基于InSAR相干系數的河湖岸線水事活動監測

陳子琪 陳亮 李建松

摘 要：及時發現河湖岸線水事活動對監管河湖岸線、維護河湖健康具有重要意義。選取黃河小北干流4期Radarsat-2遙感影像形成2期干涉像對，對干涉數據進行數據預處理生成相干系數圖。利用地物的干涉相干特性，采用差值閾值法獲取河湖岸線水事活動疑似“熱點”圖斑，以同期高分辨率可見光遙感影像為驗證數據對結果進行驗證和分析。結果表明，基于相干系數變化可以成功發現河道臨河房屋建設、堆放、占用等水事活動，利用該方法進行河道水事活動監測是可行的。

關鍵詞：相干系數;水事活動;InSAR;發現監測;河湖岸線

中圖分類號：TP79 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.035

Abstract：Water matter activity monitoring is of great significance for river and lake shoreline supervision and maintenance of river and lake health. Four radarsat-2 remote sensing images of Xiaobeiganliu reach of the Yellow River were chosen to form phase 2 interference image pairs. Coherence coefficient difference maps were generated through data preprocessing of the interference images. Based on the coherence characteristics of the ground object in InSAR images， the suspected “hot spot” pattern of water matter activity in the river and lake shoreline were obtained by the threshold method. The monitoring results were verified by the high-resolution visible remote sensing image of the same period. The results show that the methods based on the change of coherence coefficient is feasible and effective to find water matter activity of river and lake shoreline such as house construction， stacking and occupation.

Key words： coherent coefficient; water matter activity; InSAR; monitoring; river and lake shoreline

1 引 言

河湖水系是水資源的重要載體，在防洪、供水、灌溉、發電、航運、生態等方面具有不可替代的作用。長期以來，河湖岸線是新老水問題最為集中的區域，違規建設開發、圍墾河湖、侵占河道、違法養殖、非法采砂等水事活動頻發，河道和湖泊面積萎縮、水域空間減小、水質惡化、生物棲息地破壞等問題十分突出，嚴重影響了河湖健康。2016年和2017年中共中央辦公廳、國務院辦公廳先后印發了《關于全面推行河長制的意見》和《關于在湖泊實施湖長制的指導意見》，在全國江河湖泊全面推行河湖長制，為維護河湖健康生命、實現河湖功能永續利用提供了制度保障。在全國范圍內開展的河湖清“四亂”專項行動是推動河長制從“有名”向“有實”轉變的第一抓手，是水利行業強監管的重要內容，是對各級河長、湖長和水行政主管部門履職盡責的底線要求。

2019年9月，習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會講話中指出，當前黃河流域仍存在一些突出困難和問題，流域生態環境脆弱，水資源保障形勢嚴峻，發展質量有待提高。要堅持生態優先、綠色發展，以水而定、量水而行，因地制宜、分類施策，上下游、干支流、左右岸統籌謀劃，共同抓好大保護，協同推進大治理。利用科技手段加強黃河干流及其支流河道監管，快速發現河道“四亂”變化情況，第一時間制止河湖“四亂”問題，防止事態擴大、減小損失，對保護黃河流域生態環境、維護河湖健康生命具有重大意義。

