基于多时相Landsat-8影像在大陆尺度下的代表性湖泊范围的绘制外文翻译资料

 2022-11-17 17:06:00

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于多时相Landsat-8影像在大陆尺度下的代表性湖泊范围的绘制

（2016年1月环境遥感）

摘要：

内陆湖泊，是重要的水资源，对全球水循环至关重要，对气候变化和人类活动很敏感，它显然是理解湖泊在全球和大陆尺度上时间和空间变化的迫切需要。最近的陆地卫星Landsat-8扩展了前所未有的超过40年的陆地卫星记录，这使得在高分辨率下长期大规模湖泊动态绘图得到高精度结果成为可能。将来源于陆地卫星Landsat-7图像的circa2000湖产品作为参考图像，本研究会生成一块典型湖泊范围及其分布的circa-2015地图，使用地球资源观测卫星Landsat-8提供的大陆范围内稳定的季节图像，经处理获得湖地区的季节、年际变化图像。这里选择大洋洲作为一个案例研究，因为它包含一大群盐湖，表现出高度可变性，以及在Landsat-8运作的第一个2.5年里有最集中的图像覆盖度。因此，这一论文描述了一种自适应算法，在各种表面条件下进行自动化制图，该制图方式通过稳定的季节以及一个在矢量域下生成湖泊范围的多时相地图的典型大陆掩膜的合成方案。结果表明，这些策略和方法可以在大洋洲变化性大的湖区段内，产生一个高度可靠和具有代表性的复合，这一方法也适用于其他使用多时相遥感数据进行的大尺度湖制图项目。

  1. 介绍

内陆湖泊是全球水文和生物地球化学水循环的重要组成部分，也是生命的基本资源。它们是动态和复杂的水生生态系统，对气候变化和人类活动都很敏感。过去几十年来，气候和人类活动对湖泊的巨大影响在区域和全球范围内得到了广泛的关注。此外，湖泊作为气候和环境变化的综合指标，以及流域内的人类用水。湖泊范围的变化既反映了区域水平衡、生态系统、生物地球化学循环、与大气的能量和微量气体交换以及人类的水消耗也对以上方面有广泛的影响。因此，对于广泛的社会经济政治和科学的领域，了解湖泊的分布和洪水的多样性是至关重要的。因此，随着时间的推移，监测湖泊是很重要的。

单个湖的观测相对来说比较简单，但在广阔的地区和时间尺度上对许多湖泊来说是很困难的。整个地区的湖泊数量众多，无法实地调查统计，而卫星遥感技术则是唯一可行的方法，可以在大陆和全球范围内进行系统的湖泊测绘和库存管理。尽管像NOAA/AVHRR这样的粗分辨率卫星传感器（国家海洋和大气管理局提出了很高的分辨率辐射针，“1公里分辨率”）和Terra/Aqua MODIS（中分辨率成像光谱辐射计，0.25到1公里分辨率）在这些尺度被用于湖泊测绘，但他们仅限于大型湖泊。而区域到全球尺度的湖泊测绘是一个巨大的挑战，因为湖泊的体积小，湖的变化发生在小幅度的海岸附近，两者都需要精确的卫星图像来进行充分的评估。在过去，由于大量的数据量和高精度的数据购买成本，在大陆和全球范围内的动态湖泊制图和变化检测是很困难的，但这两项都不是今天的重要限制。

