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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

地理資源所在地表形變監(jiān)測(cè)與要素提取方面取得進(jìn)展

2019-12-19 地理科學(xué)與資源研究所

【字體：大中小】

語(yǔ)音播報(bào)

　　基于回歸模型的大氣效應(yīng)校正方法利用大氣效應(yīng)沿斜距方向呈線性或非線性分布的特征，構(gòu)建斜距和高程的一元或多元回歸模型，估計(jì)并去除大氣效應(yīng)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是不依賴(lài)于大氣環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度和壓強(qiáng)）和其他先驗(yàn)知識(shí)（如已知穩(wěn)定點(diǎn)）。但是，當(dāng)觀測(cè)目標(biāo)的形變與大氣效應(yīng)相似時(shí)，如觀測(cè)目標(biāo)的形變有沿斜距方向增大或降低的趨勢(shì)，該方法將混淆大氣效應(yīng)和觀測(cè)目標(biāo)的形變，不能有效地估計(jì)大氣效應(yīng)。

　　針對(duì)該問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究員蘭恒星和他的團(tuán)隊(duì)提出了改進(jìn)的基于回歸模型的大氣效應(yīng)校正方法。該方法依據(jù)觀測(cè)目標(biāo)形變和大氣效應(yīng)沿斜距方向變化的差異性，即觀測(cè)目標(biāo)未成像區(qū)域的觀測(cè)值包含大氣效應(yīng)而不包含觀測(cè)目標(biāo)形變，而觀測(cè)目標(biāo)成像區(qū)域的觀測(cè)值同時(shí)包含大氣效應(yīng)和觀測(cè)目標(biāo)形變，在回歸模型中加入了觀測(cè)目標(biāo)形變沿斜距方向變化的速度因子，用以區(qū)分大氣效應(yīng)和觀測(cè)目標(biāo)的形變。

　　實(shí)驗(yàn)表明，研究人員改進(jìn)的基于回歸模型的校正方法能夠準(zhǔn)確地估計(jì)大氣效應(yīng)，能夠獲取觀測(cè)目標(biāo)的有效形變信息。他們利用大氣效應(yīng)和觀測(cè)目標(biāo)形變沿斜距方向變化的相似性和差異性對(duì)基于多元回歸模型的大氣效應(yīng)校正方法進(jìn)行改進(jìn)，能夠準(zhǔn)確地估計(jì)并去除地基SAR監(jiān)測(cè)中的大氣效應(yīng)，有助于提高地基SAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度。

　　1、雷達(dá)衛(wèi)星遙感捕獲北京平原區(qū)地面沉降趨勢(shì)逐漸減緩

　　近幾十年，由于長(zhǎng)期地下水超量開(kāi)采導(dǎo)致北京平原區(qū)大范圍存在地面沉降現(xiàn)象，遙感技術(shù)（特別是多時(shí)相雷達(dá)遙感MT-InSAR）比較好地應(yīng)用到北京平原區(qū)域地面沉降的監(jiān)測(cè)。隨著近些年地下水開(kāi)采的管理以及南水北調(diào)水對(duì)北京水資源的補(bǔ)給，水文地質(zhì)條件發(fā)生變化，地面沉降的現(xiàn)狀是否變化尚不明確。

　　蘭恒星團(tuán)隊(duì)采用多時(shí)相雷達(dá)遙感技術(shù)，處理了2012年-2015年的39幅RadarSAT-2數(shù)據(jù)和2016年-2018年的33幅Sentinel-1數(shù)據(jù)，獲取了2012年-2018年北京平原區(qū)的地面沉降結(jié)果。研究表明，在新的水文地質(zhì)環(huán)境以及降雨改變的情況下，地面沉降趨勢(shì)明顯減緩。2012年-2015年北京平原區(qū)地表形變速率范圍為-176到+12.3mm/year，2016年到2018年變化到-119到+8mm/year。地面沉降量在不同尺度（區(qū)域、沉降漏斗和主要基礎(chǔ)設(shè)施）均表現(xiàn)出明顯的減弱趨勢(shì)。通過(guò)進(jìn)一步的時(shí)間序列分析、GIS空間分析和相關(guān)性分析，得到地面沉降減弱的趨勢(shì)與降雨存在一定的相關(guān)性。

　　2、地表河流中心線精細(xì)遙感識(shí)別與提取

　　在遙感影像中，寬度占單個(gè)像元或單個(gè)像元以下的河流在遙感影像中表現(xiàn)為嚴(yán)重的混合像元。在不同分辨率的遙感影像中，混合像元成為影響水系網(wǎng)絡(luò)識(shí)別和提取精度的一個(gè)重要因素。單純使用閾值法，提取河流往往難以得到完整的水系中心線。

