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基于三维卷积神经网络的湖泊提取算法

计算机应用 2019年第12期39卷 3450-3455页

作者：徐姗姗颜超高琳明南京林业大学信息科学技术学院南京210037 国防科技大学气象海洋学院南京211101

针对现有分析湖泊几何信息算法的二维图像湖泊轮廓提取精度低的问题,提出了一种基于三维卷积神经网络的湖泊提取算法。首先,基于平整度信息从激光扫描点云中定位出候选湖泊并对输入的候选区域点云进行体素化组织,作为神经网络的输入;同... 详细信息

针对现有分析湖泊几何信息算法的二维图像湖泊轮廓提取精度低的问题,提出了一种基于三维卷积神经网络的湖泊提取算法。首先,基于平整度信息从激光扫描点云中定位出候选湖泊并对输入的候选区域点云进行体素化组织,作为神经网络的输入;同时,通过深度学习技术,从候选区域中过滤非湖泊区域;然后,基于方向链码算法从点云中提取湖泊的边缘并分析其几何形状信息。实验结果表明,所提算法在提取激光扫描点云中的湖泊精度可达到96.34%,与当前在二维图像中的湖泊提取算法相比,可对目标湖泊形状信息进行计算与分析,从而为湖泊监测与管理提供方便。

关键词：激光扫描数据三维卷积神经网络湖泊提取链码边界描述

基于空间位置关系的山地湖泊水体提取方法研究

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遥感技术与应用 2016年第5期31卷 983-993页

作者：李炳亚潘剑君夏超陈昕隋传嘉南京农业大学公共管理学院江苏南京210095 南京农业大学资源环境学院江苏南京210095

在高山峡谷地区湖泊水体提取过程中,山体阴影对水体的干扰一直以来是个难题,虽然利用谱间关系法或控制阈值范围等基于光谱的方法可以去除部分阴影,但实际效果并不理想,而且会损失湖泊边界的完整性,甚至漏提部分湖泊。通过光谱特征先提... 详细信息

在高山峡谷地区湖泊水体提取过程中,山体阴影对水体的干扰一直以来是个难题,虽然利用谱间关系法或控制阈值范围等基于光谱的方法可以去除部分阴影,但实际效果并不理想,而且会损失湖泊边界的完整性,甚至漏提部分湖泊。通过光谱特征先提取较为完整的湖泊水体,再利用空间位置关系去除阴影,实现了既保留较为完整的湖泊,又能够高效去除阴影干扰的目的。在保留完整湖泊的基础上,经过对提取参数的调整,地形起伏较大的山地样区的综合提取效果达到了去除90%以上阴影的效果。

关键词：湖泊提取山地阴影 “沟谷” 空间位置关系

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青藏高原湖泊面积变化及影响因素分析

青藏高原湖泊面积变化及影响因素分析

作者：祁昌贤青海大学

学位级别：硕士

湖泊作为大气圈、水圈和冰冻圈（冰川、积雪和冻土等）联系的纽带,被认为是气候变化的指示器。青藏高原气温在全球气候变化背景下升高显著,利用遥感数据对湖泊进行大范围长时序的监测,准确掌握湖泊面积变化和演变规律,对青藏高原生态保... 详细信息

