[發明專利]一種潰決洪水淹沒范圍快速提取方法

有效

• 申請號: 202110509827.5
• 申請日: 2021-05-11
• 公開（公告）號: CN113191292B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 魏進兵;楊仲康;鄧建輝
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 周敏

1.一種潰決洪水淹沒范圍快速提取方法，其特征在于，包括以下內容:

(1)數據預處理

準備覆蓋洪水災區的歐洲航天局開放的Sentinel系列數據，包括Sentinel-1 SAR影像和Sentinel-2光學影像；采用Sentinel應用程序平臺SNAP8.0.0對Sentinel-1 SAR影像進行校準、去噪、濾波及配準，得到VV和VH極化后向散射系數；在Sen2Cor V2.8插件中對Sentinel-2光學影像進行輻射校準和大氣校正；在ArcGIS10.2軟件中，對Sentinel-1和Sentinel-2影像進行重新采樣，并重新投影到WGS-84 UTM坐標系中；

(2)工作區劃分與潰決洪水制圖場景分類

在ArcGIS10.2軟件中，利用DEM數據提取集水流域，并將集水流域獲取的矢量面轉換為多邊形，作為集水單元；計算每個集水單元最小高程，將原始DEM與各個集水單元最小高程做差值，獲取高差，根據洪水災情設置高差閾值，進行高差掩膜提取工作區；采用云檢測算法將高差掩膜得到的工作區劃分為無云區和云層遮擋區，再依據影像采集時間、潰決洪水過境時間和云層覆蓋情況，將潰決洪水制圖場景分為三種：第一種，無云層遮擋，潰決洪水過境時間與影像時間相同，為光學影像區行進中洪水制圖；第二種：無云層遮擋，影像時間滯后于潰決洪水，為光學影像區已過境洪水制圖；第三種：云層遮擋，光學影像數據缺失，為SAR影像洪水制圖；

(3)基于Sentinel-2光學影像的無云區洪水淹沒范圍提取

針對無云區行進中洪水，采用水體指數NDWI和改進的水體指數MNDWI進行淹沒范圍提取，NDWI閾值為0、MNDWI閾值為0.1，并進行人工目視調整；針對無云區已過境洪水，通過比較歸一化植被指數NDVI、歸一化水體指數NDWI、改進的水體指數MNDWI和自動水體指數AWEI_nsh，選出最佳光譜指數和閾值范圍，再進行淹沒范圍提取；

(4)基于Sentinel-1 SAR影像的云層遮擋區洪水淹沒范圍提取

根據洪水過境前后Sentinel-1 SAR影像和DEM數據，創建多類型的特征變量集，采用隨機森林算法進行洪水淹沒范圍預測，包括以下步驟：

1)偽彩色合成圖像顏色特征提取

采用偽彩色融合方法，將洪水過境前后Sentinel-1 SAR影像VV極化后向散射系數在SNAP8.0.0軟件中以不同的比例組合，分別賦予R、G、B三個顏色通道，得到RGB偽彩色圖像，組合方法為：R-洪水前VV極化數據，G-洪水之后VV極化數據，B-洪水之后VV極化數據；

2)構建特征變量集

將RGB偽彩色圖像轉換到HSV色彩空間，對其顏色特征進行量化表達，顏色特征包括色調、飽和度、亮度；混合交叉VV和VH極化數據，構建多組極化散射系數特征變量，計算公式如下：

式中：g(x,y)表示差值特征；f(x,y)表示比率特征；x、y分別表示像素中行和列；VV(x,y)_N+1表示洪水后VV極化后向散射系數；VV(x,y)_N表示洪水前VV極化后向散射系數；VH(x,y)_N+1表示洪水后VH極化后向散射系數；VH(x,y)_N表示洪水前VH極化后向散射系數；

從DEM數據中獲取高差和坡度，作為第三類特征變量；

從SAR影像顏色特征、散射特征和DEM地形特征中提取13個變量組成特征變量集，各特征變量如下所示：

HSV色彩特征：色調、飽和度、亮度；

差值特征g(x,y)：VV_N+1-VV_N、VH_N+1-VH_N、VV_N+1-VH_N、VH_N+1-VV_N；

比率特征f(x,y)：VV_N+1/VV_N、VH_N+1/VH_N、VV_N+1/VH_N、VH_N+1/VV_N；

地形特征：高差、坡度；

3)生成訓練和預測樣本

將無云區基于Sentinel-2光學影像獲取的洪水像素作為訓練樣本的標簽集，與對應區域特征變量集共同構成隨機森林算法的訓練樣本；云層遮擋區的特征變量作為預測樣本，未知洪水像素作為預測輸出；

4)隨機森林模型構建

在Python 3.7中搭建并完成隨機森林模型，進行云層遮擋區洪水像素預測；

5)淹沒范圍提取

基于無云區Sentinel-2光學影像閾值分析成果和云層遮擋區Sentinel-1SAR影像隨機森林算法預測成果，采用GIS系統完成潰決洪水淹沒范圍提取和制圖。