基于ETM+數(shù)據(jù)的水體識(shí)別方法對(duì)比研究

摘要：以湖北省應(yīng)城市的ETM+數(shù)據(jù)為例，對(duì)3種水體識(shí)別方法進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，單波段閾值法對(duì)于較大水體的提取效果較好，而對(duì)細(xì)小水體則難以識(shí)別；水體指數(shù)法對(duì)于細(xì)小水體的提取效果較單波段閾值法好，但是應(yīng)用范圍有局限，針對(duì)不同數(shù)據(jù)有不同的指數(shù)模型；K-T變換模型法精度最高，達(dá)到89.5%，對(duì)于較大水體和細(xì)小水體提取效果都較好，水體提取結(jié)果比較理想。

關(guān)鍵詞：ETM+影像；水體識(shí)別方法；K-T變換模型

中圖分類號(hào)：TP753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）21-5326-03

Comparative Study on the Methods of Water Body Identification Based on ETM + Image

CHENG Wu-xue1，2，LI yue2，LI Hui-jun1，ZHOU Jie-ming1，YANG Cun-jian1

（1. Key Laboratory of the Evaluation and Monitoring of Southwest Land Resources， Ministry of Education， Chengdu 610068， China；

2. Sichuan Forestry Inventory and Planning Institute， Chengdu 610081， China）

Abstract： Taking the ETM+ image of Yingcheng city in Hubei province as an example， the methods of the water body identification were compared. The results showed that the effect was good by using the single-band threshold method for large water body extraction， while it was difficult to identify the small water body； Water index method’s extract effect was better than single-band threshold method， but the range of application had limitation， reguiring different index models for different data； K-T transformation model was the method，with highest indentification accuracy the method with highest identification accuracy， which reached up to 89.5%. The extraction effect of K-T transformation method was good both for large and small water bodies.

Key words： ETM+image； method of water body indentification； K-T transformation model

水體遙感識(shí)別的機(jī)理是水體與其他地類的光譜特性具有明顯的差異，即水體在近紅外和短（中）波紅外波段的反射能量很少，而植物、土壤在這兩個(gè)波段內(nèi)的吸收能量較少，而且又具有較高的反射特性，這就使得水體在這兩個(gè)波段上與植被、土壤有明顯的區(qū)別。水體在這兩個(gè)波段上反射率低呈現(xiàn)出暗色調(diào)，而土壤、植被反射率高則呈現(xiàn)出相對(duì)較亮的色調(diào)。在可見光通道波長(zhǎng)范圍內(nèi)，水體的反射率高于植被，裸土的反射率高于植被；在近紅外通道，裸土的反射率高于水體、低于植被[1，2]。

目前，提取水體的方法主要有單波段閾值法、多波段增強(qiáng)閾值法（即譜間關(guān)系法）、水體指數(shù)提取法、K-T變換綜合提取法等。這些方法各有優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于具體區(qū)域來說，哪一種更適合需要經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，為此以湖北省應(yīng)城市為研究區(qū)域，對(duì)比不同水體識(shí)別方法的結(jié)果，尋找最佳的方法。

1 研究區(qū)概況及研究數(shù)據(jù)

文中所使用數(shù)據(jù)為湖北省應(yīng)城市的一景ETM+影像，行列號(hào)為123/39，成像時(shí)間為2002年10月13日。應(yīng)城市位于湖北省中部偏東，北部和中部屬大洪山余脈，丘陵、低崗面積大約占70%，坡度一般小于10°，起伏平緩。海拔高程41～80 m，南部屬江漢平原。河流東有涢水、漳水，中有大富水，南有漢北河。湖泊主要有東西汊湖、龍賽湖、大湖等。研究區(qū)內(nèi)主要水體為東西汊湖、龍賽湖，并且有大量小湖泊、水塘；試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)較平緩，有大片的農(nóng)田。研究區(qū)不存在地形陰影和云體陰影的影響。

2 研究方法

遙感影像中水體信息的提取方法主要是依據(jù)水體在不同波段上光譜的不同特征以及其他地物與水體的區(qū)別， 通過分析水體及背景地物的光譜特征，利用單個(gè)波段或多個(gè)波段組合來提取影像中的水體信息[3]。最常見的方法有最大似然法[4]、比值法、差值法、水體指數(shù)法[5]、歸一化差分水指數(shù)法和歸一化差分積雪指數(shù)法[6]、基于K-T變換或者LBV變換的信息綜合提取法等。研究以ETM+數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用單波段閾值法、水體指數(shù)法及K-T變換模型法分別進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 單波段閾值法

單波段閾值法[7]主要適用于水陸界限反映較好的影像，或者水體與背景地物相差較大的數(shù)據(jù)。TM影像中較常用的波段是第五波段，在該波段水體反射率低，呈現(xiàn)灰黑色，灰度值小，經(jīng)過光譜采樣確定閾值進(jìn)行水體的提取。提取模型見公式（1），其中TM5表示第五波段的灰度值，T為灰度閾值：

