一种基于遥感水边线的潮滩dem率定方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，具体步骤为：收集潮滩区域的多源多时相遥感影像，提取水边线；基于历史地形资料构建初始DEM；以初始DEM为基础构建二维潮位数值模拟模型，利用实测潮位站资料对模型进行验证；用二维潮位数值模拟模型计算对应遥感影像获取时刻下的潮滩出露区域，并与对应时刻下的水边线进行对比，对比吻合则进行下一条水边线的对比，对比不吻合则进行修正；将多条水边线通过这种方法对DEM进行率定，最终所有的水边线与二维潮位数值模拟模型计算的出露区域完成吻合，输出DEM最优结果。本发明在缺少地形资料的潮滩区域能够生成最符合实际最优化的DEM数据，快速高效、简单可行、操作方便。
【专利说明】一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，特别针对地形变化迅速的潮滩区域构建符合现状的DEM。
【背景技术】
[0002]潮滩作为一种动态不稳定的土地资源，易受全球气候变化、海平面变化及人类活动影响，地貌演化常表现出大冲大淤、冲淤多变等特征，其地形往往在短时间内就发生了的很大变化，以前的地形(DEM)数据不能满足现状的需求，切实需要研究一种潮滩DEM实时获取的简单易行的方法。目前获取潮滩地形(DEM)的主要方法有4种:野外测量、航空测量、遥感影像的高程反演和遥感影像水边线信息复合技术。
[0003]野外测量是建立地面高程反演的常用方法。目前，通过地面调查(如水准仪、全站仪、载波相位差分测量技术等)可获得精度达厘米级的潮滩高程信息(Mitasova H et al.，2003)。但易变海岸带潮滩广阔，滩面泥泞，潮沟密布，潮滩冲淤多变，海况复杂，该方法受潮滩面状况以及天气、白昼长度和潮汐等影响较大，难以快速、全面地建立大范围潮滩地形(DEM)，且人力、物力投入巨大，不适合大面积的地形连续监测。
[0004]航空测量(机载激光探测和测距系统LiDAR技术)可获得精度较好，较大范围的地面高程信息(Guo Q H et al., 2010)，但用于潮滩地区则受到种种限制。LiDAR技术的顺利实施需要借助较好的天气条件和潮汐条件，且由于潮汐周期变化、水体透明度低等原因，难以获取整个潮间带尤其是潮下带的高程信息。LiDAR技术历史数据积累少、生产成本高，制约了其在潮滩历史动态演化规律分析中的应用研究。
[0005]基于卫星影像数据的高程反演主要依赖于雷达干涉测量和光学影像测量两种手段。卫星干涉测量可获取极大范围的地面概要信息，支持构建大尺度地表高程模型，同时可对地形变化进行精确监测，但其在垂直精度和水平精度上均较低，用于潮滩高程反演时，由于高含水量砂质表面对于雷达信号福射相应较差等原因(Mason D C et al., 1998),导致其在淤泥粉砂质潮滩滩面的高程反演中效果较差，且难以覆盖整个潮间带，因此无法满足应用要求；使用卫星光学影像数据进行地面高程测量，亦具有覆盖范围大的特点，在特定条件下，通过构建水深模型还可进行水深信息反演(Jerlov N G, 1976; Paredes J M etal., 1983;党福星等，2003;黄家柱等，2002;沈永明等，2009;田庆久等，2007;张鹰等，2009)，但该方法同样具有较低的垂直和水平精度，观测要求无云环境，因此受限于天气状况，对于同一研究区满足要求的影像数量较少，且方法操作过程比较复杂，难以覆盖整个潮间带区域，在不同研究区难以保证稳定实用的反演精度。