湖泊作为大气圈、水圈和冰冻圈（冰川、积雪和冻土等）联系的纽带,被认为是气候变化的指示器。青藏高原气温在全球气候变化背景下升高显著,利用遥感数据对湖泊进行大范围长时序的监测,准确掌握湖泊面积变化和演变规律,对青藏高原生态保护和水源涵养等都具有重要意义。本研究基于Google Earth Engine（GEE）遥感云计算平台,利用Landsat TM、ETM+和OLI卫星影像数据,结合Canny边缘检测算法和大津算法的自适应阈值,采用“全局—局部”的模式对青藏高原1990—2021年大于1 km的湖泊实现自动化提取,构建青藏高原近30年逐年湖泊面积序列。分析青藏高原湖泊面积变化的整体特征,并开展不同流域、不同类型的湖泊演变规律的分析。此外,本研究结合气象数据分析了青藏高原湖泊面积变化对气候变化的响应,以及湖泊面积变化与冰川、冻土、植被NDVI的关系。主要结论如下:（1）青藏高原湖泊面积提取及精度验证。基于GEE遥感大数据平台,利用青藏高原1990—2021年的Landsat 5/7/8遥感影像数据,采用NDWI水体指数结合Canny边缘检测算法和大津算法的自适应阈值确定每个湖泊的最佳阈值,提取青藏高原大于1 km湖泊面积,构建长时序湖泊面积数据集。通过面积统计法和混淆矩阵法进行精度评价,总体精度达到93.75%,该湖泊提取方法在青藏高原复杂地形条件下可实现高精度、高效率的提取,并能有效的抑制了其他地物的干扰。（2）利用所构建的长时序湖泊面积数据集,分析青藏高原1 km以上湖泊面积和数量的变化特征。青藏高原中藏中内流区、黄河流域、柴达木流域、雅鲁藏布江流域、印度河流域、长江流域的湖泊占比达到95%以上,不同等级范围地湖泊面积和数量变化各不相同。近30年来青藏高原大于1 km湖泊面积和数量呈现出缓慢减少—快速增加—缓慢增加的趋势。湖泊总面积从1990年到2021年增加了10689.48 km,湖泊面积变化速率为446.80 km/yr。湖泊总数量从1990年到2021年增加了423个,增长率为39.86%。（3）青藏高原内流区和外流区湖泊面积变化差异明显。内流区湖泊数量为325个,占湖泊总数量的82.9%,外流区湖泊为67个,占湖泊总数量的17.1%。内流区湖泊总面积总体呈现先减小后增大的趋势,外流区湖泊总面积呈现波动增长的趋势。从不同湖泊类型变化来看,内流区冰川融水补给湖和非冰川融水补给湖面积均呈现平稳波动—快速增长的趋势,藏中内流区东北部的湖泊面积变化率明显大于西南地区。外流区冰川融水补给湖和非冰川融水补给湖面积均呈现波动增长的趋势,黄河、长江流域的湖泊面积变化率多为正,雅鲁藏布江流域湖泊面积减小的较多;内流区淡水湖面积呈现先减小后增加的趋势,咸水湖和盐湖呈现先平稳后快速增长的趋势,咸水湖和盐湖面积变化率东部地区大于西部地区。外流区淡水湖、咸水湖和盐湖均呈现波动增长的趋势,外流区中雅鲁藏布江咸水湖面积变化率小于淡水湖,黄河流域,长江流域的淡水湖面积增大数量占大多数。（4）青藏高原气候变化显著,湖泊面积变化主要受气候因素的影响。气温升高是影响青藏高原湖泊面积增加的决定性因素,降水量和蒸散发是影响青藏高原湖泊面积增加的重要因素。通过敏感性分析发现气温是青藏高原内流区湖泊面积变化的主导因素,内流区冰川融水补给湖面积大且数量多,以及多年冻土面积分布广,气温升高致使冰川消融,冻土融化,冰川融水和冻土融水流入湖泊中导致湖泊面积扩张;降水是外流区湖泊面积变化的主导因素。同时湖泊面积增加的地区植被覆盖度也趋于好转。（5）青藏高原复杂的气候与地理条件造就了其不同地区的湖泊面积变化各有差异。依据青藏高原湖泊面积整体变化特征、补给方式、矿化度等,从扩张型、稳定型、萎缩型湖泊中选取了具有代表性的8个湖泊分析了湖泊变化。结果表明湖泊面积变化受所属湖区地理条件差异大,气温对内流区湖泊面积变化影响程度最大,降水对外流区湖泊面积变化影响程度最大。

关键词：青藏高原 GEE 湖泊提取面积变化影响因素

利用Sentinel-1A数据的纳木错湖面月际变化监测

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遥感信息 2022年第2期37卷 45-52页

作者：常亚茹张继贤韩文立丁夏萌张越山东科技大学测绘与空间信息学院山东青岛266590 国家测绘产品质量检验测试中心北京100036 兰州交通大学测绘与地理信息学院兰州730070

针对高原湖泊缺乏月际面积变化监测的问题,基于Sentinel-1A SAR数据,以纳木错湖为实验区,采用面向对象分割方法,通过最大类间方差法(Otsu)确定湖泊提取分割阈值,并结合灰度共生矩阵提取的纹理特征,进行湖泊面积提取并分析其变化情况。... 详细信息

