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基于多源多时相影像的鄱阳湖水体提取及时空变化分析
Extraction and Spatiotemporal Variation of Poyang Lake Water Body Based on Multi-source and Multi-phase Images
鄱阳湖水体面积受气候变化的影响呈现季节性变化,为了更好地探究其变化规律,提出了一种结合多时相雷达影像和光学数据的水体信息提取方法。以Sentinel-1A雷达影像和Sentinel-2光学影像为研究数据,首先对遥感影像集进行一系列数据预处理,利用Sentinel-1双极化水体指数(SDWI)和改进的归一化差异水体指数(MNDWI)分别提取出雷达影像和光学数据中湖区边界,并根据湖区范围计算出水体面积,从精度、时序和变化检测3个方面评价水体提取结果的准确性,对比分析湖区面积变化趋势,为鄱阳湖管理与保护提供科学的灾害预警。结果表明:①利用雷达影像和光学遥感数据提取鄱阳湖的水体结果基本一致,在提取农田、细小水体及有云区域时,雷达影像提取效果优于光学影像提取效果,说明借助雷达影像提取完整水体信息更具优势。②鄱阳湖平水期、丰水期和枯水期水体面积的均值分别为3 686.49、4 077.73、2 612.81 km2,其中丰水期水量是枯水期水量的1.56倍。③雷达影像时序水体提取结果与星子站、都昌站、湖口站和康山站共4个水文站水位数据变化趋势具有较高的一致性,Pearson相关系数分别为0.89、0.87、0.90、0.81。
Under the influence of climate change, the water area of Poyang Lake exhibits seasonal fluctuations. To elucidate these changes comprehensively, we propose a water information extraction approach that integrates multi-temporal radar images and optical data. Leveraging Sentinel-1A radar images and Sentinel-2 optical images as our research datasets, we initiated a sequence of data preprocessing steps on the remote sensing image set. Employing the Sentinel-1 dual polarized water index (SDWI) and the improved normalized differential water index (MNDWI), we delineated the lake’s boundary and computed its water area using radar and optical data. The precision, timing, and change detection of our water extraction results were evaluated meticulously. Analyzing the lake area’s change trends aims to furnish scientific insights for disaster management and Poyang Lake’s conservation. Our findings revealed that: 1)The water bodies of Poyang Lake extracted from radar and optical remote sensing data were mostly congruent. Radar image extraction outperformed optical image extraction when delineating farmlands, small water bodies, and cloud-covered areas, suggesting radar images’ superiority in capturing comprehensive water information. 2)The average water area of Poyang Lake during normal, wet, and dry seasons is 3 686.49, 4 077.73, and 2 612.81 km2, respectively, with the wet season’s water volume being 1.56 times that of the dry season. 3)Time-series water extraction results from radar images exhibited strong consistency with water level variation data from Xingzi Station, Duchang Station, Hukou Station, and Kangshan Station, yielding Pearson correlation coefficients of 0.89, 0.87, 0.90, and 0.81, respectively.
鄱阳湖 / 水体提取 / 时空变化 / MNDWI / SDWI / 变化检测
Poyang Lake / water extraction / spatiotemporal variation / MNDWI / SDWI / change detection
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基于SAR图像的阈值分割法是水体信息有效提取的常用方法之一。针对Otsu算法对于SAR影像水体提取精度低、噪声大的问题,以C波段Sentinel-1 SAR为数据源,提出一种基于Otsu算法的SAR图像水体提取新方法。该方法首先基于双极化数据构建自然指数函数,优化原始Sentinel-1数据图像像元直方图分布,再结合Otsu算法对图像进行水体提取,最后基于DEM数据去除误提取的山体阴影。以同一天的Landsat 8光学影像作为真实水体样本进行精度评定,结果表明:在不同水体占比情况下,该方法水体提取精度均优于Otsu算法,在水体占比小于10%时综合精度提升约为20%—60%,而且噪声小、适用性强,可用于快速高效获取大范围内水体信息。
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利用遥感对地观测技术对2020年夏季鄱阳湖地区发生的洪水灾情进行评估和分析,分别选取Landsat 8卫星4月和 Sentinel-1A雷达卫星7月的影像作为洪水发生前、后的影像,利用遥感专题信息提取、随机森林分类和变化检测技术揭示洪水淹没范围,以及被淹没的主要土地覆盖类型面积,同时结合水文气象和地形数据进行灾情和受灾原因分析。研究结果表明,鄱阳湖2020年洪灾的淹没面积为1961.95 km2,共造成区内110.83 km2建筑用地、760.54 km2耕地、71.59 km2林地、992.02 km2草地和26.97 km2裸地被淹,其中尤以鄱阳县受灾最为严重,其总受灾面积达到514 km2,其次为新建区与余干县,分别达到了330 km2和310 km2。持续2个月的强降雨使得鄱阳湖流域的水位超过了其1998年特大洪水的水位,加上长江水倒灌,湖区地势北高南低,积水不能及时排出,圩堤决口等诸多水文气象和地形因素造成了此次鄱阳湖的特大洪灾。
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