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申请/专利权人：浙江海洋大学

摘要：本发明公开一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取方法及装置，属于遥感图像处理技术领域，提取装置包括：包括：数据输入输出模块：用于栅格格式和矢量格式数据的输入输出；遥感图像预处理模块：用于实现辐射定标和大气校正操作；缨帽变换模块：用于实现Landsat5、Landsat7、Landsat8、IKONOS等卫星的缨帽变换；水体信息提取模块：用于实现水体信息粗提取、水体信息提取后处理；洪水淹没范围提取模块：用于实现洪水发生前、后遥感图像水体信息提取结果的空间叠加分析，本发明能够提高信息提取精度，保证洪水淹没范围识别结果的准确性和可靠性，并且处理流程简单、易于操作、自动化程度较高。

主权项：1.一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取装置，其特征在于：包括：数据输入输出模块：用于栅格格式和矢量格式数据的输入输出；遥感图像预处理模块：用于实现辐射定标和大气校正操作；缨帽变换模块：用于实现Landsat5、Landsat7、Landsat8、IKONOS等卫星的缨帽变换；水体信息提取模块：用于实现水体信息粗提取、水体信息提取后处理；洪水淹没范围提取模块：用于实现洪水发生前、后遥感图像水体信息提取结果的空间叠加分析。

全文数据：一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取方法及装置技术领域[0001]本发明属于遥感图像处理技术领域，特别是涉及一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取方法及装置。背景技术[0002]洪水一直以来对人类的生存与发展产生着重大的影响，一场较大洪水的发生往往会给人们带来严重的人员伤亡以及财产损失。了解洪水淹没范围，无论对灾难过后的损失评估，还是对流域的综合治理都具有重要意义。[0003]传统的洪水灾害损失评估往往采用实地调查和基层上报的方法，存在速度慢、周期长、数据准确性差等问题，并且灾后交通受到影响，特别是一些不宜到达区域的灾害损失给全面了解灾情带来了挑战。遥感技术具有范围广、速度快、手段多、信息量大、周期短、限制少等特点，能够有效克服传统灾情信息获取手段工作量大、效率低、费用高、信息不直观等缺陷，特别是随着科学技术的发展，高质量遥感图像的资源日益丰富，获取更加便捷，使得遥感技术逐渐成为包括洪水在内的自然灾害的风险预警、监测、评估和重建等工作的重要手段。[0004]洪水发生后，水中悬浮泥沙增多引起水体光谱特征发生变化，进而导致传统水体信息提取方法失效。本发明针对此问题，从表征地表物体的含水量出发，提出一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取方法及装置。发明内容[0005]本发明的目的在于一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取方法及装置，能够提高信息提取精度，保证洪水淹没范围识别结果的准确性和可靠性，并且处理流程简单、易于操作、自动化程度较高。[0006]为实现上述目的，本发明所采取的方案为:一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取装置，包括：数据输入输出模块:用于栅格格式和矢量格式数据的输入输出；遥感图像预处理模块:用于实现辐射定标和大气校正操作；缨帽变换模块:用于实现Landsat5、Landsat7、Landsat8、IKONOS等卫星的缨帽变换；水体信息提取模块:用于实现水体信息粗提取、水体信息提取后处理；洪水淹没范围提取模块:用于实现洪水发生前、后遥感图像水体信息提取结果的空间叠加分析，上述装置先对灾害前、后的图像进行辐射定标和大气校正，通过Landsat5、Landsat7、Landsat8、IKONOS等卫星的缨帽变换来提取水体信息并处理，最终确定洪水淹没范围，能够提高信息提取精度，保证洪水淹没范围识别结果的准确性和可靠性，并且处理流程简单、易于操作、自动化程度较高。