《合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則水體面積》編制說明

1、氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則水體面積編制說明一、工作簡況1.任務(wù)來源本標(biāo)準(zhǔn)由全國衛(wèi)星氣象與空間天氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（ SAC/TC 347 ）提出并歸口。 2019年 10 月 9 日由中國氣象局政策法規(guī)司下達(dá)各省（區(qū)、市）氣象局，各直屬單位，各內(nèi)設(shè)機(jī)構(gòu)（氣法函 2019 58 號(hào)），項(xiàng)目編號(hào) QX/T -2020-46。2.協(xié)作單位本標(biāo)準(zhǔn)起草單位為國家衛(wèi)星氣象中心。3.主要工作過程（ 1）成立起草組。 2018 年 12 月成立標(biāo)準(zhǔn)起草組，編制單位成立了標(biāo)準(zhǔn)起草組，并制定了實(shí)施計(jì)劃。起草組按計(jì)劃進(jìn)行了資料收集、工作分工。（ 2）組織起草。 2019 年 1 月，廣泛收集國內(nèi)外衛(wèi)星

2、遙感尤其是合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星水體識(shí)別的方法，包括發(fā)表文獻(xiàn)、技術(shù)報(bào)告、 監(jiān)測(cè)報(bào)告等，分析總結(jié)各種衛(wèi)星遙感水體識(shí)別方法的特點(diǎn)， 重點(diǎn)分析整理了合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星在水體面積信息提取方面的應(yīng)用方法。同時(shí)， 收集已經(jīng)在業(yè)務(wù)中使用的合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星水情監(jiān)測(cè)方法，這些方法根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用效果不斷改進(jìn)與完善， 具有很強(qiáng)的業(yè)務(wù)適用性，如國家衛(wèi)星氣象中心研發(fā)的高分辨率衛(wèi)星氣象應(yīng)用軟件系統(tǒng)等。 通過以上合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星水體識(shí)別方法的信息收集、整理與分析， 項(xiàng)目組提出本標(biāo)準(zhǔn)的水體面積信息提取方法，建立標(biāo)準(zhǔn)初步框架。（ 3）完成初稿。 2019 年 5 月，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)編制組多次深入的討論和充分的論證，標(biāo)準(zhǔn)初稿草稿完成，提交主管機(jī)構(gòu)

3、審核。（ 4）標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)。 2019 年 10 月 9 日由中國氣象局政策法規(guī)司下達(dá)各?。▍^(qū)、市）氣象局，各直屬單位，各內(nèi)設(shè)機(jī)構(gòu)（氣法函2019 58 號(hào)），項(xiàng)目編號(hào) QX/T -2020-46。（ 5）征求意見稿起草。 2019 年 10 月至 2020 年 6 月，起草組根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際，結(jié)合調(diào)研成果，按照法規(guī)司、標(biāo)委會(huì)的要求，在初稿的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步的深入調(diào)研，完成了征求意見稿的起草。4.標(biāo)準(zhǔn)主要起草人及其所做的工作本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人為張海真、鄭偉、劉誠，分工如下：1張海真本標(biāo)準(zhǔn)起草負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)資料收集、初稿起草和修改。鄭偉 負(fù)責(zé)資料收集與標(biāo)準(zhǔn)編寫把關(guān)。劉誠 負(fù)責(zé)資料收集與技術(shù)把關(guān)。二、標(biāo)準(zhǔn)編

4、制原則和確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的論據(jù)1.原則1.1 實(shí)用性：本標(biāo)準(zhǔn)中所涉及的衛(wèi)星資料均應(yīng)來自目前遙感部門可方便獲取合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星，包括高分三號(hào)衛(wèi)星、哨兵一號(hào)衛(wèi)星。這些衛(wèi)星均可用于水體面積的提取，可根據(jù)實(shí)際獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)的模式不同，選用不同的極化方式進(jìn)行水體面積提取。1.2 可操作性：本標(biāo)準(zhǔn)所用的處理方法均應(yīng)具有明確的定義，并對(duì)需要用戶自己選用的參數(shù)予以說明。1.3 系統(tǒng)性：本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星水體面積提取各步驟涉及的參數(shù)均予以說明。2.確定本部分內(nèi)容的論據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星水體監(jiān)測(cè)所使用的前期數(shù)據(jù)要求、監(jiān)測(cè)方法和處理流程，適用于合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)水體信息的提取。確定本部分內(nèi)容的具體

