RU2750853C1 - Method for determining the boundaries of water bodies and areas of distribution of semi-aquatic species based on multispectral data of remote sensing of the earth - Google Patents

Method for determining the boundaries of water bodies and areas of distribution of semi-aquatic species based on multispectral data of remote sensing of the earth Download PDF

Info

Publication number
RU2750853C1
RU2750853C1 RU2020128629A RU2020128629A RU2750853C1 RU 2750853 C1 RU2750853 C1 RU 2750853C1 RU 2020128629 A RU2020128629 A RU 2020128629A RU 2020128629 A RU2020128629 A RU 2020128629A RU 2750853 C1 RU2750853 C1 RU 2750853C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water
earth
distribution
boundaries
image
Prior art date
Application number
RU2020128629A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Вячеславович Бочаров
Игорь Николаевич Межеумов
Олег Алексеевич Тихомиров
Светлана Дмитриевна Хижняк
Павел Михайлович Пахомов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет"
Priority to RU2020128629A priority Critical patent/RU2750853C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2750853C1 publication Critical patent/RU2750853C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C13/00Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30Assessment of water resources

Abstract

FIELD: environmental studies.SUBSTANCE: invention relates to the field of environmental studies and concerns a method for identifying the boundaries of water bodies and areas of distribution of semi-aquatic species based on multispectral data of remote sensing of the Earth. The method includes radiometric calibration of the image of the earth’s surface with the reduction of brightness values to energy brightness, atmospheric correction with the translation of pixel values from energy brightness to reflectivity coefficients from 0 to 1. The selection of the land surface is carried out by selecting the pixels of the image for which the reflection coefficient value exceeds 0.15 in the near infrared region. The selection of a clean water surface is carried out by selecting the pixels of the image for which the parameter determined by the ratio of the reflectivity coefficientsis greater than 1.EFFECT: increased efficiency of determining the boundaries of water bodies and the allocation of zones of distribution of semi-aquatic species.1 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к способам определения местоположения береговой линии, границы водного объекта и зон распространения воздушно-водной растительности.The invention relates to methods for determining the location of the coastline, the boundary of a water body and zones of distribution of air-water vegetation.

Для кадастрового учета, а также исследования водоемов, в особенности прибрежных экотоных зон, существует необходимость точного выделения действительных границы береговой линии. Экотоная зона - зона между сущей и водой зачастую занята водной растительностью, что усложняет выделение границ объектов. При этом воздушно-водная растительность, зачастую простирается на сотни метров от береговой линии. Водная растительность, играет значительную роль в регулирование процессов, в занятых ей местах обитая. Она защищают береговые линии от эрозии, улавливает взвешенные твердые частицы, производит выделение большого количества углерода и азота. Выделение ареалов распространения водной растительности достаточно важная задача для оценки состояния, динамики развития и определения устойчивости экосистем водных объектов. For cadastral registration, as well as for the study of water bodies, especially coastal ecotone zones, there is a need to accurately identify the actual boundaries of the coastline. Ecotone zone - the zone between the present and the water is often occupied by aquatic vegetation, which complicates the selection of the boundaries of objects. At the same time, air-water vegetation often extends hundreds of meters from the coastline. Aquatic vegetation plays a significant role in the regulation of the processes inhabited by it. It protects coastlines from erosion, traps suspended solids, and emits large amounts of carbon and nitrogen. Identifying the areas of distribution of aquatic vegetation is a rather important task for assessing the state, dynamics of development and determining the stability of ecosystems of water bodies.

Известны три наиболее распространенные способа определения границы водного объекта и зон распространения воздушно-водной растительности по многоспектральным данным дистанционного зондирования Земли: визуальное дешифрирование, кластеризации снимка, классификация на основе индексных изображений.There are three most common methods for determining the boundary of a water body and zones of distribution of air-water vegetation using multispectral data of remote sensing of the Earth: visual interpretation, image clustering, classification based on index images.

1. Визуальное дешифрирование космических снимков оператором. Это наиболее простой способ, не требующий специализированного программного обеспечения и квалификации оператора. Недостатками указанного способа являются: низкая точность результатов и высокая трудоемкость при больших размерах объектов.1. Visual interpretation of space images by the operator. This is the simplest method that does not require specialized software and operator qualifications. The disadvantages of this method are: low accuracy of the results and high labor intensity with large sizes of objects.

2. Кластеризации снимка с использованием специализированных алгоритмов. Известны два алгоритма кластеризации: «без обучения», например, ISODATA, и «с обучением», например, методы: минимального расстояния, максимального правдоподобия, спектральной корреляции SAM и др. Суть методов заключается в разделение точек двумерного пространства на подмножества - кластеры, связанные определенным свойством. Результатами реализации известных способов являются тематические изображения, классы которых соотносят с группами объектов на земной поверхности. Известные способы позволяет получать результаты с высокой степенью автоматизации их алгоритмов.2. Clustering a snapshot using specialized algorithms. There are two known clustering algorithms: "without training", for example, ISODATA, and "with training", for example, methods: minimum distance, maximum likelihood, spectral correlation SAM, etc. The essence of the methods consists in dividing points of a two-dimensional space into subsets - clusters connected a certain property. The results of the implementation of the known methods are thematic images, the classes of which are correlated with groups of objects on the earth's surface. The known methods allow obtaining results with a high degree of automation of their algorithms.