[0006]水边线复合技术在历史潮滩高程反演、成本和测量环境要求方面有独特的优势，且能够覆盖整个潮间带区域，因此较为适合进行大范围的易变潮滩地形监测。其原理是将水边线作为测量潮滩区域高程的高度计，卫星成像时刻的潮滩水边线反映了卫星成像时刻水陆的瞬时状态，水陆交界线的水平位置由水边线决定，而垂直高度信息则来自成像时刻的潮高。若能够获取足够数量处于不同潮位高度的潮滩遥感影像，从中提取出水边线结合瞬时海面高度，即可据此构建潮滩DEM (专利CN102496185A，CN102436679A ;Mason D C etal.,2001 ；Blott S Jet al.,2004 ；Anthony E Jet al.,2008 ；Heygster G et al.,2010 ；韩震等2009 ;郑宗生等，2007 ;张明等，2010 ;胡炜，2012)。
[0007]当前水边线复合技术还存在以下关键问题需要解决:
1.遥感影像的时间跨度问题。
[0008]水边线信息复合技术要求在足够短的时间段内采集平静天气条件下成像、质量良好、足够多的遥感影像。而海岸带气象条件复杂，云雨雪霾等因素对光学遥感成像影响较大(Yamano Hetal., 2006)，遥感影像数据的可获取性限制了研究的拓展。前人的研究常忽视多时相遥感影像的时间间距(常为2年甚至更长)。而潮滩地貌在短时距内变化明显，如何在短时间内收集到更多的不同潮时下的遥感影像是需要解决的首要关键问题。
[0009]2.水边线赋值问题
针对小范围区域(小区域港湾、河口湾潮滩)，可以直接将水面看做平面，以某一个潮位站的观测数据作为区域海面高度，从而将水边线作为等高线处理。专利基于多分辨率遥感影像离散点融合的DEM构建方法(CN102496185A，CN102436679A)潮高确定方法依靠单站的潮汐表的最低最高潮进行时间内插得到。然而对于大区域潮滩区域，成像时刻瞬时海面并非平面，而呈曲面，则需要更加深入地考虑潮位的空间变化，研究者会采用海洋水动力模型解决这一问题，实现实时的海面高度模拟，进而给水边线赋值，构建DEM。然而，这种方法中，水动力学模型本身就需要地形资料作为输入数据，往往采用的地形资料均为往年的测图，已经不能反映当前潮滩的基本地貌现状，其计算结果直接给水边线赋值就造成误差比较大。
【发明内容】
[0010]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，克服现有DEM构建方法中存在的测量困难、时效性差、精度不可控等问题，通过DEM的不断修正实现水动力学模型与遥感水边线之间的完全吻合，提高DEM构建精度，且本方法能够基于陈旧地形通过水边线的率定修正，获得最新的最能反映潮滩现状的地形数据(DEM)JiS实时监测的需求。
[0011]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，包括以下步骤:
步骤1:收集潮滩区域的多源多时相的遥感影像，提取水边线；
步骤2:整理潮滩区域的历史地形资料，构建初始DEM数据；
步骤3:将初始DEM数据作为基础资料来构建潮滩区域的二维潮位数值模拟模型，并利用区域内潮位站的实测数据对模型进行验证；
步骤4:利用二维潮位数值模拟模型计算对应遥感影像获取时刻下的潮滩出露区域；步骤5:将对应时刻下的水边线与二维潮位数值模拟模型计算的出露区域进行对比分析，包括两种情况:第一种为模型计算出的出露区域未包括所有水边线内部包围的潮滩区域，此时未出露区域的高程值需要+ Ah;第二种为模型计算出的出露区域超出了水边线，此时超出的出露区域的高程值需要一Ah ;Ah初设为0.1m ；
步骤6:根据调整后的高程值对初始DEM数据进行修正，并重新输入二维潮位数值模拟模型，重复步骤5的过程，直到水边线与出露区域吻合为止；
步骤7:将所有水边线通过步骤5、步骤6的方法对DEM进行率定，直至所有的水边线与二维潮位数值模拟模型计算的出露区域完成吻合，输出DEM最优结果。
[0012]作为本发明的进一步优化方案，步骤I中所述多源多时相的遥感影像为半年内空间分辨率为30米的各个潮时的遥感影像，并且以环境与灾害监测预报小卫星星座的HJ-1A/IB影像为主、Landsat系列卫星的TM/ETM+/0LI影像为辅；所述水边线的提取采用ENVI中的面向对象空间特征提取模块，并将水边线数据输入ArcGIS软件。