5、論據(jù)如下：2.1 合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星水體判識(shí)原理據(jù)合成孔徑雷達(dá)圖像的輻射特性可知，雷達(dá)回波強(qiáng)度由雷達(dá)參數(shù)(波長、極化方式、入射角 )、地物形狀、復(fù)介電常數(shù)與粗糙度等決定。0（ 1）? = ?( ?,?,?,?,?,?, ?,?)12式中：?：波長?：入射角?：極化方式?：方位角?：復(fù)介電常數(shù)? ：表面粗糙度1? ：亞表面粗糙度2? ：體散射合成孔徑雷達(dá)圖像用于水體分析時(shí)，主要考慮地表的粗糙度對(duì)雷達(dá)回波強(qiáng)度的影響。粗糙表面主要是漫反射，后向回波強(qiáng)， 圖像成灰色和灰白色。水體粗糙度相對(duì)微波波段屬于平滑面， 為鏡面反射， 后向散射強(qiáng)度弱，圖像成暗色或黑色。水體信息提取就是利用水體的雷2達(dá)回波強(qiáng)度小的特

6、點(diǎn)：R=R<?（ 2）?式中：R?水體初步判識(shí)結(jié)果。R 合成孔徑雷達(dá)圖像后向散射系數(shù)。?合成孔徑雷達(dá)圖像后向散射系數(shù)閾值，即水體與非水體在合成孔徑雷達(dá)圖像后向?散射系數(shù)的差異。2.2 合成孔徑雷達(dá)圖像幾何形變合成孔徑雷達(dá)具有不同于光學(xué)的特有的側(cè)視成像方式，導(dǎo)致影像會(huì)出現(xiàn)特有的透視收縮、疊掩和陰影等幾何形變現(xiàn)象。一般在平原或地形起伏較小地區(qū)提取的水體圖像的幾何變形較小，可以不考慮地形起伏引起的圖像的幾何形變，而在地形起伏明顯的山區(qū)幾何形變顯著，則會(huì)嚴(yán)重影響影像信息的定位和識(shí)別。下圖為合成孔徑雷達(dá)陰影產(chǎn)生的原理。當(dāng)山脊走向與雷達(dá)波束垂直的情況, 雷達(dá)陰影的形成與傳感器俯角(等于 90 度減去

7、雷達(dá)入射角)和山體背坡坡度角有關(guān), 當(dāng) >時(shí) ,整個(gè)背坡能接收到雷達(dá)波束,不產(chǎn)生陰影。當(dāng)=時(shí) , 即波束接近掠射時(shí), 這時(shí)如果背坡平滑,不能接收到回波信號(hào), 圖像色調(diào)很暗;如有起伏 , 則有的地段可產(chǎn)生回波, 有的產(chǎn)生陰影。當(dāng) < , 此時(shí)背坡沒有波束到達(dá), 產(chǎn)生陰影。 當(dāng)山脊走向與航向不平行時(shí), 產(chǎn)生陰影的條件和俯角 , 坡度角以及山脊走向與航向的夾角有關(guān)。但無論上述哪種情況, 雷達(dá)陰影的形成,都是在背坡無法獲得雷達(dá)波束的情況下產(chǎn)生的, 也就是在圖像相應(yīng)的位置出現(xiàn)暗區(qū), 沒有信息, 即出現(xiàn)雷達(dá)陰影現(xiàn)象。在合成孔徑雷達(dá)圖像上，陰影同樣表現(xiàn)為暗區(qū)域，容易與水體判識(shí)混淆。圖 1 合成孔

8、徑雷達(dá)圖像陰影產(chǎn)生的原理32.3 合成孔徑雷達(dá)圖像模擬為了消除陰影的影響，可以利用衛(wèi)星軌道參數(shù)、成像參數(shù)、 數(shù)字高程模型以及地面散射模型（式3-6）模擬雷達(dá)圖像，雷達(dá)圖像模擬原理如圖2 所示。圖 2 合成孔徑雷達(dá)圖像模擬| ?( ?) - ?|22= ?2 ×( )?(? -?( ?) ) = ?-?| ?(?) -?|?222?+?+?= 1(?+? )2(?+? ) 2( ?( 1-?2)+? )2= (0.0133?) 3?+0.1?（ 3）（ 4）（ 5）（ 6）( )為式中， ?為衛(wèi)星位置矢量， ?( )?為地球表面成像點(diǎn)的位置矢量，? ?為衛(wèi)星速度矢量，?地球表面成像點(diǎn)的

