CN108981658B - 一种基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法，所述方法包括：步骤1)基于两通道相干系数图像提取河流掩模的二值图像；步骤2)对河流掩模的二值图像沿河流进行中心区域的提取，获得河流掩模中心图像；步骤3)对两通道复图像的干涉相位进行处理，反演得到数字高程模型图像，与河流掩模中心图像相乘得到河流高程图像；步骤4)剔除河流高程图像的河流高度观测值中的奇异点，然后对河流高度观测值沿河流进行滑窗平均，得到平滑后的河流高程图像；步骤5)从平滑后的河流高程图像提取河流水表面高程值。本发明的方法提高河流高程的提取精度，便于实现，有利于开展对河流水位监测的推广应用。

Description

一种基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法

技术领域

本发明涉及干涉信息提取技术与图像处理技术领域，特别是针对小入射角、短基线星载干涉成像高度计，可实现该类高度计数据产品的河流水面高程提取，具体涉及一种基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法。

背景技术

在全球变化科学研究中，内陆水域水位的动态监测是理解全球水循环过程不可或缺的一环。人类逐水而居，河流是一种重要的淡水资源，也是生态和环境保护的重点之一。在水文研究中，河流水位是最基本和关键的观测量之一。传统上使用现场测量设备(如水位计等)提供河流水位等信息，但使用稀疏的现场测量数据难以对全球内陆水域的变化进行估计，因此有必要利用遥感手段对内陆水位进行监测。与传统观测相比，通过星载高度计从局部到全球范围来监测河流水位是一个很有前途的技术。

由于传统星载高度计(入射角为0°)的刈幅较窄，星下点分布稀疏，对内陆水域的覆盖有限；而通常干涉合成孔径雷达(SAR)入射角一般在20°～60°，在内陆水域的河流高程提取方面的研究几乎是空白。由中国科学院国家空间科学中心研制的干涉成像高度计(又称为三维成像微波高度计)采用小角度干涉测量技术、孔径合成技术以及海陆兼容的高度跟踪技术实现宽刈幅海面高度测量的雷达高度计，于2016年9月15日随天宫二号空间实验室发射升空。天宫二号干涉成像高度计是一种新型高度计，因采用小入射角(1～8°)和短基线(B/H≈5e-6～1e-5，B为基线长度，H为轨道高度)干涉模式，可实现远比传统高度计宽的观测刈幅，同时具备对海平面高度和陆表水体高度(较大的江河湖泊)的测量能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有水位监测技术存在的上述缺陷，基于小入射角、短基线干涉成像高度计图像中水体比陆地显示出更高相干性的特点，提出了一种河流水面高程提取方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法，所述方法包括：

步骤1)基于两通道相干系数图像提取河流掩模的二值图像；

步骤2)对河流掩模的二值图像沿河流进行中心区域的提取，获得河流掩模中心图像；

步骤3)对两通道复图像的干涉相位进行处理，反演得到数字高程模型图像，与河流掩模中心图像相乘得到河流高程图像；

步骤4)剔除河流高程图像的河流高度观测值中的奇异点，然后对河流高度观测值沿河流进行滑窗平均，得到平滑后的河流高程图像；

步骤5)从平滑后的河流高程图像提取河流水表面高程值。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)对两通道复图像进行配准；

步骤1-2)计算配准后的两通道复图像I₁和I₂的相干系数ρ，得到相干系数图像；

其中，上标*为I的共轭复数，E()是集平均运算符，表示在像素的邻域进行均值计算；

步骤1-3)选定河流水域，对水体数据进行统计分析获得统计分析结果：河流水体数据的均值μ和标准差δ；

步骤1-4)利用选定河流水域的统计分析结果，设置先验阈值，运用区域生长算法对相干系数图像进行河流的水陆分离，提取河流掩模的二值图像。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)利用数学形态学运算中的膨胀和腐蚀运算，对提取的河流掩模的二值图像进行填补缺口和消除小于计算结构元素的处理；

步骤2-2)运用边缘检测算子对步骤2-1)处理后的图像做河流边缘检测，获得的河流边缘；

步骤2-3)根据获得的河流边缘来提取二值图像中河流水域的中心区域，获得河流掩模中心图像。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)对两通道复图像的干涉相位进行去地平、相位解缠和基线参数估计处理，实现相位差到高程的转换，反演出数字高程模型图像；

步骤3-2)将步骤2)获得的河流掩模中心图像与数字高程模型图像相乘，获得河流高程图像。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)利用统计获得的σ₀阈值剔除河流高程图像中的河流高度观测值的奇异点；