　　他們針對(duì)河流具有的線性特征，構(gòu)建multiple direction integration algorithm（MDIA）算法，結(jié)合指數(shù)圖像、圖像增強(qiáng)方法，將河流幾何形態(tài)特征用于河流中心線的提取。方法首先使用NDVI或者其他指數(shù)增強(qiáng)河流及河流的環(huán)境因子，從而提高河流和周?chē)h(huán)境的對(duì)比度。使用Hessian矩陣對(duì)指數(shù)圖像進(jìn)行線性增強(qiáng)，提高河流的線性辨別度。構(gòu)建多向積分掃描判別窗口（circular structural element）對(duì)圖像進(jìn)行精細(xì)判別。計(jì)算過(guò)程從當(dāng)前判別窗口自動(dòng)獲取判別閾值，從起始種子點(diǎn)開(kāi)始逐一沿著潛在河流線進(jìn)行屬性判別，得到河流種子點(diǎn)和河流中心線。對(duì)整幅圖像的種子點(diǎn)進(jìn)行判別即完成河流中心線的識(shí)別。

　　研究人員構(gòu)建的河流中心線識(shí)別方法，在一次判別后即可以得到完整的河流中心線網(wǎng)絡(luò)，不需要對(duì)結(jié)果再次進(jìn)行形態(tài)學(xué)的增減運(yùn)算。計(jì)算過(guò)程采用局部計(jì)算方法，有效降低運(yùn)算量，提高計(jì)算速度。所構(gòu)建的河流中心線提取方法和其他方法相比，在混合像元區(qū)域表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。對(duì)不同的地貌類(lèi)型使用Landsat8進(jìn)行河流中心線提取實(shí)驗(yàn)，在0.2 ~ 0.3的閾值范圍內(nèi)，用戶(hù)精度達(dá)到0.813 ~ 0.997，生產(chǎn)者精度達(dá)到0.981 ~ 1。使用MDIA可以快速提取水系中心線，提高獲取河流中心線時(shí)間序列數(shù)據(jù)的效率，有助于分析不同時(shí)期水系的動(dòng)態(tài)變化特征，為與河流變化相關(guān)的滑坡識(shí)別和滑坡孕育分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　相關(guān)研究論文發(fā)表在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、International Journal of Remote Sensing、GIScience & Remote Sensing 等遙感類(lèi)雜志上。