9、速度矢量，? 為衛(wèi)星與地面點(diǎn)的斜距， ? 為衛(wèi)星對(duì)地面點(diǎn)成像時(shí)的多普?勒中心頻率， ?為雷達(dá)波長， ? 為地面點(diǎn)的高度， ?為卯酉圈曲率半徑，?為橢球體偏心率， ?為局部入射角。利用模擬的雷達(dá)圖像，進(jìn)行陰影提取：R = R< ?（ 7）? ?式中：R 陰影判識(shí)結(jié)果。?4R?im合成孔徑雷達(dá)模擬圖像后向散射系數(shù)。?合成孔徑雷達(dá)模擬圖像后向散射系數(shù)閾值，即陰影與非陰影在合成孔徑雷達(dá)圖?im像后向散射系數(shù)的差異。2.4 HADN地形指數(shù)陰影提取HAND（ Height Above Nearest Drainage ）地形指數(shù)能夠表示距離最近河道高程值的大小。當(dāng) HAND 大于某個(gè)閾值時(shí)，可用于

10、降低由于地形陰影帶來的水體誤判。R = HAND ?（ 8）?式中：R?陰影判識(shí)結(jié)果。HAND 地形指數(shù)HAND 。2.5 水體精確判識(shí)消除水體初步判識(shí)結(jié)果中陰影的影響區(qū)域，可得到精確的水體判識(shí)結(jié)果：R?= R?- R?（ 9）式中：Ra 水體精確判識(shí)結(jié)果。Rc 水體初步判識(shí)結(jié)果。Rs 陰影判識(shí)結(jié)果。減號(hào)運(yùn)算符去除R 集合中出現(xiàn)在R 集合的像元。?3.主要依據(jù)編制本標(biāo)準(zhǔn)采用的依據(jù)：以 GB/T 1.1 2020標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第 1 部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則 系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)， 參考出版行業(yè)的相關(guān)編寫規(guī)定， 遵照中國氣象局相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章、技術(shù)政策、 標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范， 以及氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的

11、特點(diǎn)， 本著簡明、 規(guī)范、實(shí)用的原則進(jìn)行編制。三、主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）的分析、綜述報(bào)告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果本標(biāo)準(zhǔn)所采用的合成孔徑雷達(dá)水體面積提取方法，是在參考了國內(nèi)外最新進(jìn)展以及中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心業(yè)務(wù)上水情監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上制定的。3.1 水體判識(shí)閾值確定由于受水體深淺程度、水面面積大小、圖像質(zhì)量、斑點(diǎn)噪聲等因素的影響，很難確定適用于不同水體的判識(shí)閾值。本標(biāo)準(zhǔn)中水體初步判識(shí)閾值的確定方法為：將圖幅大小為X ×Y5的圖像 M 劃分為 N 個(gè)子圖像，每個(gè)子圖像的大小為R× R，其中， R 取決于圖像M 的空間分辨率以及圖像中水體和非水體所占的比例。選擇滿足如下條件

12、的子圖像，?< ?（ 10）?式中：p Hartigan 傾角檢驗(yàn) p 值。Tp p 值閾值，參考值為5%。5%為統(tǒng)計(jì)學(xué)上Hartigan 傾角檢驗(yàn) ?值的門限值，此處直接引用。通過最大期望似然估計(jì)法確定上述各子圖像的閾值， 各子圖像閾值的期望作為水體初步判識(shí)的閾值。具體步驟如下：利用最大期望方法估計(jì)分塊圖像每類概率分布的參數(shù)集合。 根據(jù)有限混合密度模型定義概率密度函數(shù)為()?()（11）? ;? =?;?=1? ?其中， ?為各混合密度分支的比重，k為混合模型的數(shù)目，? 為模型分支的密度函數(shù)，?為?相應(yīng)密度函數(shù)的未知參數(shù)。在水體監(jiān)測(cè)時(shí)，假定水體和非水體都服從高斯分布，即1() 2()?

13、-?(-2 )（ 12）? ; ? =2?2?2其中， u和 ? 分別為高斯分布的均值和方差。模型參數(shù)的最大似然估計(jì)采用最大期望方法，具體步驟如下：對(duì)各類密度分布中的待估計(jì)參數(shù)進(jìn)行初始化，包括各類別的比例、 均值向量、 協(xié)方差矩陣。重復(fù)（ 14）和（ 15），直到迭代收斂。收斂判斷準(zhǔn)則為?()()（ 13）|?- ?-1|<?=1 ?對(duì)樣本 ?)屬于第 i 個(gè)分支的后驗(yàn)概率(?= 1,2,?，根據(jù)第 t 次迭代結(jié)果，計(jì)算 ?()()?+1= ?(?; ?) =?()()? (? ; ?)?（ 14）?(?)(?(?)? ?; ?)?=1? ?計(jì)算模型參數(shù)?()1?()?+1?=（15）?