步骤4-2)使用沿着河流方向的滑窗对步骤4-1)处理后的河流高程图像进行平滑：

其中，滑窗的窗口大小为M*N，I(i,j)为滑窗平均前的河流高程图像(i,j)处的高程，为滑窗平均后的河流高程图像(x,y)处的高程。

作为上述方法的一种改进，所述步骤5)具体包括：

步骤5-1)对平滑后的河流高程图像的河流高度观测值沿河流方向进行每个经度位置的平均，得到平均值；

步骤5-2)对平均值进行直线拟合，该条拟合的直线为提取的河流水表面高程值。

本发明的优势在于：

1、基于小入射角、短基线干涉成像高度计图像中水体比陆地显示出更高相干性的特点，本发明提供了一种基于星载干涉成像高度计观测数据的河流水面高程提取方法；在没有水文河流掩模数据的情况下，该方法仅使用干涉成像高度计的观测数据，便实现了对河流高程的提取，有利于开展对河流水位监测的推广应用；

2、由于星载干涉成像高度计河流回波信号经常会被河岸的陆地散射所污染，本发明采用数学形态学的膨胀和腐蚀级联处理河流掩模图像，再进行边缘检测来提取河流掩模图像中心区域的具体方法，有利于去掉大部分被陆地散射污染的河流数据样本，提高河流高程的提取精度。

附图说明

图1为Bing Maps显示的研究区域；

图2为本发明的基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法的流程图；

图3为研究区域的天宫二号干涉成像高度计两通道复图像的相干系数图像；

图4为基于研究区域两通道相干系数图像提取的江西省境内长江的九江段掩模图像；

图5为基于掩模图像提取的河流中心区域图像；

图6为研究区域的天宫二号干涉成像高度计两通道干涉相位反演的DEM(DigitalElevation Model，数字高程模型)图像；

图7为研究区域的天宫二号干涉成像高度计的σ₀图像；

图8为去除奇异值后的研究区域水面高度观测值图像；

图9为天宫二号干涉成像高度计观测数据的研究区域WSE(Water SurfaceElevation，水表面高程值)提取结果图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明提出一种基于小入射角、短基线星载干涉成像高度计观测数据的河流水面高程提取方法。本实施例的数据是天宫二号干涉成像高度计的双通道数据，获取日期为2017年12月，数据包含江西省境内长江的一部分(东经115.68°-115.90°E和北纬29.68°-29.88°N)。长江是中国第一大长河，世界第三长河，发源于中国西部的青海省唐古拉山脉，自西向东流经了十一个省市，最终汇入中国东海(上海)，研究区域请见图1。下面结合研究区域数据对实施步骤进行进一步阐述。