[0013]作为本发明的进一步优化方案，步骤2中所述初始DEM数据是在ArcGIS软件中空间插值构建的，其空间分辨率与遥感影像相当。
[0014]作为本发明的进一步优化方案，步骤3中所述二维潮位数值模拟模型的构建范围为潮滩区域所处的海域，其矩形网格分辨率为30m*30m。
[0015]作为本发明的进一步优化方案，步骤4中所述潮滩出露区域以矩形网格的形态输入ArcGIS软件。
[0016]作为本发明的进一步优化方案，步骤5中所述对应时刻下的水边线与模型计算的出露区域的对比分析在ArcGIS软件中进行，对初始DEM的网格进行遍历，分析每个网格的状态，调整其高程值，得到新的DEM数据。
[0017]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，是DEM从旧到新的率定过程，利用DEM的不断修正，以遥感水边线与动力学模型的相互契合为目标，完成DEM的最优化更新，使其最能反映当前潮滩的地貌现状，通过此方法可以实现大面积潮滩的实时监测。本发明利用了遥感影像的现实性、覆盖面积大的特点和水动力学模型能够模拟海面变化的过程性的特点，将两者利用地形资料DEM耦合起来，既能得到最优化的DEM，也能获取到最适合该海域的潮位数值模拟模型，实现双赢。本发明技术简单可行、操作方便，有效解决了大面积易变潮滩的地形资料获取难的问题，实用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的流程图。
[0019]图2是遥感影像的收集及水边线的提取流程图。
[0020]图3是构建初始DEM的流程图。
[0021]图4是二维潮位数值模拟模型的构建及模拟流程图。
[0022]图5是DEM的率定流程图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，如图1所示，包括以下步骤:
1.收集潮滩区域的多源多时相的遥感影像，提取水边线，如图2所示；多源多时相的遥感影像为半年内空间分辨率为30米的各个潮时的遥感影像，并且以环境与灾害监测预报小卫星星座的HJ-1A /IB影像为主、Landsat系列卫星的TM/ETM+/0LI影像为辅；对影像进行几何纠正和图像增强的预处理后，采用ENVI中的面向对象空间的Feature Extraction模块进行水边线提取，将结果输入ArcGIS软件建立水边线图层Shapefile-Polyline，并进行后处理，得到一组完整的多潮时水边线数据。
[0024]2.整理潮滩区域的历史地形资料，构建初始的DEM数据，如图3所示；基于潮滩区域的历史地形资料在ArcGIS软件中进行数字化，提取出等深线和测深点，空间插值构建整个区域的DEM，其空间分辨率与遥感影像相当，并生成输入二维潮位数值模拟模型的mesh文件。
[0025]3.将初始DEM作为基础资料来构建潮滩区域的二维潮位数值模拟模型，并且利用实测的潮位站资料对模型进行验证，计算对应遥感影像获取时刻下的潮滩出露区域，如图4所示；通过区域地形的mesh文件、遥感影像的获取时间、水位边界条件和糙率文件，构建基于Mike21的二维潮位数值模拟模型，通过验证后计算潮滩出露区域，并以矩形网格形态输AArcGIS 软件。
[0026]4.如图5所示，DEM的率定流程为:(I)将对应时刻下的水边线与模型计算的出露区域进行对比分析，包括两种可能性:第一种为模型计算出的出露区域未包括所有水边线内部包围的潮滩区域，此时未出露区域的高程值需要+ Ah;第二种为模型计算出的出露区域超出了水边线，此时超出的出露区域的高程值需要一 Λ h；Ah初设为0.lm；(2)根据调整后的高程值对初始DEM数据进行修正，并重新输入二维潮位数值模拟模型，重复步骤5的过程，直到水边线与出露区域吻合为止；(3)将所有水边线通过步骤5、步骤6的方法对DEM进行率定，直至所有的水边线与二维潮位数值模拟模型计算的出露区域完成吻合，输出DEM最优结果。
