《合成孔徑雷達衛(wèi)星監(jiān)測技術導則水體面積》編制說明

1、氣象行業(yè)標準合成孔徑雷達衛(wèi)星監(jiān)測技術導則水體面積編制說明一、工作簡況1.任務來源本標準由全國衛(wèi)星氣象與空間天氣標準化技術委員會（ 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)司下達各?。▍^(qū)、市）氣象局，各直屬單位，各內(nèi)設機構（氣法函 2019 58 號），項目編號 QX/T -2020-46。2.協(xié)作單位本標準起草單位為國家衛(wèi)星氣象中心。3.主要工作過程（ 1）成立起草組。 2018 年 12 月成立標準起草組，編制單位成立了標準起草組，并制定了實施計劃。起草組按計劃進行了資料收集、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衛(wèi)星水體識別的方法，包括發(fā)表文獻、技術報告、 監(jiān)測報告等，分析總結各種衛(wèi)星遙感水體識別方法的特點， 重點分析整理了合成孔徑雷達衛(wèi)星在水體面積信息提取方面的應用方法。同時， 收集已經(jīng)在業(yè)務中使用的合成孔徑雷達衛(wèi)星水情監(jiān)測方法，這些方法根據(jù)業(yè)務應用效果不斷改進與完善， 具有很強的業(yè)務適用性，如國家衛(wèi)星氣象中心研發(fā)的高分辨率衛(wèi)星氣象應用軟件系統(tǒng)等。 通過以上合成孔徑雷達衛(wèi)星水體識別方法的信息收集、整理與分析， 項目組提出本標準的水體面積信息提取方法，建立標準初步框架。（ 3）完成初稿。 2019 年 5 月，經(jīng)標準編制組多次深入的討論和充分的論證，標準初稿草稿完成，提交主管機構

3、審核。（ 4）標準立項。 2019 年 10 月 9 日由中國氣象局政策法規(guī)司下達各?。▍^(qū)、市）氣象局，各直屬單位，各內(nèi)設機構（氣法函2019 58 號），項目編號 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)務實際，結合調研成果，按照法規(guī)司、標委會的要求，在初稿的基礎上，通過進一步的深入調研，完成了征求意見稿的起草。4.標準主要起草人及其所做的工作本標準主要起草人為張海真、鄭偉、劉誠，分工如下：1張海真本標準起草負責人，負責資料收集、初稿起草和修改。鄭偉 負責資料收集與標準編寫把關。劉誠 負責資料收集與技術把關。二、標準編

4、制原則和確定標準主要內(nèi)容的論據(jù)1.原則1.1 實用性：本標準中所涉及的衛(wèi)星資料均應來自目前遙感部門可方便獲取合成孔徑雷達衛(wèi)星，包括高分三號衛(wèi)星、哨兵一號衛(wèi)星。這些衛(wèi)星均可用于水體面積的提取，可根據(jù)實際獲得的觀測數(shù)據(jù)的模式不同，選用不同的極化方式進行水體面積提取。1.2 可操作性：本標準所用的處理方法均應具有明確的定義，并對需要用戶自己選用的參數(shù)予以說明。1.3 系統(tǒng)性：本標準對合成孔徑雷達衛(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)本標準規(guī)定了合成孔徑雷達衛(wèi)星水體監(jiān)測所使用的前期數(shù)據(jù)要求、監(jiān)測方法和處理流程，適用于合成孔徑雷達衛(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 合成孔徑雷達衛(wèi)星水體判識原理據(jù)合成孔徑雷達圖像的輻射特性可知，雷達回波強度由雷達參數(shù)(波長、極化方式、入射角 )、地物形狀、復介電常數(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圖像用于水體分析時，主要考慮地表的粗糙度對雷達回波強度的影響。粗糙表面主要是漫反射，后向回波強， 圖像成灰色和灰白色。水體粗糙度相對微波波段屬于平滑面， 為鏡面反射， 后向散射強度弱，圖像成暗色或黑色。水體信息提取就是利用水體的雷2達回波強度小的特

6、點：R=R<?（ 2）?式中：R?水體初步判識結果。R 合成孔徑雷達圖像后向散射系數(shù)。?合成孔徑雷達圖像后向散射系數(shù)閾值，即水體與非水體在合成孔徑雷達圖像后向?散射系數(shù)的差異。2.2 合成孔徑雷達圖像幾何形變合成孔徑雷達具有不同于光學的特有的側視成像方式，導致影像會出現(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，則會嚴重影響影像信息的定位和識別。下圖為合成孔徑雷達陰影產(chǎn)生的原理。當山脊走向與雷達波束垂直的情況, 雷達陰影的形成與傳感器俯角(等于 90 度減去

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

8、徑雷達圖像陰影產(chǎn)生的原理32.3 合成孔徑雷達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）模擬雷達圖像，雷達圖像模擬原理如圖2 所示。圖 2 合成孔徑雷達圖像模擬| ?( ?) - ?|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， ?( )?為地球表面成像點的位置矢量，? ?為衛(wèi)星速度矢量，?地球表面成像點的