如图2所示，本发明提供的一种基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法，该方法具体包括：

步骤一：基于天宫二号干涉成像高度计的两通道相干系数图像提取河流掩模

步骤1A：两通道复图像配准，便于后续的两通道复图像进行干涉相位的提取；

步骤1B：计算配准后的两通道复图像相干系数ρ，研究区域的干涉成像高度计相干系数图像请见图3，可见对于大部分水体:ρ>0.98；

其中上标*为I的共轭复数，E()是集平均运算符，即在像素的邻域进行均值计算；

步骤1C：选取河流水域，并进行统计分析获得了研究区域水体数据的均值μ和标准差δ；

步骤1D：设置先验阈值，选取种子点，运用区域生长法对相干系数图像提取河流掩模二值图像。提取的结果请见图4。

步骤二：对河流掩模的二值图像沿河流进行中心区域的提取

步骤2A：对上图的掩模二值图像，先进行膨胀运算，后进行腐蚀运算，采用的结构元素的大小为3*3的圆盘结构；

步骤2B：运用边缘检测算子对上步处理后的图像做边缘检测；

步骤2C：根据获得的边缘来提取二值图像中河流水域的中心区域，基于河流掩模图像提取的河流中心区域图像请见图5。

步骤三：基于天宫二号干涉成像高度计研究区域的河流水面高程图像的形成

步骤3A：经过对天宫二号干涉成像高度计两通道干涉相位进行去地平、相位解缠和基线参数估计等一系列处理，实现了相位差到高程的转换，DEM图像的反演结果请见图6；

步骤3B：将上面获得的河流掩模中心图像与DEM图像相乘，获得研究区域的长江高程图像。

步骤四：研究区域的河流高度观测值中奇异点的去除

步骤4A：天宫二号干涉成像高度计后向散射系数图像请见图6，经过统计分析：大部分水体经常是亮的(σ₀＞9dB)，大部分陆地经常是暗的(σ₀＜0dB)；如图7所示；

步骤4B：利用σ₀＞9dB的条件，进一步剔除河流水面高度观测值中的奇异点，去除奇异值后的研究区域河流水面高度观测值图像请见图8。

步骤五：对河流水面高度观测值沿河流进行滑窗平均

为了减少噪声和其他误差的影响，使用沿着河流方向的滑窗平均。算法表示如下：

其中，滑窗的窗口大小为M*N，滑窗的窗口大小为M*N，I(i,j)为滑窗平均前的河流高程图像(i,j)处的高程，为滑窗平均后的河流高程图像(x,y)处的高程。

步骤六：研究区域河流水表面高程值(WSE)的提取

步骤6A：对平滑后的河流高度观测值结果沿河流方向进行每个经度位置的平均；

步骤6B：对平均值进行直线拟合，这条拟合直线即为从天宫二号干涉成像高度计研究区域的观测数据提取的河流水表面高程值，WSE提取结果请见图9。

本实施例的结果如下：该段河流水表面高程值拟合直线的初步结果符合中国西高东低的水文地理特征，与长江从西向东的流向趋势基本一致，该实施例结果表明了本发明提取方法的有效性。

综上所述，本发明能够有效地提取小入射角、短基线星载干涉成像高度计观测数据的河流水面高程。由于该类高度计采用了小入射角和短基线干涉模式，因此其水体比陆地有更高的相干系数和后向散射系数，以此为基础，利用两通道相干系数图像提取了河流掩模，并通过基于水体散射特征的后续处理步骤，实现了天宫二号干涉成像高度计观测数据研究区域的河流水体高程的提取。如果后续能获得研究区域的天宫二号干涉成像高度计多次观测数据，可以开展天宫二号干涉成像高度计对长江的河流水体高程变化监测的应用。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法，所述方法包括：

步骤1)基于两通道相干系数图像提取河流掩模的二值图像；

步骤2)对河流掩模的二值图像沿河流进行中心区域的提取，获得河流掩模中心图像；

步骤3)对两通道复图像的干涉相位进行处理，反演得到数字高程模型图像，与河流掩模中心图像相乘得到河流高程图像；

步骤4)剔除河流高程图像的河流高度观测值中的奇异点，然后对河流高度观测值沿河流进行滑窗平均，得到平滑后的河流高程图像；

步骤5)从平滑后的河流高程图像提取河流水表面高程值。

2.根据权利要求1所述的基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)对两通道复图像进行配准；

步骤1-2)计算配准后的两通道复图像I₁和I₂的相干系数ρ，得到相干系数图像；

其中，上标*为I的共轭复数，E()是集平均运算符，表示在像素的邻域进行均值计算；

步骤1-3)选定河流水域，对水体数据进行统计分析获得统计分析结果：河流水体数据的均值μ和标准差δ；

步骤1-4)利用选定河流水域的统计分析结果，设置先验阈值，运用区域生长算法对相干系数图像进行河流的水陆分离，提取河流掩模的二值图像。

3.根据权利要求2所述的基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)利用数学形态学运算中的膨胀和腐蚀运算，对提取的河流掩模的二值图像进行填补缺口和消除小于计算结构元素的处理；

步骤2-2)运用边缘检测算子对步骤2-1)处理后的图像做河流边缘检测，获得的河流边缘；

步骤2-3)根据获得的河流边缘来提取二值图像中河流水域的中心区域，获得河流掩模中心图像。

4.根据权利要求3所述的基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)对两通道复图像的干涉相位进行去地平、相位解缠和基线参数估计处理，实现相位差到高程的转换，反演出数字高程模型图像；

步骤3-2)将步骤2)获得的河流掩模中心图像与数字高程模型图像相乘，获得河流高程图像。

5.根据权利要求4所述的基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)利用统计获得的σ₀阈值剔除河流高程图像中的河流高度观测值的奇异点；所述σ₀阈值的取值范围为：σ₀＞9dB；经过统计分析：大部分水体经常是亮的：σ₀＞9dB，大部分陆地经常是暗的：σ₀＜0dB；

步骤4-2)使用沿着河流方向的滑窗对步骤4-1)处理后的河流高程图像进行平滑：

其中，滑窗的窗口大小为M*N，I(i,j)为滑窗平均前的河流高程图像(i,j)处的高程，为滑窗平均后的河流高程图像(x,y)处的高程。

6.根据权利要求4或5所述的基于星载干涉成像高度计的河流水面高程提取方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括：

步骤5-1)对平滑后的河流高程图像的河流高度观测值沿河流方向进行每个经度位置的平均，得到平均值；

步骤5-2)对平均值进行直线拟合，该条拟合的直线为提取的河流水表面高程值。