系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取

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系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取填海范围提取可以理解为对水体范围的提取,然后再根据水体范围提取填海范围。基于遥感影像的水体范围提取有多种方法,主要包括单波段阈值法、多波段谱间关系法、归一化差异水体指数法(NDWI)和面向对象提取方法等。ENVI软件提供面向对象的空间特征提取模块(Feature Extraction),该模块包含3个工具,分别是基于样本的特征提取(Example based Feature Extraction Workflow)、基于规则的特征提取(Rule Based Feature Extraction Workflow)和分割式特征提取(Segment Only Feature Extraction Workflow)。该模块可以根据影像空间和光谱特征,从高分辨率全色或者多光谱数据中提取特征信息,其中基于规则的特征提取工具可采用单波段影像(如航空影像和谷歌下载影像等)和多波段影像(商业卫星影像和国产高分影像等)用于水边范围自动提取。1、ENVI遥感影像水体范围提取流程在ENVI软件中打开“Rule Based Feature Extraction Workflow”工具界面(图1),在Input Raster中输入要提取的遥感影像,在Input Mask中输入事先制作的掩膜矢量文件,在Ancillary Data 中添加基于输入影像事先计算的NDVI或NDWI栅格数据(对于三波段影像该输入可以空缺),在Custom Bands中勾选Normalized Difference和Color Space。系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图1 基于规则的特征提取数据输入点击 “Next”,程序进行数据初始化后,弹出影像分割和合并界面(图2),在这里设置分割和合并参数:1、Segment Setting中的算法(Algorithm)包括Edge和Intensity,其中Edge算法基于边缘检测,需要结合合并算法可以达到最佳效果;Intensity算法基于亮度,这种算法非常适合于微小梯度变化(如DEM)、电磁场图像等,不需要合并算法即可达到较好的效果。这里选Edge,并设定阈值为40。2、Merge Setting中的算法(Algorithm)包括Full Lambda Schedule和Fast Lambda,其中Full Lambda Schedule算法适合合并存在于大块、纹理性较强的区域,如树林、云等,该方法在结合光谱和空间信息的基础上迭代合并邻近的小斑块;Fast Lambda算法适合合并具有类似的颜色和边界大小相邻节段。这里选Full Lambda Schedule,并设定阈值为70。3、Texture Kernal Size:纹理内核的大小,默认是3,最大是19。如果数据区域较大而纹理差异较小,可以把这个参数设置大一点。这里设置5。系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图2 分割和合并参数设置点击 “Next”,程序按照设置的参数进行分割和合并操作,对输入影像分割和合并完后,弹出创建规则对话框(图3),创建水体提取规则。每一个分类有若干个规则(Rule)组成,每一个规则有若干个属性表达式来描述。。规则属性分为光谱的(Spectral)、纹理的(Texture)和空间的(Spatial)三类,可以设置三类属性中一个或多个来描述分类。规则与规则之间是与的关系,属性表达式之间是并的关系。这里直接加载已经创建好的水体提取规则:NDWI0.14(不同影像可能不一样,需要手动调整);Area2000;Length200。加载上述规则,勾选界面左下角Preview,在影像界面滑动滑块,对提取结果进行预览(图4),若预览结果准确则进行下一步操作,若预览结果准确率不高,则调整规则属性(主要是光谱属性)直到水体提取准确。系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图3 水体提取规则设置系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图4 对提取水体结果进行预览(红色为水体)预览结果准确后,点击 “Next”,弹出保存结果窗口(图5),程序提供提取矢量范围、分类影像以及一些过程数据的输出。勾选需要输出的数据类型,并填写输出路径,单击“Finish”即可,这里主要输出矢量提取结果。系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图5 导出提取结果2、遥感影像水体范围批量提取本研究采用基于规则的特征提取方法,通过调用ENVI函数可以实现批量水体范围提取。表1 基于规则的水体范围提取调用的ENVI函数系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取遥感影像水体范围批量提取工具界面见图6,通过选择待提取的遥感影像,选择对应的掩膜文件(消除非研究区域干扰),指定事先制作的水边界提取规则文件(根据不同影像类型制作多种提取规则,以提高准确率),执行批量提取操作,提取的水体范围矢量文件按照统一命名规则存放到指定文件夹,方便后续操作调用。系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图6遥感影像水体范围批量提取工具3、遥感影像填海范围批量提取水体范围提取完成后,在ArcGIS软件下采用掩膜范围与提取的水体范围进行空间交集取反分析,得到掩膜范围内的陆域范围,对陆域范围进行平滑操作后,用海岸线生成的陆域面文件进行空间交集取反分析,得到最终的填海范围矢量文件。表2 基于水体范围提取填海范围调用的ArcGIS函数系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取填海范围批量提取工具界面如下图。系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图7 遥感影像填海范围批量提取工具4、遥感影像填海范围提取结果本研究从获取的遥感影像中每年挑选一期影像进行填海范围提取。本文挑选其中5期提取结果进行展示,分别是:2011年12月2日谷歌下载影像、2013年11月1日谷歌下载影像、2015年10月17日谷歌下载影像、2017年3月27日谷歌下载影像和2019年6月7日高分六号影像。系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图9 2011年12月2日(填海施工前)情况图系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图10 2013年11月1日填海监测成果图系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图112015年10月17日填海监测成果图系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图122017年3月27日填海监测成果图系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍3——填海范围提取图13 2019年6月7日填海监测成果图从填海监测成果图可知,提取的项目填海范围能大致反应最新围填海情况,但受影像质量及周边环境等因素影响,提取的填海范围与影像实际情况有不少出入,主要问题和经验总结如下:1)在进行水体范围提取时,部分植被容易识别成水体(尤其是3波段的谷歌下载影像),这部分识别错误的水体需要结合手工操作删除;2)遥感影像中因填海产生的悬浮泥沙容易识别成填海,如2015年10月的监测结果;3)国产高分影像波段数相对较多,水体范围提取精度整体高于谷歌下载影像,谷歌下载影像由于波段不是原始的波段值,在提取水体范围时,填海边界锯齿现象较为严重。 相关链接1、系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍1——系统设计2、系统介绍|围填海项目遥感监视监测系统介绍2——影像批量处理
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