[0007]为优化上述技术方案，采取的措施还包括:数据输入输出模块为:实现灾害前、后卫星遥感图像的输入和洪水淹没范围数据的输出；图像预处理模块为，根据实际情况，完成对洪水发生前、后卫星遥感图像的辐射定标和大气校正，得到具有明确物理含义的反射率数据;缨帽变换模块为:利用卫星传感器所对应的缨帽变换系数，对洪水发生前、后卫星遥感图像进行缨帽变换，分别得到亮度分量、绿度分量、湿度分量、黄度分量及噪声数据;水体信息提取模块包括水体信息粗提取和水体信息提取后处理两部分，首先，根据缨帽变换的原理，基于直方图峰值法分别设定绿度分量阈值和湿度分量阈值，对绿度分量和湿度分量进行图像分割，获取粗水体信息，然后，利用数学形态学运算，对水体信息粗提取结果进行开启和闭合运算，得到最终水体信息提取结果，其中开启运算用于去除斑点噪声，闭合运算用于去除细小孔洞和裂缝。[0008]—种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取方法，信息提取方法包括以下步骤：1图像预处理:收集灾害前、后卫星遥感图像，根据实际情况，对洪水发生前、后卫星遥感图像的辐射定标和大气校正，得到具有明确物理含义的反射率数据；2缨帽变换:利用卫星传感器所对应的缨帽变换系数，对洪水发生前、后卫星遥感图像进行缨帽变换，分别得到亮度分量、绿度分量、湿度分量、黄度分量及噪声数据；3水体信息提取:利用直方图峰值法，分别设定湿度分量阈值和绿度分量阈值;利用设定阈值进行图像分割，得到水体信息粗提取结果，既可以获取高含水量地物信息，又可以去除浓密植被的影响；利用数学形态学对对水体信息粗精提取结果进行开启和闭合运算，得到最终水体信息提取结果，其中开启运算用于去除斑点噪声，闭合运算用于去除细小孔洞和裂缝；4洪水淹没范围提取:利用地理信息空间分析方法，对洪水发生前、后遥感图像水体信息提取结果进行空间叠加分析，得到洪水淹没范围；5精度评价:对洪水淹没范围遥感信息提取结果进行定性评价，将洪水淹没范围遥感信息提取结果与原始图像进行空间叠加，通过目视观察，从形状、重叠范围等方面判断结果优劣。[0009]与现有技术相比，本发明的有益效果为:本发明对灾害前、后的图像进行辐射定标和大气校正，通过Landsat5、Landsat7、Landsat8、IKONOS等卫星的缨帽变换来提取水体信息并处理，最终确定洪水淹没范围，边界清晰、位置准确，能够提高信息提取精度，保证洪水淹没范围识别结果的准确性和可靠性，并且处理流程简单、易于操作、自动化程度较高。附图说明[0010]图1为本发明一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取装置的框图；图2为本发明一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取方法的技术路线图；图3为实施例2中研究区域位置示意图；图4为实施例2中研究区域灾前Landsat8OLI卫星遥感图像；图5为实施例2中研究区域灾后Landsat8OLI卫星遥感图像；图6为实施例2中研究区域灾前卫星遥感图像缨帽变换后亮度分量图像；图7为实施例2中研究区域灾前卫星遥感图像缨帽变换后绿度分量图像；图8为实施例2中研究区域灾前卫星遥感图像缨帽变换后湿度分量图像；图9为实施例2中研究区域灾后卫星遥感图像缨帽变换后亮度分量图像；图10为实施例2中研究区域灾后卫星遥感图像缨帽变换后绿度分量图像；图11为实施例2中研究区域灾后卫星遥感图像缨帽变换后湿度分量图像；图12为实施例2中对灾前、灾后水体信息进行空间叠加分析得到的洪水淹没范围示意图。具体实施方式[0011]以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述：实施例1:如图1-2所示，一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取装置，包括：数据输入输出模块:用于栅格格式和矢量格式数据的输入输出；遥感图像预处理模块:用于实现辐射定标和大气校正操作；缨帽变换模块:用于实现Landsat5、Landsat7、Landsat8、IKONOS等卫星的缨帽变换；水体信息提取模块:用于实现水体信息粗提取、水体信息提取后处理；洪水淹没范围提取模块:用于实现洪水发生前、后遥感图像水体信息提取结果的空间叠加分析，上述装置先对灾害前、后的图像进行辐射定标和大气校正，通过Landsat5、Landsat7、Landsat8、IKONOS等卫星的缨帽变换来提取水体信息并处理，最终确定洪水淹没范围，能够提高信息提取精度，保证洪水淹没范围识别结果的准确性和可靠性，并且处理流程简单、易于操作、自动化程度较高。