Недостатками известных способов являются: неконтролируемость результатов при использовании классификации без обучения, а также выбор подходящих контрольных полигонов при использовании кластеризации с обучением.The disadvantages of the known methods are: uncontrollability of results when using classification without training, as well as the choice of suitable control polygons when using clustering with training.

3. Классификация на основе индексных изображений, получаемых путем обработки многоспектральных космических снимков. Наиболее популярными известными способами классификации на основе индексных изображений являются: нормализованный вегетационный индекс (NDVI); почвенный вегетационный индекс (SAVI); нормализованный разностный водный индекс (NDWI) и др. В известных способах классификация объектов производится на основании значений пикселей индексных изображений объектов. Известные способы достаточно удобны и являются наиболее распространенными. К тому же некоторые многоспектральные данные дистанционного зондирования Земли поставляются с рассчитанными значениями NDVI. Недостатками известных способов являются: невозможность контролировать классификацию, а также не эффективность при выделении экотоных зон между водной поверхностью и сушей.3. Classification based on index images obtained by processing multispectral satellite images. The most popular known classification methods based on index images are: normalized vegetation index (NDVI); soil vegetation index (SAVI); normalized differential water index (NDWI), etc. In the known methods, the classification of objects is based on the pixel values of the index images of the objects. The known methods are quite convenient and are the most common. In addition, some multispectral Earth remote sensing data are supplied with calculated NDVI values. The disadvantages of the known methods are: the inability to control the classification, as well as inefficiency in the allocation of ecotone zones between the water surface and land.

Наиболее близким по технической сущности аналогом к заявляемому изобретению является способ оценки уровня загрязнения акваторий по гиперспектральным данным аэрокосмического зондирования RU 2616716, опубл. 18.04.2017[1], который заключается в последовательной реализации следующих операций:The closest in technical essence analogue to the claimed invention is a method for assessing the level of pollution of water areas according to hyperspectral aerospace sensing data RU 2616716, publ. 04/18/2017 [1], which consists in the sequential implementation of the following operations:

- вычисление признаков кластеров водной поверхности, относящихся к мощным пленкам нефтепродуктов с толщиной пленки более 0,2 мм и крупнодисперсной взвеси с концентрацией более 200 мг/л;- calculation of signs of water surface clusters related to thick films of oil products with a film thickness of more than 0.2 mm and a coarse suspension with a concentration of more than 200 mg / l;

- исключение областей чистой воды по интегральному показателю отражения во всем анализируемом диапазоне спектра;- exclusion of areas of pure water by the integral reflection index in the entire analyzed range of the spectrum;

- использование полуаналитического подхода для расчета концентрации взвешенных минеральных веществ и хлорофилла «а» по регрессионным зависимостям в спектральных полосах, соответствующих максимальной вариации значений яркости под воздействием взвеси и поглощению излучения хлорофиллом;- the use of a semi-analytical approach to calculate the concentration of suspended minerals and chlorophyll "a" from regression dependences in spectral bands corresponding to the maximum variation in brightness values under the influence of suspension and absorption of radiation by chlorophyll;

- формирование признакового пространства для выделения тонких пленок нефтепродуктов от участков интенсивного распространения хлорофилла «а» и сегментация участков взвесей на фоне мелководья;- the formation of a feature space for the separation of thin films of oil products from areas of intensive distribution of chlorophyll "a" and segmentation of areas of suspended matter against the background of shallow water;

- классификация водной поверхности в созданном признаковом пространстве.- classification of the water surface in the created feature space.

Способ состоит в определении контуров и параметров загрязнений по отражательным характеристикам водной поверхности, отличающийся тем, что расчет признаков осуществляется одновременно в спектральных каналах, соответствующих максимальной величине обратного рассеивания взвешенными частицами, полосам поглощения органических примесей в виде фитопланктона, интервалам, близким к максимуму возбуждения люминесцентного свечения нефтяными фракциями в коротковолновой части видимого диапазона спектра, и имеющих ширину от нескольких до десятков нанометров.The method consists in determining the contours and parameters of pollution by the reflective characteristics of the water surface, characterized in that the calculation of features is carried out simultaneously in spectral channels corresponding to the maximum value of backscattering by suspended particles, absorption bands of organic impurities in the form of phytoplankton, intervals close to the maximum excitation of luminescent luminescence oil fractions in the short-wave part of the visible range of the spectrum, and having a width from several to tens of nanometers.