9、速度矢量，? 為衛(wèi)星與地面點的斜距， ? 為衛(wèi)星對地面點成像時的多普?勒中心頻率， ?為雷達波長， ? 為地面點的高度， ?為卯酉圈曲率半徑，?為橢球體偏心率， ?為局部入射角。利用模擬的雷達圖像，進行陰影提?。篟 = R< ?（ 7）? ?式中：R 陰影判識結果。?4R?im合成孔徑雷達模擬圖像后向散射系數(shù)。?合成孔徑雷達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 HAND 大于某個閾值時，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?陰影判識結果。HAND 地形指數(shù)HAND 。2.5 水體精確判識消除水體初步判識結果中陰影的影響區(qū)域，可得到精確的水體判識結果：R?= R?- R?（ 9）式中：Ra 水體精確判識結果。Rc 水體初步判識結果。Rs 陰影判識結果。減號運算符去除R 集合中出現(xiàn)在R 集合的像元。?3.主要依據(jù)編制本標準采用的依據(jù)：以 GB/T 1.1 2020標準化工作導則第 1 部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則 系列標準為基礎， 參考出版行業(yè)的相關編寫規(guī)定， 遵照中國氣象局相關法律、法規(guī)、規(guī)章、技術政策、 標準及其規(guī)范， 以及氣象行業(yè)標準的

11、特點， 本著簡明、 規(guī)范、實用的原則進行編制。三、主要試驗（或驗證）的分析、綜述報告，技術經(jīng)濟論證，預期的經(jīng)濟效果本標準所采用的合成孔徑雷達水體面積提取方法，是在參考了國內(nèi)外最新進展以及中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心業(yè)務上水情監(jiān)測方法的基礎上制定的。3.1 水體判識閾值確定由于受水體深淺程度、水面面積大小、圖像質量、斑點噪聲等因素的影響，很難確定適用于不同水體的判識閾值。本標準中水體初步判識閾值的確定方法為：將圖幅大小為X ×Y5的圖像 M 劃分為 N 個子圖像，每個子圖像的大小為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 p 值。Tp p 值閾值，參考值為5%。5%為統(tǒng)計學上Hartigan 傾角檢驗 ?值的門限值，此處直接引用。通過最大期望似然估計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的閾值。具體步驟如下：利用最大期望方法估計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?相應密度函數(shù)的未知參數(shù)。在水體監(jiān)測時，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)的最大似然估計采用最大期望方法，具體步驟如下：對各類密度分布中的待估計參數(shù)進行初始化，包括各類別的比例、 均值向量、 協(xié)方差矩陣。重復（ 14）和（ 15），直到迭代收斂。收斂判斷準則為?()()（ 13）|?- ?-1|<?=1 ?對樣本 ?)屬于第 i 個分支的后驗概率(?= 1,2,?，根據(jù)第 t 次迭代結果，計算 ?()()?+1= ?(?; ?) =?()()? (? ; ?)?（ 14）?(?)(?(?)? ?; ?)?=1? ?計算模型參數(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 2017 年 -2019 年業(yè)務中處理的合成孔徑雷達數(shù)據(jù)（30 景）進行統(tǒng)計，確定地形指數(shù)閾值為15m 時，能夠有效去除地形陰影的影響。63.3 驗證分析結果示例2019 年 7 月，受強降水影響， 湖南省株洲市發(fā)生嚴重洪澇災情，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 （ GF-3）10 米分辨率雷達衛(wèi)星資料對湖南省株洲地區(qū)進行監(jiān)測可見株洲市內(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)測結果基于兩個時次的合成孔徑雷達水體判識方法，在此次監(jiān)測服務中使用了 HAND 地形指數(shù)陰影提取方法，從監(jiān)測結果圖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。由于同時次光學圖像受云霧遮擋影響，本次精度檢驗采用水體判識結果與合成孔徑雷達圖像人機交互目視檢驗的方法，經(jīng)檢驗， 水體判識結果與合成孔徑雷達圖像一致性較好。圖 3 高分三號合成孔徑雷達圖像（引自氣象衛(wèi)星水情監(jiān)測報告2019 年第 13 期）7圖 4 合成孔徑雷達圖像水體監(jiān)測結果（左圖：圖 3 紅框 2 局部放大圖，右圖：監(jiān)測專

16、題圖）2019 年超強臺風“肯尼斯”于4 月 25 日 22 時 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)洪澇災害。利用“肯尼斯”登陸前后的哨兵一號雷達數(shù)據(jù)對上述地區(qū)進行監(jiān)測，表明德爾加杜角省與楠普拉省多條河流出現(xiàn)擴大水體，盧里奧河河道增寬明顯。經(jīng)估算，上述地區(qū)擴大水體的范圍約為184.75 平方千米。在此次監(jiān)測服務中使用了合成孔徑雷達圖像模擬陰影的提取方法，從監(jiān)測結果可見， 有效的去除了圖像中部山區(qū)陰影部分的影響。8圖 5 合成孔徑雷達監(jiān)測（引自氣象衛(wèi)星一帶一路服務專報2019 年第 20 期）四、采用國際標準和國外先進標準的程度，以及與國際、國外同類標準水平的對比情況，或與測試的國外樣品、樣機的有關數(shù)據(jù)對比情況尚未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外有類似的標準。五、與有關的現(xiàn)行法律、法規(guī)和強制性國家標準的關系本標準制定的內(nèi)容符合國家相關法律、法規(guī)、政策的規(guī)定，并且符合 GB/T 1標準化工作導則 系列標準的要求。 本標準屬于氣象行業(yè)標準， 是氣象行業(yè)利用合成孔徑雷達衛(wèi)星進行水體面積提取的指導性規(guī)范。六、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)無。七、標準作為強制性標準或推薦性標準的建議本標準為推薦性標準， 由于本標準的制定內(nèi)容主要根據(jù)氣象行業(yè)應用需求和業(yè)務能力現(xiàn)