[0012]为优化上述技术方案，采取的措施还包括:数据输入输出模块为，实现灾害前、后卫星遥感图像的输入和洪水淹没范围数据的输出；图像预处理模块为，根据实际情况，完成对洪水发生前、后卫星遥感图像的辐射定标和大气校正，得到具有明确物理含义的反射率数据;缨帽变换模块为:利用卫星传感器所对应的缨帽变换系数，对洪水发生前后卫星遥感图像进行缨帽变换，分别得到亮度分量、绿度分量、湿度分量、黄度分量及噪声数据;水体信息提取模块包括水体信息粗提取和水体信息提取后处理两部分，首先，根据缨帽变换的原理，利用直方图阈值法分别设定绿度分量阈值和湿度分量阈值，进行图像分割，获取粗水体信息，然后，利用数学形态学运算，对水体信息粗提取结果进行开启和闭合运算，得到最终水体信息提取结果，其中开启运算用于去除斑点噪声，闭合运算用于去除细小孔洞和裂缝。[0013]—种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取方法，信息提取方法包括以下步骤：1图像预处理:收集灾害前、后卫星遥感图像，（例如Landsat5、Landsat7、Landsat8、IKONOS等卫星数据），除上述收集数据外，还采用对应地区的需研究年份的城区调查资料、地图、GoogleEarth高清图像作为卫星遥感数据的参考资料，由于卫星装置在捕获图像数据时，会受到大气、拍摄角度等因素的干扰，会出现误差，从而导致收集到的遥感图像质量下降，不利于后续操作，根据实际情况，完成对洪水发生前、后卫星遥感图像的辐射定标和大气校正，得到具有明确物理含义的反射率数据。[0014]其中辐射定标和大气校正算法的MATLAB程序如下：%%%基于自带定标参数的辐射定标clearall%清除内存a=imreadLC81230402016157LGN00.tif;%读原始文件al=a:，：，I;%读取第1波段并进行福射定标al_rad=738.20459--60.9611865535-1*al-1+-60.96118；a2=a:，：，2;%读取第2波段并进行福射定标a2_rad=755.93054--62.4249965535-1*a2-l+-62.42499;a3=a:，：，3;%读取第3波段并进行福射定标a3_rad=696·58350--57·5240965535-1*a3-l+-57·52409;a4=a:，：，4;%读取第4波段并进行福射定标a4_rad=587.39844--48.5075665535-1*a4-l+-48.50756;a5=a:，：，5;%读取第5波段并进行福射定标a5_rad=359.45856--29.6842165535-1*a5-l+-29.68421；a6=a:，：，6;%读取第6波段并进行福射定标a6_rad=89.39407--7.3821965535-1*a6-l+-7.38219；a7=a:，：，7;%读取第7波段并进行福射定标a7_rad=30.13059--2.4881965535-1*a7-l+-2.48819；%基于经验线性法的大气校正coef_ref=import‘coeff_ref.txt’）；％读取大气校正参数al_ref=coef_refI，I*al_rad+coef_ref1，2;%第1波段大气校正a2_ref=coef_ref2,1*a2_rad+coef_ref2,2;%第2波段大气校正a3_ref=coef_ref3,1*a3_rad+coef_ref3,2;%第3波段大气校正a4_ref=coef_ref4,1*a4_rad+coef_ref4,2;%第4波段大气校正a5_ref=coef_ref5,1*a5_rad+coef_ref5,2;%第5波段大气校正a6_ref=coef_ref6,1*a6_rad+coef_ref6,2;%第6波段大气校正a7_ref=coef_ref