14、=1?(?+1)( ?+1)(?+1)其中， ?= (?,? )。?3.2 地形指數(shù)閾值確定通過對(duì) 2017 年 -2019 年業(yè)務(wù)中處理的合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)（30 景）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定地形指數(shù)閾值為15m 時(shí)，能夠有效去除地形陰影的影響。63.3 驗(yàn)證分析結(jié)果示例2019 年 7 月，受強(qiáng)降水影響， 湖南省株洲市發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)情，湘江干流及支流洣水、淥水、涓水等11 條河流發(fā)生超警戒以上洪水，湘江干流全線超警。利用2019 年 7 月 11 日與 2019 年 6 月 3 日高分三號(hào) （ GF-3）10 米分辨率雷達(dá)衛(wèi)星資料對(duì)湖南省株洲地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)可見株洲市內(nèi)多處耕地、 建筑、林地等受洪澇影響，

15、 湘江支流鐵河、 淥水河道增寬。 經(jīng)估算，上述地區(qū)新增水體面積約為90 平方千米。此次洪澇監(jiān)測(cè)結(jié)果基于兩個(gè)時(shí)次的合成孔徑雷達(dá)水體判識(shí)方法，在此次監(jiān)測(cè)服務(wù)中使用了 HAND 地形指數(shù)陰影提取方法，從監(jiān)測(cè)結(jié)果圖3-圖 4 可見，西北部、東部山區(qū)陰影部分的影響得到了有效的去除。由于同時(shí)次光學(xué)圖像受云霧遮擋影響，本次精度檢驗(yàn)采用水體判識(shí)結(jié)果與合成孔徑雷達(dá)圖像人機(jī)交互目視檢驗(yàn)的方法，經(jīng)檢驗(yàn)， 水體判識(shí)結(jié)果與合成孔徑雷達(dá)圖像一致性較好。圖 3 高分三號(hào)合成孔徑雷達(dá)圖像（引自氣象衛(wèi)星水情監(jiān)測(cè)報(bào)告2019 年第 13 期）7圖 4 合成孔徑雷達(dá)圖像水體監(jiān)測(cè)結(jié)果（左圖：圖 3 紅框 2 局部放大圖，右圖：監(jiān)測(cè)專

16、題圖）2019 年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“肯尼斯”于4 月 25 日 22 時(shí) 30 分前后在莫桑比克北部德爾加杜角省沿海登陸， 持續(xù)暴雨造成莫桑比克北部出現(xiàn)洪澇災(zāi)害。利用“肯尼斯”登陸前后的哨兵一號(hào)雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)上述地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，表明德爾加杜角省與楠普拉省多條河流出現(xiàn)擴(kuò)大水體，盧里奧河河道增寬明顯。經(jīng)估算，上述地區(qū)擴(kuò)大水體的范圍約為184.75 平方千米。在此次監(jiān)測(cè)服務(wù)中使用了合成孔徑雷達(dá)圖像模擬陰影的提取方法，從監(jiān)測(cè)結(jié)果可見， 有效的去除了圖像中部山區(qū)陰影部分的影響。8圖 5 合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)（引自氣象衛(wèi)星一帶一路服務(wù)專報(bào)2019 年第 20 期）四、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的程度，以及與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)水平的對(duì)比情況，或與測(cè)試的國外樣品、樣機(jī)的有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比情況尚未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外有類似的標(biāo)準(zhǔn)。五、與有關(guān)的現(xiàn)行法律、法規(guī)和強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系本標(biāo)準(zhǔn)制定的內(nèi)容符合國家相關(guān)法律、法規(guī)、政策的規(guī)定，并且符合 GB/T 1標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 系列標(biāo)準(zhǔn)的要求。 本標(biāo)準(zhǔn)屬于氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 是氣象行業(yè)利用合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星進(jìn)行水體面積提取的指導(dǎo)性規(guī)范。六、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)無。七、標(biāo)準(zhǔn)作為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)或推薦性標(biāo)準(zhǔn)的建議本標(biāo)準(zhǔn)為推薦性標(biāo)準(zhǔn)， 由于本標(biāo)準(zhǔn)的制定內(nèi)容主要根據(jù)氣象行業(yè)應(yīng)用需求和業(yè)務(wù)能力現(xiàn)