Недостатками ближайшего аналога являются:The disadvantages of the closest analogue are:

- ограниченная возможность использования, ввиду ограниченной доступности к получению гиперспектральных изображений со спектральным разрешением не хуже 5-10 нм, тем более в оперативном режиме;- limited use, due to the limited availability of hyperspectral images with a spectral resolution of at least 5-10 nm, especially in online mode;

- реализация способа в виде программного комплекса с высокой степенью автоматизации процесса тематической обработки гиперспектральных данных, что в условиях недостаточной квалификации оператора либо слабого контроля получаемой информации создает условия для получения ложных результатов,- implementation of the method in the form of a software package with a high degree of automation of the process of thematic processing of hyperspectral data, which, in conditions of insufficient operator qualifications or poor control of the information received, creates conditions for obtaining false results,

- отсутствие учета влияния водной растительности в качестве фактора неоднородностей водной поверхности.- lack of consideration of the influence of aquatic vegetation as a factor in the heterogeneity of the water surface.

Описание способаMethod description

Целью изобретения является повышение эффективности определения границ водных объектов и выделения зон распространения воздушно-водной растительности.The aim of the invention is to improve the efficiency of determining the boundaries of water bodies and the allocation of zones of distribution of air-water vegetation.

Заявляемый способ иллюстрируется Фиг. 1-10.The inventive method is illustrated in FIG. 1-10.

Фиг. 1. Характерные коэффициенты отражения водной поверхности и суши (по снимку Landsat).FIG. 1. Typical reflection coefficients of the water surface and land (according to the Landsat image).

Фиг. 2. Пример расчета границ водоема на основе деления пикселей ИК-канала по пороговому значению коэффициентов отражения. а) профиль прибрежной зоны на снимке Landsat в ИК-канале; б) график значений коэффициентов отражения прибрежной зоны в ИК-канале; в) пример распределения значений пикселей на участке прибрежной зоны в ИК-канале.FIG. 2. An example of calculating the boundaries of a reservoir based on dividing the pixels of the IR channel by the threshold value of the reflection coefficients. a) profile of the coastal zone in the Landsat image in the IR channel; b) a graph of the values of the reflection coefficients of the coastal zone in the IR channel; c) an example of the distribution of pixel values in the coastal zone in the IR channel.

Фиг. 3. Коэффициенты отражения водной поверхности и водной растительности.FIG. 3. Reflection coefficients of water surface and aquatic vegetation.

Фиг. 4. Оптические параметры модели атмосферы для условий лета в средних широтах. а) Коэффициент пропускания электромагнитного излучения; б) светимость самой атмосферыFIG. 4. Optical parameters of the atmospheric model for summer conditions at mid-latitudes. a) The transmittance of electromagnetic radiation; b) the luminosity of the atmosphere itself

Фиг. 5. Границы водных объектов, выделенные по снимку LandsatFIG. 5. Boundaries of water bodies, highlighted by Landsat image

Фиг. 6. Пример выделения по космическому снимку Landsat-8 областей распространения воздушно-водной растительности (4 июля 2015 г., Волжский плес, район пос. Старое Мелково).FIG. 6. An example of identifying areas of distribution of aerial-aquatic vegetation based on the Landsat-8 satellite image (July 4, 2015, Volzhsky reach, area of the village of Staroe Melkovo).

Фиг. 7. Алгоритм определения зон распространения воздушно-водной растительности по данным сенсора Landsat-8.FIG. 7. Algorithm for determining the distribution zones of air-water vegetation according to the Landsat-8 sensor data.

Фиг. 8. Спектральные кривые в виде «сырых значений» яркости (DN).FIG. 8. Spectral curves in the form of "raw values" brightness (DN).

Фиг. 9. Спектральные кривые после радиометрической калибровки в виде значений энергетической яркости.FIG. 9. Spectral curves after radiometric calibration in the form of radiance values.

Фиг. 10. Спектральные кривые после атмосферной коррекции в виде коэффициентов отражения.FIG. 10. Spectral curves after atmospheric correction in the form of reflection coefficients.

Заявляемый способ базируется на использовании многоспектральных данных дистанционного зондирования Земли, а именно многоспектральных снимков спутника Landsat-8. Это свободно распространяемые данные. Они размешаются в открытом доступе на серверах Геологической службы США. Также заявляемый способ может быть использован для обработки данных дистанционного зондирования Земли с других сенсоров производящих съемку поверхности Земли в красном и ближнем ИК-участках спектра.The inventive method is based on the use of multispectral data of remote sensing of the Earth, namely multispectral images of the Landsat-8 satellite. This is free data. They are placed in the public domain on the servers of the US Geological Survey. Also, the inventive method can be used for processing data of remote sensing of the Earth from other sensors producing images of the Earth's surface in the red and near-IR spectral regions.