针对高原湖泊缺乏月际面积变化监测的问题,基于Sentinel-1A SAR数据,以纳木错湖为实验区,采用面向对象分割方法,通过最大类间方差法(Otsu)确定湖泊提取分割阈值,并结合灰度共生矩阵提取的纹理特征,进行湖泊面积提取并分析其变化情况。结果表明:Otsu法提取水体速度快但提取精度低,基于纹理特征方法提取水体边界清晰但存在误提现象,两种方法相结合提取准确率达到95.12%,精度明显提高;通过分析提取结果得到,2018年12个月纳木错水域面积呈现动态变化趋势,1—3月湖泊面积最小,随后缓慢增加,在9—10月达到年内稳定最大值;气温升高和降水增加是影响湖泊面积变化的主要正向驱动因素,风速的增大是主要负向驱动因素,湖面面积的变化与蒸发量、日照时数相关性不明显。

关键词： Sentinel-1A 湖泊提取纳木错纹理特征阈值分割变化监测

2000-2013年青藏高原湖泊面积MODIS遥感监测分析

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地球信息科学学报 2015年第1期17卷 99-107页

作者：车向红冯敏姜浩肖桐王昌佐贾蓓白燕太原理工大学矿业工程学院太原030024 Global Land Cover Facility Department of Geographical SciencesUniversity of Maryland College Park MD 20742 USA 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 环境保护部卫星环境应用中心北京100094

青藏高原上分布着大量的高原内陆湖泊群,该区域湖泊面积与区域及全球气候变化之间存在较强的耦合关系,遥感监测湖泊的分布和面积变化趋势,对分析区域自然生态环境具有重要意义。本研究将MOD09A1(地表反射率8天合成数据)进行逐月合成,提... 详细信息

青藏高原上分布着大量的高原内陆湖泊群,该区域湖泊面积与区域及全球气候变化之间存在较强的耦合关系,遥感监测湖泊的分布和面积变化趋势,对分析区域自然生态环境具有重要意义。本研究将MOD09A1(地表反射率8天合成数据)进行逐月合成,提出了一种综合多种水体指数的青藏高原地区湖泊提取方法,并通过活动窗口、DEM和时间序列去噪等方法,消除山体阴影、冰雪等因素的干扰。最后,提取和合成了2000-2013年青藏高原逐年和逐月的湖泊范围,并选取色林错和卓乃湖2个典型湖泊与人工解译Landsat系列影像进行验证分析,其线性拟合度分别为0.99和0.97,从时空变化趋势上分析了青藏高原湖泊面积动态变化。结果表明:(1)2000-2013年,青藏高原地区湖泊范围整体上呈较显著的扩张趋势,湖泊总面积增加速率约为490.98 km2a-1(R2约为0.96);(2)1-12月份湖泊面积逐月变化率均大于0,表明青藏高原湖泊面积呈整体扩张,而非季节性扩张。除2-4月份外,其他月份增加速率均在400 km2a-1以上(R2>0.79),表现为稳定且持续扩张趋势。

关键词： MODIS 青藏高原湖泊变化湖泊提取

青藏高原湖泊古今变化的遥感分析--以达则错为例

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湖泊科学 2010年第1期22卷 98-102页

作者：乔程骆剑承盛永伟沈占锋李均力郜丽静中国科学院遥感应用研究所北京100101 Department of Geography UCLACA90095-1524 中国科学院新疆生态与地理研究所乌鲁木齐830011 中国科学院研究生院北京100049

青藏高原湖泊受人类活动干扰较少,主要受气候变化导致的冰川融化和蒸发的影响,是气候变化直观敏感的反映区。因此,研究青藏高原湖泊变化对区域以至全球气候、环境变化的研究具有深远意义。本文在遥感影像的基础上发展了综合指数计算与... 详细信息

青藏高原湖泊受人类活动干扰较少,主要受气候变化导致的冰川融化和蒸发的影响,是气候变化直观敏感的反映区。因此,研究青藏高原湖泊变化对区域以至全球气候、环境变化的研究具有深远意义。本文在遥感影像的基础上发展了综合指数计算与空间分异的现存湖迭代提取方法,对影像数据上的湖泊进行动态监测;并结合DEM数据发展了半自动化的古岸线提取方法,进而分析古湖泊的变化,二者相结合直观全面地反映出了青藏高原湖泊的古今变化情况。并以达则错湖为例进行提取。

关键词：青藏高原达则错湖泊提取岸线复原变化检测

基于时间序列的三江源区湖泊动态监测及区域气候响应分析

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基于时间序列的三江源区湖泊动态监测及区域气候响应分析

作者：樊桦中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

三江源区作为三大源头的汇聚之地,具有生态蓄水、水源涵养、气候调节等重要的生态功能,也是近些年来国家重点保护的区域,其湖泊的动态变化对区域水循环具有重要作用。为了探究三江源区湖泊面积长时间序列的时空变化规律,本文选择1990-2... 详细信息