利用遙感技術進行城市、礦區等土地利用開發活動監測已經取得廣泛應用。張翰超等[1]利用高分辨率可見光遙感影像對2000—2015年中國省會城市擴張情況進行高精度監測;翟浩然等[2]利用Landsat遙感影像對1990—2015年中國超大城市建設用地時空變化進行監測;占昕等[3]結合Landsat遙感影像和DMSP/OLS夜間燈光數據進行廈門市城市擴張測度研究。以上成功應用為城市規劃、發展決策提供支撐。趙鵬[4]、王海慶等[5]利用高分辨率可見光遙感影像進行礦區開發監測，為礦區監管提供依據;李春雷等[6]利用高分辨率可見光遙感影像進行河湖清“四亂”應用的探索研究。河道水事活動發展速度快，對監測時效性要求高，可見光遙感技術受云、霧等天氣影響無法開展有效監測。合成孔徑雷達（SAR）具有全天時、全天候的監測優勢，可以不受天氣因素影響及時發現地表變化。干涉雷達（InSAR）可以獲取地表相干特性，在地表變化監測方面具有獨特優勢。盧婷婷[7]利用InSAR技術對城市和礦區地表變化進行監測;Drezet等[8]利用ERS干涉相干系數圖像進行森林覆蓋率提取;張舞燕等[9]利用ENVISAT ASAR干涉相干系數進行豫北地區城市邊界提取，取得較好效果;郭唯娜等[10]采用兩個時期InSAR干涉相干系數取閾值的方法獲取東帕米爾高原冰川邊界，提取精度達到90%。地表變化引起相干性發生變化，為采用InSAR相干系數進行河道水事活動監測提供了新監測手段。

采用不同時期高分辨率SAR干涉像對生成相干系數圖，基于水事活動發生后河道地表在雷達干涉影像上相干性變化特性，采用差值閾值法進行水事活動“熱點”圖斑監測，及時發現水事活動疑似點，為河湖監管提供有力支撐。

2 研究區概況與數據

2.1 研究區概況

選取黃河小北干流河段為研究區，該河段位于黃河干流禹門口和潼關之間，河段長132.5 km，為晉陜兩省界河。左岸為山西省運城市所屬河津、萬榮、臨猗、永濟、芮城5縣（市），右岸為陜西省渭南市所屬韓城、合陽、大荔、潼關4縣（市）。河道穿行于汾、渭地塹谷凹地區，沿程有汾河、涺水、涑水河、渭河、北洛河等支流匯入，兩岸為高出河床10～200 m的黃土臺塬。黃河小北干流河道寬4～19 km，河道總面積1 107 km2，其中灘區面積657 km2，屬淤積性游蕩型河道。寬廣的河道灘區居住了數十萬居民，為了生產生活需要在河道內開展大量生產建設活動，河道內違規建設開發、侵占河道、非法采砂等水事活動時有發生，是河道監管的重點關注河段。

2.2 研究數據

以Radarsat-2雷達衛星遙感影像為研究數據進行水事活動監測研究。Radarsat-2雷達衛星由加拿大太空署與MDA公司合作研發，2007年12月14日發射升空。衛星軌高798 km，重訪周期為24 d，成像波段為C波段，具有HH、VV、HV、VH 4種極化方式和11種波束模式，成像空間分辨率為1～100 m，單景幅寬為20～500 km。選用3 m空間分辨率、超精細波束模式、VV極化方式的Radarsat-2雷達衛星遙感影像，共采集了4期影像組成兩對干涉像對，分別為2016年12月28日和2017年1月21日的干涉像對、2017年8月1日和2017年8月25日的干涉像對，Radarsat-2 SAR影像相關參數見表1。

選用SRTM 90 m空間分辨率DEM數據作為參考DEM進行干涉雷達影像預處理。選用2 m空間分辨率的可見光遙感影像進行結果驗證與對比分析。

影響相干系數大小的因素主要有系統熱噪聲、空間基線、時間基線、方位向多普勒中心偏移、雷達波穿透引起的體散射、復數影像配準誤差等[10，12]。本研究暫不考慮系統熱噪聲和雷達波穿透引起的體散射影響。為減小其他因素對相干系數的影響，本研究采用以下處理辦法：選取時間間隔短、空間基線小的干涉像對以降低時間、空間的相干影響;數據處理時對干涉像對兩期影像進行精配準和濾波，消除配準誤差和方位向多普勒中心偏移引起的相干影響。

不同地物具有不同的干涉相干特性，居民地等人工地物相干系數一般高于植被、水體等，且隨時間變化不大，根據這一特性可通過干涉數據進行地物分類[7，13-14]。在河道內開展占、采、堆、建等水事活動，會引起地表地物變化，如植被、裸灘變成建筑物，水面、裸灘變成砂堆、棄土棄渣等。水事活動在不同時期相干系數圖上表現為相同位置相干系數發生顯著變化，以此可以利用多期相干系數差異進行水事活動監測。