Известно, что вода поглощает электромагнитное излучение в ИК диапазоне, поэтому этот участок спектра выбран для определения границы между сушей и водными объектами, которые не очевидно различимы в видимом свете Фиг. 1. Наилучшее контрастирование водной поверхности и суши наблюдается при проведении сравнения их коэффициентов отражения в ближнем ИК-диапазоне. Так для многоспектральных снимков спутника Landsat-8 выбран 5-й канал 0,845-0,885 мкм. А для определения границ (создания маски) водоема предлагается использовать разделение пикселей снимка по значению отражательной способности в ближнем ИК диапазоне на группы, соответствующие воде и суше.It is known that water absorbs electromagnetic radiation in the infrared range, therefore, this part of the spectrum is chosen to determine the boundary between land and water bodies, which are not clearly distinguishable in visible light. FIG. 1. The best contrasting of the water surface and land is observed when comparing their reflection coefficients in the near infrared range. So for multispectral images of the Landsat-8 satellite, the 5th channel 0.845-0.885 microns is selected. And to determine the boundaries (create a mask) of the reservoir, it is proposed to use the division of the image pixels according to the reflectance value in the near infrared range into groups corresponding to water and land.

Расчет порогового значения между группами пикселей производится на основе профилей переходной зоны. Для расчета порогового значения при помощи ГИС-редактора составляется несколько графиков профилей прибрежной зоны в ближнем ИК-диапазоне, содержащих береговую и водную поверхности Фиг. 2а. Использование нескольких профилей позволяет повысить репрезентативность получаемых данных. Еще более информативным для определения порогового значения между сушей и водоемом является использование распределения значений отражательной способности пикселей для полигонального участка прибрежной зоны Фиг. 2в. Этот подход отличается трудоемкостью, поэтому в заявленном способе он используется как дополнительный. На Фиг. 2б и Фиг. 2в наблюдаем, что пиксели космического снимка, соответствующие водной поверхности, в ближнем ИК диапазоне имеют низкую отражательную способность, в то время как пиксели соответствующие суше характеризуются более высоким коэффициентом отражения. Опытным путем установлено, что в большинстве случаев, для Европейской части России, пороговое значение коэффициента отражения в ближнем ИК диапазоне между пикселями спутниковых снимков соответствующих суши и водной поверхности составляет около 0,15 в ближней инфракрасной области. В необходимости использования заявляемого способа для других территорий, пороговое значение может быть откорректировано, чтоб соответствовать местным условиям, но следует учитывать, что оно должно находиться в интервале от 0,1 до 0,2. Так как значение коэффициента отражения пикселя спутникового снимка в ближнем ИК диапазоне ниже 0,1 однозначно относит его к чистой водной поверхности, а значение выше 0,2 - к суше. При этом пиксели, имеющие в ближнем ИК диапазоне отражательную способность, меньше порогового показателя интерпретируются как поверхность занятая водой и водой растительностью.The calculation of the threshold value between groups of pixels is based on the profiles of the transition zone. To calculate the threshold value, using a GIS editor, several near-infrared profiles of the coastal zone are plotted, containing the coastal and water surfaces. FIG. 2a. The use of multiple profiles allows you to increase the representativeness of the data obtained. Even more informative for determining the land-water threshold is to use the distribution of the pixel reflectivity values for the coastal polygonal portion of FIG. 2c. This approach is laborious, therefore, in the claimed method, it is used as an additional one. FIG. 2b and FIG. 2c, we observe that the pixels of the satellite image corresponding to the water surface in the near infrared range have a low reflectivity, while the pixels corresponding to the land are characterized by a higher reflectivity. It has been experimentally established that in most cases, for the European part of Russia, the threshold value of the reflection coefficient in the near infrared range between the pixels of satellite images of the corresponding land and water surface is about 0.15 in the near infrared range. In the need to use the proposed method for other territories, the threshold value can be adjusted to correspond to local conditions, but it should be borne in mind that it should be in the range from 0.1 to 0.2. Since the value of the reflection coefficient of a satellite image in the near-infrared range is below 0.1, it unambiguously relates it to a clean water surface, and a value above 0.2 - to land. In this case, pixels having a reflectivity in the near-infrared range less than the threshold value are interpreted as a surface occupied by water and water by vegetation.

Воздушно-водная растительность, как правило, располагается в прибрежной мелководной зоне, и задача ее определения, по данным космической съемки, сводится к разделению смежных пикселей между чистой водной поверхностью и сушей. На основании космических снимков и полевых обследований, выявлены индивидуальные спектральные характеристики зон развития воздушно-водной растительности. Идентификация данных зон во внутренних водоемах усложняются большим количеством примесей в водах, что делает спектры отражения водных масс и отражения водной растительности сходными. Исследования показали, что присутствие водной растительности проявляется в повышение значений отражательной способности пикселя спутникового снимка в видимом и ближнем ИК-диапазонах Фиг. 3. Для многоспектральных снимков спутника Landsat-8 наиболее значительное увеличение отражательной способности ареалов воздушно-водной растительности наблюдается в 5 канале 845-885 нм.Air-aquatic vegetation, as a rule, is located in the coastal shallow-water zone, and the task of determining it, according to satellite imagery data, is reduced to the separation of adjacent pixels between a clean water surface and land. On the basis of satellite images and field surveys, the individual spectral characteristics of the zones of development of air-water vegetation have been revealed. The identification of these zones in inland water bodies is complicated by the large amount of impurities in the waters, which makes the reflection spectra of water masses and the reflection of aquatic vegetation similar. Studies have shown that the presence of aquatic vegetation manifests itself in an increase in the reflectivity of the pixel of the satellite image in the visible and near infrared ranges. 3. For multispectral images of the Landsat-8 satellite, the most significant increase in the reflectivity of aerial-aquatic vegetation areas is observed in channel 5 at 845-885 nm.

