.双路径河网无法双路径河网无法完全闭合完全闭合d.裁弯取直裁弯取直高精度、完整的、连通的河网高精度、完整的、连通的河网不足:不足:未来:未来:a.更高分辨率影像或更高分辨率影像或更佳的水体提取方法更佳的水体提取方法b.DEM与遥感结合与遥感结合c.完全自动完全自动谢谢大家谢谢大家,敬请批评指正。,敬请批评指正。陈会丽陈会丽