7,1*a7_rad+coef_ref7,2;%第7波段大气校正2缨帽变换:利用卫星传感器所对应的缨帽变换系数，对洪水发生前、后卫星遥感图像进行缨帽变换，分别得到亮度分量、绿度分量、湿度分量、黄度分量及噪声数据；所利用的缨帽变换公式为：u=RTx+r;其中R为缨帽变换系数，X为不同波段的灰度值，r表示常数偏移量；3水体信息提取:设定阈值对湿度分量进行分割，进行水体信息粗提取，利用绿度分量对水体信息粗提取结果进行判定，以去除浓密植被的影响，得到水体信息精提取结果，利用缨帽变换后绿度分量和湿度分量进行阈值分割，所用公式如下所示：其中，Iwate3r表示使用绿度分量和湿度分量进行阈值分割后的粗水体信息，1^__和Iiretne3ss分别表示缨帽变换后绿度分量和湿度分量；利用数学形态学，对水体信息精提取结果进行开启和闭合运算，得到最终水体信息提取结果，开启运算用于去除斑点噪声，闭合运算用于去除细小孔洞和裂缝；4洪水淹没范围提取:利用地理信息空间分析方法，对洪水发生前、后遥感图像的水体信息提取结果进行空间叠加分析，得到洪水淹没范围；5精度评价:对洪水淹没范围遥感信息提取结果进行定性评价将洪水淹没范围遥感信息提取结果与原始图像进行空间叠加，通过目视观察，从形状、重叠范围等方面判断结果优劣。[0015]实施例2:在本实施例中选取岳阳市及其附近区域为研究区结合附图对本发明的技术方案作进步详细描述：本实施例的研究区域为:岳阳市，岳阳市位于湖南省东北部，地理范围为28°2533%_2^510^1112°183ΓΕ-114^06%如图3所示）。岳阳市两面环山，自东南向西北倾斜，东南为山丘区，西北为洞庭湖平原，中部为过渡性环湖浅丘地带，全市山地占14.6%，丘岗区占41.2%，平原占27%，水面占17.2%。岳阳市水系发达，湖泊星罗棋布，河流网织，有大小湖泊165个，280多条大小河流直接流入洞庭湖和长江。其中，洞庭湖是长江中游最重要的调蓄湖泊，其调蓄面积和调蓄水量对于长江流域的抗洪减灾具有重要意义。[0016]2016年6月底至7月初，长江中下游及江淮、西南等地出现入汛以来最强降雨过程，湖北、安徽等南方省份遭遇暴雨洪涝灾害，多地爆发山洪、泥石流、滑坡、塌方、溃堤等险情。因此，利用卫星遥感图像，监测岳阳市及其附近区域水体面积变化，提取洪水淹没范围，对于防灾减灾、保障人民生命财产安全具有重要意义。[0017]如图4、5所示，为研究区灾前、灾后Landsat8OLI近红外波段、红波段、绿波段合成的标准假彩色遥感图像。通过图4、5可以看出，研究区包含水体、田地、植被、城镇、道路等地物。灾害发生以后，水体面积发生了显著变化，并淹没了田地及部分村庄。由于雨水冲刷，水中悬浮泥沙含量增加，导致水体光谱特性发生变化，给利用传统方法提取水体信息带来了挑战。[0018]分别对灾害前、后卫星遥感图像进行图像预处理、缨帽变换、水体信息提取、洪水淹没范围提取和精度评价等操作。[0019]1图像预处理图像预处理主要包括辐射定标和大气校正。其中，辐射定标是利用辐射定标参数将原始数据转换为物理含义明确的辐亮度，大气校正去除大气吸收和散射对原始数据的影响，以便更为准确地反映地表物体的实际情况。[0020]2缨帽变换缨帽变换系数和波段范围、中心波长、成像方式等因素有关，因此，不同的传感器对应不同的缨帽变换系数。本实施例所用数据为Landsat8OLI卫星遥感图像，所对应缨帽变换系数如下表所示。[0021]表ILandsat8OLI缨帽变换系数利用表1所示缨帽变换系数对预处理后卫星遥感图像进行缨帽变换，分别得到亮度分量、绿度分量、湿度分量，结果如6-11所示。[0022]3水体信息提取在缨帽变换的基础上，本实施例综合利用绿度分量和湿度分量进行水体信息提取，包括水体信息粗提取和水体信息后处理两步。首先，利用缨帽变换后绿度分量和湿度分量进行阈值分割，所用公式如下所示：其中，Iwate3r表示使用绿度分量和湿度分量进行阈值分割后的粗水体信息，1^__和Iiretne3ss分别表示缨帽变换后绿度分量和湿度分量。[0023][0024]然后，利用数学形态学运算对水体信息粗提取结果进行开启和闭合运算，以填充水体内部孔洞，去除悬浮泥沙等地物的影响。其中，开启运算用于去除斑点噪声，闭合运算用于去除细小孔洞和裂缝。