Но в тоже время увеличение отражательной способности во внутренних водоемах, относительно вод без существенного количества примесей, может быть обусловлено повышением концентрации хлорофилла и/или показателя мутности Фиг. 3.But at the same time, an increase in the reflectivity in inland waters, relative to waters without a significant amount of impurities, may be due to an increase in the concentration of chlorophyll and / or the turbidity index. 3.

Экспериментально установлено, что наиболее характерной особенностью зон развития воздушно-водной растительности, является превышение значений отражательной способности пикселя спутникового снимка в ближнем ИК-диапазоне - 5 канал многоспектральных снимков спутника Landsat-8 845-885 нм над значениями отражательной способности в красном участке видимого диапазона - 4 канал многоспектральных снимков спутника Landsat-8 630-680 нм. Поэтому для выделения ареалов распространенности воздушно-водной растительности эффективно использовать оценку значений пикселей снимков в красном участке спектра относительно значений для них в ближнем ИК диапазоне. Для выделения ареалов воздушно-водной растительности можно оценивать участок спектра 630 - 885 нм. Выделение чистой водной поверхности предлагается осуществлять за чет выделения пикселей снимка для которых параметр определяемый соотношением коэффициентов отражательной способности (k) который рассчитывается по следующей формуле:It has been experimentally established that the most characteristic feature of the zones of development of air-water vegetation is the excess of the reflectivity of the satellite image pixel in the near infrared range - channel 5 of multispectral images of the Landsat-8 satellite 845-885 nm over the reflectivity values in the red part of the visible range - 4 channel of multispectral images of the Landsat-8 satellite 630-680 nm. Therefore, to identify the areas of distribution of air-water vegetation, it is effective to use the estimate of the values of the pixels in the images in the red part of the spectrum relative to the values for them in the near-IR range. To distinguish the areas of aerial-aquatic vegetation, it is possible to estimate the 630 - 885 nm portion of the spectrum. The selection of a clean water surface is proposed to be carried out by means of the selection of image pixels for which the parameter is determined by the ratio of the reflectance coefficients (k), which is calculated by the following formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

если k<1, то значения пикселя относятся к воздушно-водной растительности, если k>1, то значения пикселя относятся к водной поверхности, не покрытой воздушно-водной растительностью.if k <1, then the pixel values refer to air-water vegetation, if k> 1, then the pixel values refer to the water surface not covered with air-water vegetation.

Пример реализации способаAn example of the implementation of the method

Определение границ водной поверхности Иваньковского водохранилища проводилось по его многоспектральному снимку со спутника Landsat. Получаемые со спутника данные записаны в виде «сырых значений» яркости (DN - Digital Number). Это относительные значения яркости - спектральные кривые в виде DN представлены на Фиг. 8. Примечательно, что применения заявляемого способа достаточно использовать любые мультиспектральные изображения, имеющие красный и ближний ИК каналы. При этом следует отметить, что применяемые спектральные зоны относительно слабо подвержены ошибкам, связанным с влиянием атмосферы и растворенных в воде органических веществ, что благоприятно для получения результатов высоких качества и достоверности.Determination of the boundaries of the water surface of the Ivankovskoye reservoir was carried out using its multispectral image from the Landsat satellite. The data received from the satellite is recorded in the form of "raw values" of brightness (DN - Digital Number). These are relative brightness values - spectral curves in the form of DN are shown in FIG. 8. It is noteworthy that the application of the proposed method is sufficient to use any multispectral images with red and near infrared channels. It should be noted that the applied spectral zones are relatively weakly prone to errors associated with the influence of the atmosphere and organic substances dissolved in water, which is favorable for obtaining results of high quality and reliability.

На первом этапе снимки подвергаются радиометрической калибровке. Задача радиометрической калибровки заключается в пересчете значений DN в значения спектральной энергетической яркости на верхней границе атмосферы, так для Landsat-8 используется следующая формула:At the first stage, the images are subjected to radiometric calibration. The task of radiometric calibration is to convert DN values into spectral radiance values at the upper boundary of the atmosphere, so the following formula is used for Landsat-8:

Figure 00000002
(2)
Figure 00000002
(2)

где, L λ - энергетическая яркость для спектральной зоны;where, L λ - energy brightness for the spectral zone;

M L - калибровочный коэффициент масштабирования конкретного канала (в метаданных - RADIANCE_MULT_BAND);M L - calibration factor of scaling of a specific channel (in metadata - RADIANCE_MULT_BAND);

А L - добавочный коэффициент масштабирования конкретного канала, это калибровочная константа, которая соответствует минимальной величине регистрируемой яркости (в метаданных - RADIANCE_ADD_BAND),And L is the additional scaling factor of a specific channel, this is a calibration constant that corresponds to the minimum value of the recorded brightness (in the metadata - RADIANCE_ADD_BAND),

Q кал - калиброванное значение (DN) [2].Q cal - calibrated value (DN) [2].

