基于InSAR相干系数的河湖岸线水事活动监测

陈子琪 陈亮 李建松

摘 要：及时发现河湖岸线水事活动对监管河湖岸线、维护河湖健康具有重要意义。选取黄河小北干流4期Radarsat-2遥感影像形成2期干涉像对，对干涉数据进行数据预处理生成相干系数图。利用地物的干涉相干特性，采用差值阈值法获取河湖岸线水事活动疑似“热点”图斑，以同期高分辨率可见光遥感影像为验证数据对结果进行验证和分析。结果表明，基于相干系数变化可以成功发现河道临河房屋建设、堆放、占用等水事活动，利用该方法进行河道水事活动监测是可行的。

关键词：相干系数;水事活动;InSAR;发现监测;河湖岸线

中图分类号：TP79   文献标志码：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

河湖水系是水资源的重要载体，在防洪、供水、灌溉、发电、航运、生态等方面具有不可替代的作用。长期以来，河湖岸线是新老水问题最为集中的区域，违规建设开发、围垦河湖、侵占河道、违法养殖、非法采砂等水事活动频发，河道和湖泊面积萎缩、水域空间减小、水质恶化、生物栖息地破坏等问题十分突出，严重影响了河湖健康。2016年和2017年中共中央办公厅、国务院办公厅先后印发了《关于全面推行河长制的意见》和《关于在湖泊实施湖长制的指导意见》，在全国江河湖泊全面推行河湖长制，为维护河湖健康生命、实现河湖功能永续利用提供了制度保障。在全国范围内开展的河湖清“四乱”专项行动是推动河长制从“有名”向“有实”转变的第一抓手，是水利行业强监管的重要内容，是对各级河长、湖长和水行政主管部门履职尽责的底线要求。

2019年9月，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会讲话中指出，当前黄河流域仍存在一些突出困难和问题，流域生态环境脆弱，水资源保障形势严峻，发展质量有待提高。要坚持生态优先、绿色发展，以水而定、量水而行，因地制宜、分类施策，上下游、干支流、左右岸统筹谋划，共同抓好大保护，协同推进大治理。利用科技手段加强黄河干流及其支流河道监管，快速发现河道“四乱”变化情况，第一时间制止河湖“四乱”问题，防止事态扩大、减小损失，对保护黄河流域生态环境、维护河湖健康生命具有重大意义。

利用遥感技术进行城市、矿区等土地利用开发活动监测已经取得广泛应用。张翰超等[1]利用高分辨率可见光遥感影像对2000—2015年中国省会城市扩张情况进行高精度监测;翟浩然等[2]利用Landsat遥感影像对1990—2015年中国超大城市建设用地时空变化进行监测;占昕等[3]结合Landsat遥感影像和DMSP/OLS夜间灯光数据进行厦门市城市扩张测度研究。以上成功应用为城市规划、发展决策提供支撑。赵鹏[4]、王海庆等[5]利用高分辨率可见光遥感影像进行矿区开发监测，为矿区监管提供依据;李春雷等[6]利用高分辨率可见光遥感影像进行河湖清“四乱”应用的探索研究。河道水事活动发展速度快，对监测时效性要求高，可见光遥感技术受云、雾等天气影响无法开展有效监测。合成孔径雷达（SAR）具有全天时、全天候的监测优势，可以不受天气因素影响及时发现地表变化。干涉雷达（InSAR）可以获取地表相干特性，在地表變化监测方面具有独特优势。卢婷婷[7]利用InSAR技术对城市和矿区地表变化进行监测;Drezet等[8]利用ERS干涉相干系数图像进行森林覆盖率提取;张舞燕等[9]利用ENVISAT ASAR干涉相干系数进行豫北地区城市边界提取，取得较好效果;郭唯娜等[10]采用两个时期InSAR干涉相干系数取阈值的方法获取东帕米尔高原冰川边界，提取精度达到90%。地表变化引起相干性发生变化，为采用InSAR相干系数进行河道水事活动监测提供了新监测手段。

采用不同时期高分辨率SAR干涉像对生成相干系数图，基于水事活动发生后河道地表在雷达干涉影像上相干性变化特性，采用差值阈值法进行水事活动“热点”图斑监测，及时发现水事活动疑似点，为河湖监管提供有力支撑。

2 研究区概况与数据

2.1 研究区概况

选取黄河小北干流河段为研究区，该河段位于黄河干流禹门口和潼关之间，河段长132.5 km，为晋陕两省界河。左岸为山西省运城市所属河津、万荣、临猗、永济、芮城5县（市），右岸为陕西省渭南市所属韩城、合阳、大荔、潼关4县（市）。河道穿行于汾、渭地堑谷凹地区，沿程有汾河、涺水、涑水河、渭河、北洛河等支流汇入，两岸为高出河床10～200 m的黄土台塬。黄河小北干流河道宽4～19 km，河道总面积1 107 km2，其中滩区面积657 km2，属淤积性游荡型河道。宽广的河道滩区居住了数十万居民，为了生产生活需要在河道内开展大量生产建设活动，河道内违规建设开发、侵占河道、非法采砂等水事活动时有发生，是河道监管的重点关注河段。