[0027]根据上述步骤，对实际潮滩区域进行DEM构建，首先收集潮滩区域的多源多时相的遥感影像，提取水边线；然后整理潮滩区域的历史地形资料，构建初始的DEM数据；将初始DEM作为基础资料来构建潮滩区域的二维潮位数值模拟模型，并且利用实测的潮位站资料对模型进行验证；用二维潮位数值模拟模型计算对应遥感影像获取时刻下的潮滩出露区域，将对应时刻下的水边线与模型计算的出露区域进行对比分析，对比吻合则进行下一条水边线的对比，对比不吻合则进行修正直到吻合为止；将多条水边线通过这种方法对DEM进行率定，最终所有的水边线与二维潮位数值模拟模型计算的出露区域完成吻合，输出DEM最优结果。
[0028]以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:收集潮滩区域的多源多时相的遥感影像，提取水边线； 步骤2:整理潮滩区域的历史地形资料，构建初始DEM数据； 步骤3:将初始DEM数据作为基础资料来构建潮滩区域的二维潮位数值模拟模型，并利用区域内潮位站的实测数据对模型进行验证； 步骤4:利用二维潮位数值模拟模型计算对应遥感影像获取时刻下的潮滩出露区域； 步骤5:将对应时刻下的水边线与二维潮位数值模拟模型计算的出露区域进行对比分析，包括两种情况:第一种为模型计算出的出露区域未包括所有水边线内部包围的潮滩区域，此时未出露区域的高程值需要+ Ah;第二种为模型计算出的出露区域超出了水边线，此时超出的出露区域的高程值需要一Ah ;Ah初设为0.1m ； 步骤6:根据调整后的高程值对初始DEM数据进行修正，并重新输入二维潮位数值模拟模型，重复步骤5的过程，直到水边线与出露区域吻合为止； 步骤7:将所有水边线通过步骤5、步骤6的方法对DEM进行率定，直至所有的水边线与二维潮位数值模拟模型计算的出露区域完成吻合，输出DEM最优结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，其特征在于:步骤I中所述多源多时相的遥感影像为半年内空间分辨率为30米的各个潮时的遥感影像，并且以环境与灾害监测预报小卫星星座的HJ-1A /IB影像为主、Landsat系列卫星的TM/ETM+/OLI影像为辅。
3.根据权利要求1所述的一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，其特征在于:步骤I中所述水边线的提取采用ENVI中的面向对象空间特征提取模块，并将水边线数据输入ArcGIS 软件。
4.根据权利要求1所述的一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，其特征在于:步骤2中所述初始DEM数据是在ArcGIS软件中空间插值构建的，其空间分辨率与遥感影像相当。
5.根据权利要求1所述的一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，其特征在于:步骤3中所述二维潮位数值模拟模型的构建范围为潮滩区域所处的海域，其矩形网格分辨率为 30m*30m。
6.根据权利要求1所述的一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，其特征在于:步骤4中所述潮滩出露区域以矩形网格的形态输入ArcGIS软件。
7.根据权利要求1所述的一种基于遥感水边线的潮滩DEM率定方法，其特征在于:步骤5中所述对应时刻下的水边线与模型计算的出露区域的对比分析在ArcGIS软件中进行，对初始DEM的网格进行遍历，分析每个网格的状态，调整其高程值，得到新的DEM数据。
【文档编号】G06F17/50GK103761375SQ201410013106
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】康彦彦, 丁贤荣, 夏娟 申请人:河海大学