Спектральные кривые в виде значений энергетической яркости представлены на Фиг. 9.Spectral curves as radiance values are shown in FIG. nine.

Далее проводится атмосферная коррекция, на основе модели атмосферы MODTRAN. Модель MODTRAN позволяет задавать несколько стандартных вариантов атмосферы. При обработке снимков Иваньковского водохранилища использовалась модель атмосферы для лета в средних широтах (Mid-Latitude Summer), в основе которой лежат следующие средние параметры: толщина слоя водяного пара составляет 3636 атм. см, при этом количество водяного пара на каждый единицу площади земной поверхности составляет 2,92 г/см2, температура воздуха у земной поверхности 21 С°. При атмосферной коррекции был произведен учет пропускания электромагнитного излучения и светимость самой атмосферы Фиг. 4. На этом же этапе был осуществлен перевод значений пикселей из энергетической яркости в коэффициенты отражательной способности от 0 до 1. Коэффициент отражения для спектральной зоны может быть определен по следующей, часто используемой в дистанционном зондировании, формуле:Next, atmospheric correction is carried out based on the MODTRAN atmosphere model. The MODTRAN model allows you to set several standard atmospheres. When processing images of the Ivankovskoye reservoir, an atmospheric model for mid-latitude summer (Mid-Latitude Summer) was used, which is based on the following average parameters: the thickness of the water vapor layer is 3636 atm. cm, while the amount of water vapor for each unit of the earth's surface area is 2.92 g / cm 2 , the air temperature at the earth's surface is 21 ° C. At atmospheric correction, the transmission of electromagnetic radiation and the luminosity of the atmosphere itself were taken into account. 4. At the same stage, the pixel values were converted from radiance to reflectance coefficients from 0 to 1. The reflectance for the spectral zone can be determined by the following, often used in remote sensing, formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

где ESUN - средняя солнечная внеатмосферная освещенность [Вт/(м2 нм)];where E SUN - average solar extra-atmospheric illumination [W / (m 2 nm)];

D - расстояние от Земли до Солнца в астрономических единицах на конкретную дату;D is the distance from the Earth to the Sun in astronomical units for a specific date;

Figure 00000004
- энергетическая яркость для спектральной зоны [Вт/(ср≥м2·нм)];
Figure 00000004
- energy brightness for the spectral zone [W / (cf≥m 2 · nm)];

Figure 00000005
- угол возвышения солнца (90° - зенитный угол)
Figure 00000005
- angle of elevation of the sun (90 ° - zenith angle)

Спектральные кривые в виде значений коэффициентов отражения представлены на Фиг. 10.Spectral curves as reflectance values are shown in FIG. 10.

Для выделения границ водоема производилось разбиение пикселей снимка Landsat-8 на два подмножества (суша и водные объекты). Для этого было использовано полученное ранее пороговое значение коэффициента отражения между пикселями спутниковых снимков соответствующих суши и водной поверхности, которое составило 0,15 для ближней инфракрасной области. Пиксели, имеющие отражательную способность, меньше порогового показателя интерпретировались как водные объекты. На основании этого подхода пиксели снимка были разбит на две группы (водные объекты и суша), таким образом, были выделены границы Иваньковского водохранилища Фиг. 5.To identify the boundaries of the reservoir, the pixels of the Landsat-8 image were divided into two subsets (land and water bodies). For this, the previously obtained threshold value of the reflection coefficient between the pixels of satellite images of the corresponding land and water surface was used, which was 0.15 for the near infrared region. Pixels with reflectivity less than the threshold were interpreted as water bodies. Based on this approach, the pixels of the image were divided into two groups (water bodies and land), thus, the boundaries of the Ivankovskoye reservoir were identified. five.