　　論文鏈接：1 2 3

　　大氣效應(yīng)是影響地基SAR監(jiān)測(cè)結(jié)果精度的重要因素。大氣效應(yīng)是兩次觀測(cè)中由于大氣環(huán)境的改變導(dǎo)致的路徑延遲，是地基SAR觀測(cè)結(jié)果的主要組成成分。大氣效應(yīng)校正是獲取精確地基SAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的必要步驟。
　　基于回歸模型的大氣效應(yīng)校正方法利用大氣效應(yīng)沿斜距方向呈線性或非線性分布的特征，構(gòu)建斜距和高程的一元或多元回歸模型，估計(jì)并去除大氣效應(yīng)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是不依賴(lài)于大氣環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度和壓強(qiáng)）和其他先驗(yàn)知識(shí)（如已知穩(wěn)定點(diǎn)）。但是，當(dāng)觀測(cè)目標(biāo)的形變與大氣效應(yīng)相似時(shí)，如觀測(cè)目標(biāo)的形變有沿斜距方向增大或降低的趨勢(shì)，該方法將混淆大氣效應(yīng)和觀測(cè)目標(biāo)的形變，不能有效地估計(jì)大氣效應(yīng)。
　　針對(duì)該問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究員蘭恒星和他的團(tuán)隊(duì)提出了改進(jìn)的基于回歸模型的大氣效應(yīng)校正方法。該方法依據(jù)觀測(cè)目標(biāo)形變和大氣效應(yīng)沿斜距方向變化的差異性，即觀測(cè)目標(biāo)未成像區(qū)域的觀測(cè)值包含大氣效應(yīng)而不包含觀測(cè)目標(biāo)形變，而觀測(cè)目標(biāo)成像區(qū)域的觀測(cè)值同時(shí)包含大氣效應(yīng)和觀測(cè)目標(biāo)形變，在回歸模型中加入了觀測(cè)目標(biāo)形變沿斜距方向變化的速度因子，用以區(qū)分大氣效應(yīng)和觀測(cè)目標(biāo)的形變。
　　實(shí)驗(yàn)表明，研究人員改進(jìn)的基于回歸模型的校正方法能夠準(zhǔn)確地估計(jì)大氣效應(yīng)，能夠獲取觀測(cè)目標(biāo)的有效形變信息。他們利用大氣效應(yīng)和觀測(cè)目標(biāo)形變沿斜距方向變化的相似性和差異性對(duì)基于多元回歸模型的大氣效應(yīng)校正方法進(jìn)行改進(jìn)，能夠準(zhǔn)確地估計(jì)并去除地基SAR監(jiān)測(cè)中的大氣效應(yīng)，有助于提高地基SAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度。
　　1、雷達(dá)衛(wèi)星遙感捕獲北京平原區(qū)地面沉降趨勢(shì)逐漸減緩
　　近幾十年，由于長(zhǎng)期地下水超量開(kāi)采導(dǎo)致北京平原區(qū)大范圍存在地面沉降現(xiàn)象，遙感技術(shù)（特別是多時(shí)相雷達(dá)遙感MT-InSAR）比較好地應(yīng)用到北京平原區(qū)域地面沉降的監(jiān)測(cè)。隨著近些年地下水開(kāi)采的管理以及南水北調(diào)水對(duì)北京水資源的補(bǔ)給，水文地質(zhì)條件發(fā)生變化，地面沉降的現(xiàn)狀是否變化尚不明確。
　　蘭恒星團(tuán)隊(duì)采用多時(shí)相雷達(dá)遙感技術(shù)，處理了2012年-2015年的39幅RadarSAT-2數(shù)據(jù)和2016年-2018年的33幅Sentinel-1數(shù)據(jù)，獲取了2012年-2018年北京平原區(qū)的地面沉降結(jié)果。研究表明，在新的水文地質(zhì)環(huán)境以及降雨改變的情況下，地面沉降趨勢(shì)明顯減緩。2012年-2015年北京平原區(qū)地表形變速率范圍為-176到+12.3mm/year，2016年到2018年變化到-119到+8mm/year。地面沉降量在不同尺度（區(qū)域、沉降漏斗和主要基礎(chǔ)設(shè)施）均表現(xiàn)出明顯的減弱趨勢(shì)。通過(guò)進(jìn)一步的時(shí)間序列分析、GIS空間分析和相關(guān)性分析，得到地面沉降減弱的趨勢(shì)與降雨存在一定的相關(guān)性。
　　2、地表河流中心線精細(xì)遙感識(shí)別與提取
　　在遙感影像中，寬度占單個(gè)像元或單個(gè)像元以下的河流在遙感影像中表現(xiàn)為嚴(yán)重的混合像元。在不同分辨率的遙感影像中，混合像元成為影響水系網(wǎng)絡(luò)識(shí)別和提取精度的一個(gè)重要因素。單純使用閾值法，提取河流往往難以得到完整的水系中心線。
　　他們針對(duì)河流具有的線性特征，構(gòu)建multiple direction integration algorithm（MDIA）算法，結(jié)合指數(shù)圖像、圖像增強(qiáng)方法，將河流幾何形態(tài)特征用于河流中心線的提取。方法首先使用NDVI或者其他指數(shù)增強(qiáng)河流及河流的環(huán)境因子，從而提高河流和周?chē)h(huán)境的對(duì)比度。使用Hessian矩陣對(duì)指數(shù)圖像進(jìn)行線性增強(qiáng)，提高河流的線性辨別度。構(gòu)建多向積分掃描判別窗口（circular structural element）對(duì)圖像進(jìn)行精細(xì)判別。計(jì)算過(guò)程從當(dāng)前判別窗口自動(dòng)獲取判別閾值，從起始種子點(diǎn)開(kāi)始逐一沿著潛在河流線進(jìn)行屬性判別，得到河流種子點(diǎn)和河流中心線。對(duì)整幅圖像的種子點(diǎn)進(jìn)行判別即完成河流中心線的識(shí)別。
　　研究人員構(gòu)建的河流中心線識(shí)別方法，在一次判別后即可以得到完整的河流中心線網(wǎng)絡(luò)，不需要對(duì)結(jié)果再次進(jìn)行形態(tài)學(xué)的增減運(yùn)算。計(jì)算過(guò)程采用局部計(jì)算方法，有效降低運(yùn)算量，提高計(jì)算速度。所構(gòu)建的河流中心線提取方法和其他方法相比，在混合像元區(qū)域表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。對(duì)不同的地貌類(lèi)型使用Landsat8進(jìn)行河流中心線提取實(shí)驗(yàn)，在0.2 ~ 0.3的閾值范圍內(nèi)，用戶(hù)精度達(dá)到0.813 ~ 0.997，生產(chǎn)者精度達(dá)到0.981 ~ 1。使用MDIA可以快速提取水系中心線，提高獲取河流中心線時(shí)間序列數(shù)據(jù)的效率，有助于分析不同時(shí)期水系的動(dòng)態(tài)變化特征，為與河流變化相關(guān)的滑坡識(shí)別和滑坡孕育分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　相關(guān)研究論文發(fā)表在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、International Journal of Remote Sensing、GIScience & Remote Sensing 等遙感類(lèi)雜志上。
　　論文鏈接：1 2 3

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