最近，陆地卫星档案的公开发行使得湖泊测绘和监测变得可行，甚至在全球范围内都是可行的。2008年，美国地质勘查局（USGS）向公众发布了陆地卫星图像资料，这是世界上最长的卫星图像档案，提供了在大陆和全球尺度上30米分辨率下，监测湖泊动态变化的可能性。Landsat-8，自2013年2月发射以来，该公司一直在执行“OLI”（操作陆地成像仪，30米分辨率）传感器，预计将在下一个十年继续进行工作。与之前的陆地卫星相比，有效的成像技术，数据处理和共享程序为访问高质量的图像提供了更多的机会。最近的几项努力，如——谁谁谁 使用circa-2000陆地卫星图像，包括2000年全球土地调查的数据集来产生全球湖泊库存量。这些湖泊测绘产品还没有使用严格的质量保证和质量控制（QA/QC）过程进行校对。由于不同的水面情况，狭窄的河流段，不可避免的云影响，山体阴影等等，这些都有可能造成结果错误和遗漏现象。此外，已测绘的湖泊范围反映了获取数据时的状况与由GLS项目选择的源图像有关，这不是针对湖泊的研究。这些数据的获取日期与不同地区的湖泊的稳定季节不一致，因此，由于湖泊的季节性变化，产生的结果会受到很大的不确定因素的影响。

湖泊由于其生命周期、气候变化和人为因素的影响，在地表水的范围内形成了长期的变化，但许多湖泊在不同季节也有很大的变化，最终目的是检测湖泊实际变化的长期趋势，我们需要绘制具有代表性的湖泊范围，并对湖泊范围内的季节变化的噪声进行评估和抑制。一个有效的解决办法是在其稳定的时期绘制湖泊图，当洪水泛滥时，受气象条件影响最小。“Landsat-8”上的“奥利”号正在以前所未有的速度——每天550个视场，收集大量的图像。这种极强的图像采集能力使我们能够选择在湖稳定季节获得具有代表性的湖泊范围，并评估湖泊的季节性变化。

本研究提出了一种新的绘图和合成策略，以生成具有代表性的circa-2015湖泊地图，并在大陆和全球范围内解决湖泊制图上的季节性的问题，并打算利用Landsat-8在大洋洲大陆建立这一战略。大洋洲大陆为这项研究提供了一个理想但具有挑战性的案例，因为这片区域不仅Landsat-8图像无云覆盖范围比其他大陆更密集，而且在澳大利亚西部和中部的干旱湖泊有很大的季节和年际变化。论文首先确定了整个研究区域的湖泊稳定季节，并在这些季节里收集了大部分无云的Landsat-8图像。利用这些图像，我们利用高度适用的自适应地图绘制湖泊范围，然后确定每个湖泊的中间大小，作为代表性湖泊的范围，来生成大洋洲的复合circa-2015湖泊地图。最后讨论了Landsat-8在多时相湖泊制图中的优缺点。

  1. 材料和方法

2.1 研究区域

如图中所示，这篇论文的研究区域是大洋洲的大陆，这个区域被定义为包括了澳大利亚大陆和新西兰的岛屿。尽管通常温度高于冰点，但这个区域包含了各种各样的气候。澳大利亚有足够大的地方可以容纳北部的热带雨林，中部有大量干旱的沙漠，南部较冷的地带也有温带地区。澳大利亚的降雨量是季节性的，整个大陆的雨季也各不相同。北方的一个热带季风系统带来了南方夏季的降雨，留下了一个干燥的冬天。皇后岛、新南威尔士和维多利亚的沿海地区，在大分水岭的东部，经历了更多的海洋性气候，有规律的夏季和这个地区由于接近海洋而导致的冬季降雨。澳大利亚西南部经历了一个由西风和冷锋带来的潮湿的冬季季节，紧接着是炎热的天气，干燥的夏季。澳大利亚的大部分内陆地区全年降雨量低，偶尔有雪暴，新西兰是一群岛屿，通常被海洋气候所控制，大致以北—南为导向，从热带的北岛到较为温和和多山的南岛都有温度梯度。