Для выявления спектральных образов, характерных для водной растительности использовались космические снимки Landsat-8, полученные в июле-августе 2015-16 гг. Согласно заявляемому способу участки развития воздушно-водной растительности характеризуются превышения отражательной способности 5 канала, соответствующему ближнему ИК 845-885 нм, над 4 каналом, красный 630 - 680 нм. Для разделения поверхности водоема на две группы (покрытая воздушно-водной растительностью и не покрытая воздушно-водной растительностью) используется коэффициент k, определяемый соотношением коэффициентов отражательной способности (1). Значения пикселей с k<1 идентифицируют их как воздушно-водной растительность, а с k>1 - как водная поверхность, не покрытая воздушно-водной растительностью. На основании этого алгоритма были выделены участки распространения воздушно-водной растительности в акватории Иваньковского водохранилища Фиг. 6.Landsat-8 satellite images obtained in July-August 2015-16 were used to identify spectral images characteristic of aquatic vegetation. According to the claimed method, the areas of development of air-water vegetation are characterized by an excess of the reflectivity of channel 5, corresponding to the near IR 845-885 nm, over channel 4, red 630 - 680 nm. To divide the surface of the reservoir into two groups (covered with air-water vegetation and not covered with air-water vegetation), the coefficient k is used, which is determined by the ratio of the reflectivity coefficients (1). The values of pixels with k <1 identify them as air-water vegetation, and with k> 1 - as a water surface not covered with air-water vegetation. On the basis of this algorithm, areas of distribution of air-aquatic vegetation in the water area of the Ivankovskoye reservoir were identified. Fig. 6.

Схема алгоритма Algorithm diagram

Общая схема алгоритма, предлагаемого для выделения областей распространения воздушно-водной растительности по данным Landsat-8, представлена на Фиг. 7.The general scheme of the algorithm proposed for identifying areas of distribution of air-water vegetation according to Landsat-8 data is shown in Fig. 7.

На Фиг. 8-10 представлено изменение характера спектральных кривых при обработке снимков согласно заявляемому способу.FIG. 8-10 show the change in the nature of the spectral curves when processing images according to the claimed method.

Реализация заявляемого способа не вызывает сомнений ввиду доступности требуемых многоспектральных данных дистанционного зондирования Земли и простоте реализации вычислительных расчетов на стандартной ЭВМ.The implementation of the proposed method is not in doubt due to the availability of the required multispectral data for remote sensing of the Earth and the simplicity of the implementation of computational calculations on a standard computer.

Используемая литератураUsed Books

1. Способ оценки уровня загрязнения акваторий по гиперспектральным данным аэрокосмического зондирования Патент RU № 2 616 716 G01N 21/55 2014 г.1. A method for assessing the level of pollution of water areas according to hyperspectral data of aerospace sounding Patent RU No. 2 616 716 G01N 21/55 2014

2. Landsat 8 (L8) Data Users Handbook Version 5.0. USGS, 2019. 106 p.2. Landsat 8 (L8) Data Users Handbook Version 5.0. USGS, 2019.106 p.

Claims (1)

Способ выделения границ водных объектов и ареалов распространения воздушно-водной растительности по многоспектральным данным дистанционного зондирования Земли, включающий: радиометрическую калибровку снимка земной поверхности с приведением значений яркости к энергетической яркости, атмосферную коррекцию с переводом значений пикселей из энергетической яркости в коэффициенты отражательной способности от 0 до 1; выделение поверхности суши за счет выделения пикселей снимка, для которых значение коэффициента отражения превышает 0,15 в ближней инфракрасной области; выделение чистой водной поверхности за счет выделения пикселей снимка, для которых параметр, определяемый соотношением коэффициентов отражательной способности
Figure 00000006
, больше 1.
A method for identifying the boundaries of water bodies and areas of distribution of air-water vegetation according to multispectral data of remote sensing of the Earth, including: radiometric calibration of an image of the earth's surface with bringing brightness values to energy brightness, atmospheric correction with converting pixel values from energy brightness to reflectance coefficients from 0 to one; highlighting the land surface by highlighting image pixels for which the reflectance value exceeds 0.15 in the near infrared region; selection of a clean water surface due to the selection of image pixels, for which a parameter determined by the ratio of the reflectance coefficients
Figure 00000006
, greater than 1.
RU2020128629A 2020-08-28 2020-08-28 Method for determining the boundaries of water bodies and areas of distribution of semi-aquatic species based on multispectral data of remote sensing of the earth RU2750853C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020128629A RU2750853C1 (en) 2020-08-28 2020-08-28 Method for determining the boundaries of water bodies and areas of distribution of semi-aquatic species based on multispectral data of remote sensing of the earth

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020128629A RU2750853C1 (en) 2020-08-28 2020-08-28 Method for determining the boundaries of water bodies and areas of distribution of semi-aquatic species based on multispectral data of remote sensing of the earth

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2750853C1 true RU2750853C1 (en) 2021-07-05

Family

ID=76755860

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020128629A RU2750853C1 (en) 2020-08-28 2020-08-28 Method for determining the boundaries of water bodies and areas of distribution of semi-aquatic species based on multispectral data of remote sensing of the earth

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2750853C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114993965A (en) * 2022-05-13 2022-09-02 中煤嘉沣(湖南)环保科技有限责任公司 Automatic pollution source identification method and system
RU2783675C1 (en) * 2021-11-24 2022-11-15 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Device for selecting the contours of objects in hyperspectral images
CN116879237A (en) * 2023-09-04 2023-10-13 自然资源部第二海洋研究所 Atmospheric correction method for offshore turbid water body
CN117409330A (en) * 2023-12-15 2024-01-16 中山大学 Aquatic vegetation identification method, aquatic vegetation identification device, computer equipment and storage medium