3.2 研究方法

選用4期Radarsat-2遙感影像形成2對干涉像對，利用SARscape軟件進行干涉數據處理，在對干涉像對分別進行數據預處理的基礎上生成相干系數圖，采用差值閾值法進行水事活動信息提取，并采用高分辨率可見光遙感影像對監測結果進行驗證和分析，技術路線見圖1。

3.2.1 數據預處理

由于干涉像對兩期影像成像時傳感器的位置不一樣，影像同名點之間存在位置偏移，因此采用重復軌道數據進行干涉測量時需要對影像進行精配準，將配準后的影像生成干涉圖，并去除干涉條紋。InSAR的相干相位包括平地分量和高差分量，通過干涉去平、Goldstein自適應濾波等數據處理方法去除平地相位差、保留高程相位差，在此基礎上進行相干性計算，并進行地理編碼，生成相干系數圖。

3.2.2 信息提取

不同時期相干系數圖之間存在幾何位置偏差，在進行信息提取前需要對兩期相干系數圖進行影像配準，使同名點在兩個時期圖像上具有相同的坐標位置。閾值法是遙感影像變化監測的常用方法[10，12]，本文采用差值閾值法進行水事活動監測。將后一期與前一期相干系數圖進行差值計算得到相干系數差值圖，將差值大于一定閾值的像元判定為水事活動疑似“熱點”，根據差值圖和野外實地查勘資料將閾值設定為0.15。采用Majority鄰域后處理方法對初步結果圖像進行后處理，窗口大小為3×3。最后去除噪聲引起的過小圖斑，并將柵格成果轉成矢量，得到水事活動疑似“熱點”圖斑。

4 結果與分析

根據前文提出的監測方法進行水事活動監測，獲得水事活動疑似“熱點”圖斑。為了方便結果驗證和分析，選取龍門鎮部分監測結果，相干系數差值和監測結果如圖2所示。

選取2016年6月27日和2017年6月20日的2 m高分辨率衛星遙感影像對該區域監測結果進行驗證分析，見圖3。A區域為一處新增的臨河房屋，圖2（a）中該區域相干系數明顯增大，與2016年影像相比，2017年區域內部分土地進行了平整，部分房屋已經建成;B區域為一處棄渣堆放場，2016年該棄渣堆為黑色棄渣且堆放形態較為規整，2017年棄渣顏色變為黃色，堆放形態也發生變化，為一個個散亂分布的小堆，導致相干系數發生變化;C區域為一處面積擴大的棄渣堆放場，與2016年相比，2017年棄渣堆形態發生較大變化，棄渣堆向南北兩側都有擴張。由此可見，基于InSAR相干系數可以發現河道開發建設、堆放、占用等水事活動變化。但是，由于雷達影像存在噪聲、建筑物存在多次散射且散射情況復雜，因此結果中會存在一些偽變化點，需要進一步判別處理。

5 結 語

采用4期Radarsat-2遙感影像形成2對干涉像對，提出了基于InSAR相干系數的河道水事活動疑似“熱點”圖斑的監測方法，在黃河小北干流河段進行試驗，成功發現河道臨河房屋建設、堆放、占用等水事活動，表明利用相干系數進行河道水事活動發現監測是可行的。利用該方法進行河道水事活動監測能夠快速發現疑似對象，在此基礎上進行水事活動解譯，可以縮小解譯范圍，大大降低解譯工作量，為河湖岸線監管提供重要支撐。

本研究的閾值選取主要依據人工經驗，不同遙感影像、不同作業區域需要重新確定閾值。雷達影像存在噪聲、建筑物存在多次散射造成監測結果存在一些誤差。將來需要在閾值自動確定和利用多源數據抑制雷達噪聲等方面開展研究，進一步提高監測的自動化程度和準確度。

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【責任編輯 張 帥】