在西部高原和中部低地的特别平坦的地形中，澳大利亚大陆是世界上许多封闭的湖泊所在地，这些湖泊都位于多河盆地。这些湖泊系统许多都很古老，追溯到早期的第三纪和白垩纪末期，并且在周期性的冰期—间冰期旋回中受到了形态上的影响。在现代，这些湖泊是高度动态的，甚至是短暂的，很快就会被偶然的暴雨所填满，或者很快就会被炎热干燥的气候所蒸发。包括高度变化的湖眼在内，它们的分布状态和泛滥地区继续发生变化。这些湖泊变化是区域气候和水循环变化的一个敏感的综合指标，对当地和区域生态环境有很大的影响。与新西兰一起，澳大利亚提供了一个理想的研究地点，以开发陆地卫星地图的策略，为高度多变的湖泊绘制具有代表性的地图。

2.2湖泊制图季节的选择和Landsat-8图像的使用

为了减少季节变化的影响，在一个年度周期中的湖泊相对稳定的时期的假稳定的季节里，对湖泊进行盘点和解释长期变化是很重要的。由于澳大利亚各地的不同气候区域以及新西兰从北部到南部的过渡气候，这个湖的稳定季节在大洋洲的各个地方都有所不同。例如：澳大利亚北部的雨季与夏季的季风季节相吻合，而其他受冬季冷风控制的地区则处于旱季，新西兰的水文特征因其相互作用而变得非常复杂。因此，在海洋和山脉之间，适宜的湖泊制图季节必须根据其典型的当地气候，为每一个地点单独定义。

我们开发了一种算法，叫做LakeTime基于使用气候和水文变化的季节性定义，选择陆地卫星场景，这样一来，湖的测量就可以在空间上和时间上与最小的季节或年际干扰进行比较。在雨季后，湖泊稳定季节的变化是一个月左右，在雨季之后，湖水的变化量最小，并且定量地使用降水、潜在蒸发和温度数据作为长期提供每月全球网格数据的手段，这一手段由特拉华气候研究中心以0.50°*0.50°分辨率显示了每月相对稳定的湖泊地图：大洋洲的WRS-2（世界参考系统），由时间决定，北部海岸最适宜的绘制季节是4月份，到2月进一步向内陆移动，这是在夏季季风过后，这一地区的情况。在澳大利亚西部和中部的广大干旱和半干旱地区，有几个月的最佳湖泊图，6月和7月的低温限制了湖水的蒸发。澳大利亚东南和西南海岸的最佳测绘月份是9月至11月，紧随冬天雨季过后。新西兰的北岛绘制时间通常要早，从12月到1月；而南岛要晚一些，是从2月到4月，这是由于温度梯度和山地效应的影响。

2015年8月至2015年9月,circa-2015湖地图将使用Landsat-8/OLI图像生成。选择图像的主要标准：第一、当湖泊相对稳定时，通过收集集中于最佳湖泊绘图季节数据的图像来减少季节性和年际的影响；第二，根据图像的可用性，只选择低云污染的图像，云量少于10%~30%。实验共收集了3300个Landsat-8场景来进行大陆绘图，数量大约是Landsat-7影像的5倍，这些图片用于制作circa-2000大陆湖泊图。图1b显示每个wrs-2“贴片”的选定图像数量的空间分布。在干旱的中部澳大利亚的可用场景的数量比沿海地区高得多。新西兰和其他岛屿的覆盖范围很大程度上受到了云污染的限制。因此，这张地图显示了在大洋洲上空降水的反模式，在干燥的内陆地区有更多的无云图像。为了提高多时间湖泊观测的可靠性，我们确保大多的wrs-2贴片（在大洋洲上的gt;99.4%）被三个或更多高质量的图像/场景覆盖。

2.3自适应湖泊绘图

从理论上来讲，由于在陆地卫星传感器MSS（0.8-1.1微米波段）的近红外（NIR）和TM第7波段（0.76-0.90微米）和ETM 第4波段以及OLI 0.83-0.90微米的低反射率，湖泊和其他水面水体在每个场景中都很容易辨认。然而，在大洋洲的大多数湖泊是盐湖，它们的外观非常丰富，甚至在NIR图像中也是如此。水的浑浊程度、矿物质和叶绿素含量、水生植物的存在、雪/冰和山/云的阴影都可能使湖泊的光谱反射变得复杂，对湖泊专题制图带来挑战。