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2132606C1 (en) * 1998-04-30 1999-07-10 Московский государственный университет леса Method for ecological zoning of regions
US6304664B1 (en) * 1999-08-03 2001-10-16 Sri International System and method for multispectral image processing of ocean imagery
US20130286377A1 (en) * 2012-04-27 2013-10-31 SATOP GmbH Using Multispectral Satellite Data to Determine Littoral Water Depths Despite Varying Water Turbidity

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2132606C1 (en) * 1998-04-30 1999-07-10 Московский государственный университет леса Method for ecological zoning of regions
US6304664B1 (en) * 1999-08-03 2001-10-16 Sri International System and method for multispectral image processing of ocean imagery
US20130286377A1 (en) * 2012-04-27 2013-10-31 SATOP GmbH Using Multispectral Satellite Data to Determine Littoral Water Depths Despite Varying Water Turbidity

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.V. Bocharov, O. A. Tikhomirov "Using remote sensing data to assess changes in the coastal zone of reservoirs", Izvestia of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, v. 17, No 4 (4), 2015, pp. 625-632. *
А.В. Бочаров, О.А. Тихомиров "Использование данных дистанционного зондирования для оценки изменений прибрежной зоны водохранилищ", Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т.17, No 4(4), 2015 г., стр. 625-632. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2783675C1 (en) * 2021-11-24 2022-11-15 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Device for selecting the contours of objects in hyperspectral images
CN114993965A (en) * 2022-05-13 2022-09-02 中煤嘉沣(湖南)环保科技有限责任公司 Automatic pollution source identification method and system
CN116879237A (en) * 2023-09-04 2023-10-13 自然资源部第二海洋研究所 Atmospheric correction method for offshore turbid water body
CN116879237B (en) * 2023-09-04 2023-12-12 自然资源部第二海洋研究所 Atmospheric correction method for offshore turbid water body
CN117409330A (en) * 2023-12-15 2024-01-16 中山大学 Aquatic vegetation identification method, aquatic vegetation identification device, computer equipment and storage medium
CN117409330B (en) * 2023-12-15 2024-03-29 中山大学 Aquatic vegetation identification method, aquatic vegetation identification device, computer equipment and storage medium

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2750853C1 (en) Method for determining the boundaries of water bodies and areas of distribution of semi-aquatic species based on multispectral data of remote sensing of the earth
Rogers et al. Reducing signature variability in unmixing coastal marsh Thematic Mapper scenes using spectral indices
Mishra et al. Benthic habitat mapping in tropical marine environments using QuickBird multispectral data
Yong-Ling et al. A spectral index for estimating soil salinity in the Yellow River Delta Region of China using EO-1 Hyperion data
Shanmugam et al. A comparison of the classification of wetland characteristics by linear spectral mixture modelling and traditional hard classifiers on multispectral remotely sensed imagery in southern India
Pahlevan et al. Leveraging EO-1 to evaluate capability of new generation of Landsat sensors for coastal/inland water studies
Petus et al. Using MODIS data for understanding changes in seagrass meadow health: A case study in the Great Barrier Reef (Australia)
Legleiter et al. Spectrally based remote sensing of river bathymetry
Knaeps et al. In situ evidence of non-zero reflectance in the OLCI 1020 nm band for a turbid estuary
Zou et al. 3D land cover classification based on multispectral LiDAR point clouds
Masoud Predicting salt abundance in slightly saline soils from Landsat ETM+ imagery using Spectral Mixture Analysis and soil spectrometry
KR102175194B1 (en) System and Method for standardized procedure on building spectral library for hazardous chemicals mixed in river flow using hyperspectral image
Hoge et al. Satellite retrieval of the absorption coefficient of chromophoric dissolved organic matter in continental margins
Tusa et al. Fusion of hyperspectral imaging and LiDAR for forest monitoring
Hochberg Remote sensing of coral reef processes
Jung et al. A multi-sensor approach for detecting the different land covers of tidal flats in the German Wadden Sea—A case study at Norderney
Fisher et al. Mapping trees in high resolution imagery across large areas using locally variable thresholds guided by medium resolution tree maps
Levin et al. Relationships between inherent optical properties in the Baltic Sea for application to the underwater imaging problem
Ji Haze reduction from the visible bands of Landsat TM and ETM+ images over a shallow water reef environment
KR101687712B1 (en) Image processing apparatus using spectrum equipment and control method thereof
Roessler et al. Multispectral remote sensing of invasive aquatic plants using RapidEye
Tarasov et al. Estimating the water turbidity in the Selenga River and adjacent waters of Lake Baikal using remote sensing data
Dong Fractal signatures for multiscale processing of hyperspectral image data
Racine et al. Evaluation of RADARSAT-1 images acquired in fine mode for the study of boreal peatlands: A case study in James Bay, Canada
Pe'eri et al. Macroalgae and eelgrass mapping in Great Bay Estuary using AISA hyperspectral imagery