2.2 研究数据

以Radarsat-2雷达卫星遥感影像为研究数据进行水事活动监测研究。Radarsat-2雷达卫星由加拿大太空署与MDA公司合作研发，2007年12月14日发射升空。卫星轨高798 km，重访周期为24 d，成像波段为C波段，具有HH、VV、HV、VH 4种极化方式和11种波束模式，成像空间分辨率为1～100 m，单景幅宽为20～500 km。选用3 m空间分辨率、超精细波束模式、VV极化方式的Radarsat-2雷达卫星遥感影像，共采集了4期影像组成两对干涉像对，分别为2016年12月28日和2017年1月21日的干涉像对、2017年8月1日和2017年8月25日的干涉像对，Radarsat-2 SAR影像相关参数见表1。

选用SRTM 90 m空间分辨率DEM数据作为参考DEM进行干涉雷达影像预处理。选用2 m空间分辨率的可见光遥感影像进行结果验证与对比分析。

影响相干系数大小的因素主要有系统热噪声、空间基线、时间基线、方位向多普勒中心偏移、雷达波穿透引起的体散射、复数影像配准误差等[10，12]。本研究暂不考虑系统热噪声和雷达波穿透引起的体散射影响。为减小其他因素对相干系数的影响，本研究采用以下处理办法：选取时间间隔短、空间基线小的干涉像对以降低时间、空间的相干影响;数据处理时对干涉像对两期影像进行精配准和滤波，消除配准误差和方位向多普勒中心偏移引起的相干影响。

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数一般高于植被、水体等，且随时间变化不大，根据这一特性可通过干涉数据进行地物分类[7，13-14]。在河道内开展占、采、堆、建等水事活动，会引起地表地物变化，如植被、裸滩变成建筑物，水面、裸滩变成砂堆、弃土弃渣等。水事活动在不同时期相干系数图上表现为相同位置相干系数发生显著变化，以此可以利用多期相干系数差异进行水事活动监测。

3.2 研究方法

选用4期Radarsat-2遥感影像形成2对干涉像对，利用SARscape软件进行干涉数据处理，在对干涉像对分别进行数据预处理的基础上生成相干系数图，采用差值阈值法进行水事活动信息提取，并采用高分辨率可见光遥感影像对监测结果进行验证和分析，技术路线见图1。

3.2.1 数据预处理

由于干涉像对两期影像成像时传感器的位置不一样，影像同名点之间存在位置偏移，因此采用重复轨道数据进行干涉测量时需要对影像进行精配准，将配准后的影像生成干涉图，并去除干涉条纹。InSAR的相干相位包括平地分量和高差分量，通过干涉去平、Goldstein自适应滤波等数据处理方法去除平地相位差、保留高程相位差，在此基础上进行相干性计算，并进行地理编码，生成相干系数图。

3.2.2 信息提取

不同时期相干系数图之间存在几何位置偏差，在进行信息提取前需要对两期相干系数图进行影像配准，使同名点在两个时期图像上具有相同的坐标位置。阈值法是遥感影像变化监测的常用方法[10，12]，本文采用差值阈值法进行水事活动监测。将后一期与前一期相干系数图进行差值计算得到相干系数差值图，将差值大于一定阈值的像元判定为水事活动疑似“热点”，根据差值图和野外实地查勘资料将阈值设定为0.15。采用Majority邻域后处理方法对初步结果图像进行后处理，窗口大小为3×3。最后去除噪声引起的过小图斑，并将栅格成果转成矢量，得到水事活动疑似“热点”图斑。

4 结果与分析

根据前文提出的監测方法进行水事活动监测，获得水事活动疑似“热点”图斑。为了方便结果验证和分析，选取龙门镇部分监测结果，相干系数差值和监测结果如图2所示。

选取2016年6月27日和2017年6月20日的2 m高分辨率卫星遥感影像对该区域监测结果进行验证分析，见图3。A区域为一处新增的临河房屋，图2（a）中该区域相干系数明显增大，与2016年影像相比，2017年区域内部分土地进行了平整，部分房屋已经建成;B区域为一处弃渣堆放场，2016年该弃渣堆为黑色弃渣且堆放形态较为规整，2017年弃渣颜色变为黄色，堆放形态也发生变化，为一个个散乱分布的小堆，导致相干系数发生变化;C区域为一处面积扩大的弃渣堆放场，与2016年相比，2017年弃渣堆形态发生较大变化，弃渣堆向南北两侧都有扩张。由此可见，基于InSAR相干系数可以发现河道开发建设、堆放、占用等水事活动变化。但是，由于雷达影像存在噪声、建筑物存在多次散射且散射情况复杂，因此结果中会存在一些伪变化点，需要进一步判别处理。

5 结 语

采用4期Radarsat-2遥感影像形成2对干涉像对，提出了基于InSAR相干系数的河道水事活动疑似“热点”图斑的监测方法，在黄河小北干流河段进行试验，成功发现河道临河房屋建设、堆放、占用等水事活动，表明利用相干系数进行河道水事活动发现监测是可行的。利用该方法进行河道水事活动监测能够快速发现疑似对象，在此基础上进行水事活动解译，可以缩小解译范围，大大降低解译工作量，为河湖岸线监管提供重要支撑。

本研究的阈值选取主要依据人工经验，不同遥感影像、不同作业区域需要重新确定阈值。雷达影像存在噪声、建筑物存在多次散射造成监测结果存在一些误差。将来需要在阈值自动确定和利用多源数据抑制雷达噪声等方面开展研究，进一步提高监测的自动化程度和准确度。

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【责任编辑 张 帅】