基于多时相遥感影像的亚像元级地表水变化监测研究

Monitoring surface water dynamic is generally based on multi-temporal remotely sensed images. Medium- to low-resolution images, due to their high temporal resolution, have been playing a significant role in this research area. However, mixed pixel issue is an inevitable problem that will affect the accuracy of monitoring. A common way to deal with this issue is pixel unmixing and sub-pixel mapping based on single-temporal remotely sensed image, which has limitations in efficiency, accuracy and consistency. This project tries to develop a methodology for monitoring surface water dynamic at sub-pixel scale based on multi-temporal remote sensing images. NPP-VIIRS imagery has been chosen as experimental data. This study combines the spectral Change Vector Analysis method and Linear Spectral Mixture Model to detect water fraction change within mixed pixels. After that, it integrates multi-temporal surface water distribution information into sub-pixel mapping algorithm. These two procedures compose a complete process of surface water downscaling monitoring. This study will then testify the accuracy and applicability of the proposed methodology based on a combination of field survey and interpretation on high-resolution remote sensing images. The research results will enrich current methodology of surface water downscaling monitoring. They will also promote the application of medium- to low-resolution images in surface water dynamic monitoring.

对地表水的动态监测往往需要基于多时相的遥感影像进行，而鉴于中低分辨率影像在时间分辨率上的优势，它们在此类研究中的作用不容忽视。但是，它们相对较低的空间分辨率又使得监测的精度因混合像元问题而大受影响。基于单个时相遥感影像的混合像元分解和亚像元制图是当前处理这类问题的常规方法，但这类方法在效率、精度、监测结果的稳定性上存在不足。本项目以NPP-VIIRS数据为例，探索基于多时相遥感影像在亚像元尺度上监测地表水动态变化的方法。该方法结合变化检测方法中的光谱变化向量分析法与线性光谱混合模型，探索混合像元内水体丰度变化的监测方法，然后通过结合多时相的水体分布信息改进亚像元制图算法，从而最终实现地表水降尺度监测的完整流程。本研究结合野外调查、高分辨率遥感影像解译，对所提出方法的精度和适用性进行论证。研究成果将丰富地表水遥感降尺度监测的方法体系，促进中低分辨率遥感数据在地表水体动态监测研究中的应用。

以Suomi NPP-VIIRS为代表的低空间分辨率遥感数据由于具有较高的时间分辨率，依然在地表水遥感监测研究中发挥重要作用。面对传统混合像元分解与重构方法在亚像元级别的水体提取与制图方面稳定性和精度不足的问题，本项目探索基于多个时相的遥感影像探测亚像元尺度上地表水的动态变化检测方法，主要研究内容包括不同类型地表水体的光谱分析，面向水体动态变化的变化向量分析，借助辅助信息的地表水体混合像元分解与亚像元制图研究，面向水体动态变化监测的多时相多源遥感数据时空融合研究等，取得的主要成果如下：.1）对基于光学遥感影像进行地表水探测、提取以及动态监测的相关研究进展进行了全面的梳理和细致的分析，分别从不同传感器类型、不同水体提取方法以及多时相水体动态监测方面进行了详细的文献综述，对相关研究领域取得的重要进展和面临的主要挑战进行了系统的阐述，为地表水遥感研究的深入开展打下扎实的基础。.2）分析了水体在不同浑浊度下的光谱特征的差异性，基于叠合光谱图选择最优波段进行变化向量分析，确定变化向量强度和方向与水体变化之间的对应关系，优化相应的阈值，实现多时相的水体动态变化监测。.3）开发了以历史地表水动态产品为辅助的地表水体混合像元分解与亚像元制图方法，以历史永久水体为参考，实现了基于Suomi NPP-VIIRS影像自动提取水体和陆地端元进行混合像元解混，以历史水体质心为吸引力中心，改进了水体亚像元制图方法，实现亚像元级别的水体范围的精确反演。.4）基于影像时空融合模型理论，开发了面向水体动态变化监测的多时相多源遥感影像融合模型，融合多个时相Suomi NPP-VIIRS和Landsat的水体指数图像，获得兼具高空间分辨率和高时间分辨率的地表水动态监测结果，相比于传统的时空融合方式，在精度和效率上均有明显提高。.以上研究成果是对遥感监测地表水动态的时空尺度问题的有益探索，对于丰富地表水遥感研究的相关理论和方法、促进多源遥感数据在水文水资源研究中的应用，具有重要意义。