TM5

2.2 水體指數(shù)法

目前，常用的水體指數(shù)包括歸一化水體指數(shù)（NDWI）和改進(jìn)歸一化水體指數(shù)（MNDWI）[8]。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，以上兩種指數(shù)對(duì)于本文所涉及的研究區(qū)的水體提取效果均不好。另外，由閆霈等[9]提出的增強(qiáng)型水體指數(shù)（EWI）在本研究區(qū)的水體提取效果亦不是很好。故根據(jù)本文所使用的數(shù)據(jù)特征，對(duì)EWI指數(shù)模型進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)果如下式所示：

EWI=（Green-MIR1-MIR）/（Green+MIR1+MIR）

（2）

其中，Green代表綠光波段，MIR1代表短波紅外波段（1.55～1.75 μm），MIR代表短波紅外波段（2.08～2.35 μm）。Green、MIR1、MIR分別代表ETM+的2、5、7波段。

2.3 K-T變換模型法

為了對(duì)水體進(jìn)行精確提取并消除各種陰影的影響，張景奇等[10]在傳統(tǒng)的譜間關(guān)系法基礎(chǔ)上對(duì)圖像先進(jìn)行了K-T變換（櫻帽變換）。K-T變換后，只有水體變換后的波譜均值折線圖具有W型特征，即只有水體具有GreenessFourth的特征，然后再應(yīng)用決策樹分類法進(jìn)行水體自動(dòng)提取。該方法簡(jiǎn)便易行，避免了閾值法中的人工找閾值的過程，有效消除了山體陰影以及云體陰影的影響，但仍然受混合像元的影響。

3 水體識(shí)別分析

3.1 水體提取

分別應(yīng)用以上3種方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行水體提取。

1）單波段閾值法中選取第五波段，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜分析得到水體的光譜反應(yīng)曲線，再經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終選取水體提取閾值為40，提取結(jié)果見圖1。

2）水體指數(shù)法則應(yīng)用公式（2）得到水體信息增強(qiáng)的灰度圖，再通過閾值來進(jìn)行水體的提取。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)確定水體提取閾值為-17.26，提取結(jié)果見圖2。

3）K-T變換模型法中首先對(duì)原始圖像進(jìn)行纓帽變換，得到變換后的波譜均值折線圖如圖3所示。其中，波段1、2、3、4、5、6分別代表纓帽變換后的明度波段、綠度波段、濕度波段、第四波段、第五波段、第六波段。

從圖3可以看出研究區(qū)數(shù)據(jù)部分水體具有W特征，而區(qū)域中的較細(xì)河流卻不符合該特征，如果僅依據(jù)W特征來提取水體，那么這條較細(xì)的河流則提取不完整，這樣得到的水體精度則會(huì)很低（圖4）。故在進(jìn)行水體提取時(shí)就不能只依靠該判斷方法來進(jìn)行水體提取，而應(yīng)加入其他方法綜合提取。試驗(yàn)中除了利用水體的W特征外，還加入了閾值法進(jìn)行水體的提取，如圖5所示。由圖5可以看出，盡管部分河流不具備Wetness>Fourth這個(gè)條件，但是在Wetness波段水體的濕度值均大于其他地物。所以在進(jìn)行決策樹分類時(shí)加入了一個(gè)閾值條件，輸入公式為：

（{tascap[2]} lt {tascap[3]}） and （{tascap[3]} gt {tascap[4]}） or （{tascap[3]} gt -10.12）

最后參照ETM+的全色波段，采用目視判讀的方法，通過隨機(jī)采樣對(duì)3種方法的水體提取精度進(jìn)行分析。首先在全色波段圖上采200個(gè)水體樣點(diǎn)，然后導(dǎo)入到水體提取圖中，通過目視判讀得到水體提取精度如表1所示。

3.2 結(jié)果與分析

研究結(jié)果表明，單波段閾值法簡(jiǎn)單易行，對(duì)于水體與背景地物亮度相差較大且水體面積較大時(shí)提取效果良好，對(duì)細(xì)小水體的提取則會(huì)出現(xiàn)多分現(xiàn)象。水體指數(shù)法存在一些區(qū)域性限制，且該方法也存在人工確定閾值所引起的誤差，但其總的分類精度較單波段閾值法高。K-T變換操作簡(jiǎn)單易行，且提取的大、小水體如河流、湖泊、小水塘等，提取結(jié)果比較完整，總體精度為三者中最高。

4 小結(jié)與討論

以湖北省應(yīng)城市為研究區(qū)域，以ETM+數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對(duì)比分析了單波段閾值法、水體指數(shù)法和K-T變換模型法等3種水體識(shí)別的方法與結(jié)果。各方法均有利弊，但從總體上看K-T變換法精度達(dá)到了89.5%，為最高；其次為水體指數(shù)法，為85.0%，單波段閾值法最低，為80.5%。在研究過程當(dāng)中，本文只用了ETM+數(shù)據(jù)，而沒有用其他精度更高的數(shù)據(jù)，在以后的研究中應(yīng)使用多元遙感數(shù)據(jù)，這樣對(duì)比更加多元化。另外，本研究只選取了3種常見的方法，并只做了簡(jiǎn)單的分析，在以后的研究中應(yīng)對(duì)比更多的方法，而且要對(duì)一些方法進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

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