归一化差分指数（NDWI），利用绿色和近红外波段，增强水体特征，抑制干扰因素，并广泛应用于卫星图像的水体描述。NDWI：OLI传感器上表示为（Band3-Band5）/（Band3 Band5），在TM、ETM 传感器上表示为：（Band2-Band4）/（Band2 Band4），它对湖水中的矿物质不太敏感，并且从陆地中提取水体显示出比用水体本身波段特征提取水体有更好的能力。在NDWI计算中使用了由Landsat DN值计算的这些频带的顶部反射率。然后可以通过细分NDWI图像来生成湖泊图。然而，由于湖泊条件的不同，在研究的大洋洲的大量湖泊不能用单一的普遍阈值来描述。

我们开发了一种自动化的自适应湖泊绘图方法，通过在全球和地方两级的图像分割来实现，模拟了人类操作员的描述过程。在全球分割的层次上，首先通过一个粗略的初始阈值分割整个NDWI图像。这个全球分割的目的是初步探测潜在的湖泊，而不是精确地提取他们。接下来，每个被识别的湖泊都被当做一个对象来处理，并且只在湖周围的区域进行进一步的微调。通过在地方一级进行直方图分割，然后迭代地实现局部层次的分割，精确地确定湖的范围，直到迭代覆盖范围收敛到一个稳定的分割结果。这种自适应的方法是高度自动化的，可以有效地在多变复杂的水条件下的进行湖泊制图，并且对包括湖冰、浊度和水生植物在内的公共水域的绘制具有很强的抗差性。此外，从海拔数据和太阳高度角数据中获取到的地形变量和坡度、山体阴影，与图像采集同步，用来区分山体阴影和湖泊。这个绘图过程的输出是每个陆地卫星图像的一个地理信息系统（GIS）矢量格式的湖泊图层。从Landsat-8中绘制的所有湖泊图层都被投影到一个适合于大洋洲的自定义区域的地图投影上，以保留区域属性。

2.4在Landsat-8地图上使用2000个参考湖泊图层

作为我们的全球测绘项目的一部分，我们已经利用Landsat-7/ETM 图像和上面提到的图像选择和制图方法生成了circa-2000湖地图。尽管自适应方法执行得相当好，并且大大减少了后续的编辑工作，但是仍然有必要进行质量控制和质量控制程序（QA/QC）以实现最佳产品质量。在自动湖抽取的过程中，采用密集的QA/QC程序，确保所提取的湖泊区段与源图像很好地相匹配。一个半自动的工具被开发用来适应任何明确的绘图问题。在QA/QC过程中，通过使用自动生成的形状指标和手动检查，也可以将河流进行分割。所有通过质量控制流程序的湖泊图层都采用自动化的湖泊掩膜工具，以解决在Landsat场景之间的重叠边缘可能出现的不一致问题。因此，大洋洲的circa-2000大陆湖泊图（图2）是由500多个在1999年至2003年间采集的Landsat7 ETM 影像生成的。这个地图被用于定义在全球水平下的NDWI影像分割区域的最初阈值。

2.5通过从多种Landsat8获得的影像筛选具有代表性的湖泊范围来减少季节变化的影响。

如之前介绍的那样，自适应性绘图算法从OLI影像中产生多湖泊图层为每一个WRS-2块所用。多个具有不同的获取日期的场景通常在一个块的最优绘图期间出现。由于湖泊是动态的，有时在不同的采集日期上，同一湖泊也有间断和大小差异。这些多日期地图提供了一个在最佳时期内湖泊大小的选择池。此外，它们还会在湖泊合成的更广泛的领域内引发技术挑战。而且，相邻的wrs-2块之间存在着边缘重叠、跨越或重写场景边界的水被绘制为不完整或断开连接。因此，在直接复合场景地图中湖泊的特性通常是复杂的技术模式，例

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[24596]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章