[发明专利]SAR影像时空相似性分析下的城市不透水面提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种城市不透水面的提取方法，特别是涉及一种利用SAR影像时空相似性提取城市不透水面的方法。

背景技术

城市化的一个重要表现就是不透水面分布比率的上升。随着我国城市化进程的加快，作为城市化显著特征之一的不透水面也在不断增加，这将影响地区的生态环境，从而导致流域水文循环异常、非点源污染增加、城市热岛效应增强以及生物多样性减少等问题的发生。城市不透水面分布是衡量城市生态环境的一个重要指标。目前研究的城市不透水面多指诸如屋顶、广场、沥青或水泥道路以及停车场等具有不透水性的建筑物。城市不透水面的空间分布和面积常借助于实地勘测获得,但要花费大量的人力物力,而且难以获得准确实时的信息。随着遥感技术的发展,利用遥感数据进行城市不透水面识别和制图,已被证明是一种非常有效的手段。尤其对于规模较大的大城市,采用高性价比的中等分辨率影像,获取不透水面的分布,是当前国际研究的一个热点。

利用遥感数据估算城市不透水面的方法有很多，可以大致分为解译法、模型法、光谱法、指数法等。人工解译方法是人工通过目视来识别和分析不透水面的色调、纹理、大小、形状、阴影和背景等信息。尽管该方法在提取不透水面的方法中结果最精确，且可操作性强，但是解译工作量大，同时主观性强，还要结合GPS野外调查，费时费力，数据获取难，应用范围有限。模型法将不透水面作为一个连续变量，估测每一个像元中不透水面的比例，该方法可避免因将一个含有一定变化范围的不透水面的混合像元定义为单一类别所产生的误差，如2003年Sawaya等在《Remote Sensing of Environment》撰文“Extending satellite remote sensing to local scales:land and water resource monitoring using high-resolution image”,在局部尺度上,应用样本建立了基于IKONOS的归一化植被指数(NDVI)与高分辨率数据提取的不透水面指数之间的回归关系,然后利用NDVI进行逐一像元求算,取得了较好的效果。但由于高分辨率图像上树冠和建筑物阴影NDVI值较低，使计算结果产生误差。光谱法主要包括主要线性光谱分解模型(LSMA)、四端元法、分类回归树（CART）、人工神经网络法、支持向量机等。LSMA定义为像元在某波段的反射率是由构成像元基本组分的反射率以其所占像元面积比例为权重系数的线性组合。如2007年岳文泽和吴次芳在《遥感学报》11卷第6期撰文“基于混合光谱分解的城市不透水面分布估算”，利用Landsat7的ETM+影像，在线性光谱分解的技术上，提取了上海市的不透水面分布信息；2009年袁超等在《测绘工程》18卷第3期撰文“城市不透水表面遥感估算研究”，利用TM影像，通过高反照率、低反照率、植被及土壤4类光谱端元的线性组合表征城市土地覆盖类型,综合剔除噪声影响后的高、低反照率分量,估算北京城区不透水表面分布；2010年张路等在《武汉大学学报信息科学版》撰文“利用多源遥感数据进行城市不透水面覆盖度估算”，利用深圳实验区4种不同传感器获取的遥感数据，通过CART算法进行城市不透水层估算；2011年张鸿生等在《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》上撰文“A comparison study of impervious surfaces estimation using optical and SAR remote sensing images”，利用神经网络和支持向量机法将Landsat ETM+和ENVISAT ASAR影像进行分为水体、植被和不透水面三类，从而获取不透水面信息。指数法是指利用其他地类(如植被、居民地)相关指数取不透水面信息，如2008年徐涵秋在《武汉大学学报-信息科学版》33卷第11期撰文“一种快速提取不透水面的新型遥感指数”，采用复合波段的形式创建了归一化差值不透水面指数（NDISI）获取大区域范围的不透水面信息；2013年，匡文慧等在《科学通报》58卷第5-6期撰文“21世纪初中国人工建设不透水地表遥感监测与时空分析”，通过夜间灯光指数（DMSP-OLS）与植被指数（NDVI）技术获取居民地指数（HIS）进行地图代数运算求交集得到不透水面面积。以上方法存在以下局限：（1）主要采用光学影像，受天气条件和成像质量限制；（2）由于裸地(包括稀疏的草地)与一些人工建筑物(如停车场等)之间存在一定的光谱混淆,以上这些方法很难将其区分，对于中高分影像来说，建筑物和行道树的阴影降低了不透水面的提取精度；（3）针对规模较大的大城市,主要采用高性价比的中等分辨率影像获取城市不透水面，基于以上方法很难得到满意的结果。