三江源区作为三大源头的汇聚之地,具有生态蓄水、水源涵养、气候调节等重要的生态功能,也是近些年来国家重点保护的区域,其湖泊的动态变化对区域水循环具有重要作用。为了探究三江源区湖泊面积长时间序列的时空变化规律,本文选择1990-2020年作为研究时段,针对背景复杂、大范围区域的湖泊水体,提出了一种基于Google Earth Engine云平台,结合NDWI水体指数、Canny边缘检测算法和大津算法构建“全局-局部”的半自动化湖泊提取方法,选取该时段内的Landsat5,7,8数据,提取出三江源区1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2020年7期面积大于1km的湖泊分布数据。并从湖泊整体数量和面积、不同面积范围的湖泊数量和面积、湖泊变化的时空分布特征、不同流域的湖泊、不同补给类型的湖泊和典型湖泊等角度分析了研究区31年来湖泊的动态变化规律。最后,结合研究区21个气象站点的月值数据,探讨全区湖泊以及典型湖泊对降水、气温等区域气候要素的响应,为后期三江源区水资源安全与管理、生态环境建设与修复方面提供了有效支撑。论文的主要结论如下所述:(1)基于GEE的NDWI水体指数结合Canny边缘检测和大津算法的半自动化湖泊信息提取方法,可以有效地对水陆边界进行分割,得到精细化的湖泊提取结果。(2)1990-2020年的近30年来,三江源区大于1km的湖泊总面积和数量呈现先减少后增加的趋势。其中2005-2010年和2015-2020年这两个时间段,湖泊总面积递增速率最显著,而湖泊数量在2015-2020年递增最为明显,5年间急剧增加了107个;从不同面积范围的湖泊总体变化规律来看:湖泊面积越大,湖泊数量越稳定。面积较小的湖泊(1.0≤A湖泊数量变化较小,基本保持平衡,湖泊扩张程度较明显,主要集中在治多县、玛多县和格尔木市等地;湖泊流域分布方面,大于1km的湖泊主要集中在长江源区和黄河源区,澜沧江源区近30年来只存在1～2个湖泊,不同流域湖泊面积和数量变化趋势不一致。(3)研究区内7个典型湖泊的变化表明:不同补给类型、地理环境、气候下的湖泊之间面积变化具有一定的差异性,湖泊面积的变化可能由这些因素共同控制。(4)近30年来,三江源区湖泊总面积变化是由气温和降水量两者综合作用的结果,其中气温影响的作用更显著。不同区域内,湖泊面积对气候要素的响应不同,这也与湖泊的补给方式相关。

关键词：三江源区 Google Earth Engine 湖泊提取湖泊动态变化气候要素

基于Res-Unet的色林错湖20年水体面积变化提取研究

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环境生态学 2022年第11期4卷 6-12页

作者：吴渊陈剑陈鹏同济大学上海200092 西南交通大学四川成都611756

青藏高原地区的湖泊对当地环境、生态、人文的影响巨大,从遥感高分影像上准确、迅速提取大型湖泊是开展相关研究的重要基础。遥感影像的湖泊提取方法已从传统人工目视解译向自动化发展,但NDWI等常用水体提取技术在应用于不同地域对象时... 详细信息

青藏高原地区的湖泊对当地环境、生态、人文的影响巨大,从遥感高分影像上准确、迅速提取大型湖泊是开展相关研究的重要基础。遥感影像的湖泊提取方法已从传统人工目视解译向自动化发展,但NDWI等常用水体提取技术在应用于不同地域对象时精度不一,特别在提取高原大型湖泊时精度仍有待提高。针对这一问题,设计了一种Res-Unet相结合的水体提取深度学习神经网络,选取青藏高原地区的Landsat高分影像作为训练数据,利用训练所得模型对青藏高原的色林错湖进行提取并分析其20年内的面积变化情况。结果表明:(1)基于Res-Unet的神经网络提取湖泊面积的mIoU为0.9279,Kappa系数为0.9252,远高于NDWI的提取精度,适用于色林错湖面积提取;(2)2000—2020年,该湖泊总面积增长了468.70 km^(2),与青藏高原北部的各拉丹东冰川消融带来的径流补给增加存在联系。

关键词：色林错湖 Res-Unet模型湖泊提取深度学习