[0025]⑷洪水淹没范围提取对灾前、灾后水体信息进行空间叠加分析，得到洪水淹没范围，结果如图12所示。[0026]5精度评价精度评价通过定性评价来实现。从边界、位置等方面判断洪水淹没范围提取结果的准确性和可靠性。通过将洪水淹没提取结果与原始图像进行空间叠加分析，可以发现，洪水淹没范围被较好地提取了出来，并且边界清晰，位置准确。[0027]通过以上的实施例1或2的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质可以是CD-R0M，U盘，移动硬盘等）中，包括若干指令用以使得一台计算机设备可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等执行本发明各个实施例所述的方法。[0028]本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。[0029]以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取装置，其特征在于:包括：数据输入输出模块:用于栅格格式和矢量格式数据的输入输出；遥感图像预处理模块:用于实现辐射定标和大气校正操作；缨帽变换模块：用于实现1^11183丨5、1^11183丨7、1^11183丨8、110勵3等卫星的缨帽变换；水体信息提取模块:用于实现水体信息粗提取、水体信息提取后处理；洪水淹没范围提取模块：用于实现洪水发生前、后遥感图像水体信息提取结果的空间叠加分析。2.根据权利要求1所述一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取装置，其特征在于:所述数据输入输出模块包括灾害前、后卫星遥感图像的输入和洪水淹没范围数据的输出。3.根据权利要求1所述一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取装置，其特征在于:所述图像预处理模块包括对灾害前、后卫星遥感图像进行辐射定标和大气校正。4.根据权利要求1所述一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取装置，其特征在于:所述缨帽变换模块为:利用卫星传感器所对应的缨帽变换系数，对洪水发生前、后卫星遥感图像进行缨帽变换，分别得到亮度分量、绿度分量、湿度分量、黄度分量及噪声数据。5.根据权利要求1所述一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取装置，其特征在于:所述水体信息提取模块包括水体信息粗提取和水体信息提取后处理两部分。6.—种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取方法，其特征在于:所述信息提取方法包括以下步骤：1图像预处理:收集灾害前、后卫星遥感图像，根据实际情况，对洪水发生前、后卫星遥感图像进行辐射定标和大气校正，得到具有明确物理含义的反射率数据；2缨帽变换：利用卫星传感器所对应的缨帽变换系数，对洪水发生前、后卫星遥感图像进行缨帽变换，分别得到亮度分量、绿度分量、湿度分量、黄度分量及噪声数据；3水体信息提取:利用直方图峰值法，分别设定湿度分量阈值和绿度分量阈值;利用设定阈值进行图像分割，得到水体信息粗提取结果，既可以获取高含水量地物信息，又可以去除浓密植被的影响；利用数学形态学对水体信息粗提取结果进行开启和闭合运算，得到最终水体信息提取结果；4洪水淹没范围提取:利用地理信息空间分析方法，对洪水发生前、后遥感图像的水体信息提取结果进行空间叠加分析，得到洪水淹没范围；5精度评价:对结果定性评价，以验证方法的准确性和有效性。7.根据权利要求6所述一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取方法，其特征在于:所述开启运算用于去除斑点噪声，闭合运算用于去除细小孔洞和裂缝。8.根据权利要求6所述一种基于缨帽变换的洪水淹没范围遥感信息提取方法，其特征在于:所述定性评价是将洪水淹没范围遥感信息提取结果与原始图像进行空间叠加，通过目视观察，从形状、重叠范围方面判断结果优劣。

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