基于Landsat8 OLI影像的城市水體信息提取方法對比分析

□　朱春芳（山西中勤測繪有限責任公司，山西太原030001）

基于Landsat8 OLI影像的城市水體信息提取方法對比分析

□朱春芳
（山西中勤測繪有限責任公司，山西太原030001）

以山西省太原市水體信息提取為例，通過計算Landsat8OLI中分辨率遙感影像波段參數，進行波譜分析，分別利用AWEI、MDNWI與閾值法對研究區(qū)水體信息進行提取，將提取結果與人機交互解譯后的水體信息進行對比，AWEI法在提取城市水體信息時精度最高。

landsat8；OLI；AWEI；MNDWI；閾值法；城市水體

0.引言

美國自1972年以來，共發(fā)射8顆陸地資源系列衛(wèi)星，英文為Landsat。美國陸地資源衛(wèi)星作為全球應用最為廣泛的中分辨率衛(wèi)星，其數據被廣泛應用于農業(yè)、水利、地質、礦產、森林、大氣等各個行業(yè)。2013年2月，Landsat8衛(wèi)星成功發(fā)射，該衛(wèi)星攜帶的OLI（陸地成像儀）和TIRS（熱紅外傳感器）使得該衛(wèi)星在農業(yè)、水利、林業(yè)等領域的應用將更加廣泛[1]。

信息提取技術的研究一直是遙感技術與應用的一個研究熱點，同時水體作為占據地球表面70%的地類，對社會發(fā)展及人類生活環(huán)境質量起著重要的作用，城市是人類社會高度發(fā)展的體現，城市水體作為城市生態(tài)系統中重要的因素，在維持生態(tài)系統穩(wěn)定性上具有至關重要的作用，所以城市水體信息的遙感提取成為遙感技術在信息提取領域的研究重點[2]-[4]。在提取方法上，應用最為廣泛的是徐涵秋的改進的歸一化差異水體指數（MNDWI），MNDWI比NDWI更能夠揭示水體微細特征,如懸浮沉積物的分布、水質的變化。另外,MNDWI可以很容易地區(qū)分陰影和水體[5]。閾值法的簡單易操作，也常常作為提取水體信息的一種方法[6]。對于以往利用單波段閾值和多波段水體指數法在精度方面的問題，Gudina L.Feyisa等提出了一個新的自動提取方法AWEI，在landsat5 TM影像上大大提高了水體信息的提取精度[7]。

本文選擇Landsat8OLI影像作為數據源，利用閾值法、MNDWI和AWEI法對研究區(qū)水體信息進行了提取，對利用遙感技術快速提取城市水體信息具有一定的指導意義。

1.研究區(qū)概況

太原，山西省省會，位于山西省中北部的太原盆地，北接忻州市，東連陽泉市，西交呂梁市，南鄰晉中市。太原市境總面積6988平方千米。黃河第二大支流汾河自北向南流經全市，三面環(huán)山，太原市共轄6個市轄區(qū)、3個縣，代管1個縣級市。市政府位于杏花嶺區(qū)新建路。太原地區(qū)位于東經111°30′至113°09′和北緯 37° 27′至38°25′之間，市中心位于北緯37° 54′，東經112°33′。

2.研究方法

2.1自動提取水體指數法（AWEI）

Gudina L.Feyisa針對以往水體信息提取方法存在的分類精度低、閾值取值相對不固定等問題，利用Landsat5TM影像進行實驗，提出了自動提取水體指數法（AWI），其公式如下：

式中，ρ是遙感影像波譜反射率，band1、band2、band4、band5和band7分別是是landsat5 TM影像的藍、綠、近紅外、短波紅外和中紅外波段。此處對應Landsat8OLI影像的band2、band3、band5、band6和band7。

AWEInsh為剔除非水體像元，包括建筑物等，AWEIsh為進一步剔除AWEInsh提取結果中與水體信息混淆的地類，包括陰影等。

2.2改進的歸一化差異水體指數（MNDWI）

Mcfeeters提出的歸一化差異水體指數（NDWI）是基于遙感影像的綠波段和近紅外波段，通過比值運算，實現水體信息的提取，但NDWI法只考慮了植被因素，忽略了土壤/建筑物這一重要地類，通過NDWI法提取出來的水體信息因為綠光反射率高于近紅外波段，往往造成土壤/建筑物與水體信息混淆[5]。徐涵秋在歸一化差異水體指數的基礎上，提出了改進的歸一化差異水體指數。

歸一化差異水體指數公式如下：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)式中，Green代表綠光波段；NIR代表近紅外波段。在Landsat8OLI影像中，分別為3，5波段。

改進的歸一化差異水體指數公式如下：

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

式中，Green代表綠光波段；MIR為中紅外波段。在Landsat8OLI影像中，分別為3，6波段。

2.3閾值法

圖像分割就是依據原則將影像分為多個區(qū)域，對于遙感影像，這些原則有影像的紋理、地類輪廓、形狀等。一個區(qū)域內圖像特征相似，而不同區(qū)域內圖像特征相差較遠。本文通過統計研究區(qū)地物亮度均值，來獲取不同地物在影像波段上的分布關系。

3.城市水體信息提取

3.1數據預處理

本次研究選擇數據有2015年6月30日的Landsat8OLI影像，行帶號位125/34，根據研究精度要求，對遙感影像進行了輻射校正、幾何校正與配準，幾何校正的誤差在0.5個像元之內；同時對遙感影像各個波段進行參數統計，為城市水體信息的提取進行參數準備。圖1為本次研究的技術流程圖，數據進行預處理，包括幾何校正、裁剪、配準、重采樣、波段組合、勻色等。

3.2波段參數統計

對于多光譜波段，通過分析波段間的最大值、最小值、標準差等參數值，表1為資源一號星與Landsat8多光譜影像的相關參數。

表1　Landsat8多光譜影像參數(Table1 Multispectral imaging parameters of Landsat8 satellite）

3.3典型地物波譜分析

提取研究區(qū)的城市水體信息，首先，要了解城市水體信息的光譜特征，以及容易與城市水體信息相混淆的地類，本研究通過目視判讀方法，分別對道路、居民地、其他、草地、水體5種類型進行了取樣（取樣數均為200個），統計各自的灰度均值（如表2），得到相應的地物光譜特征曲線（如圖1）。

由不同地物亮度均值曲線可以看出，城市水體信息與陰影相混淆，利用閾值法來進行信息提取。

表2　地類亮度均值表

圖1　研究區(qū)波譜關系圖

3.4城市水體信息提取

（1）閾值法

由3.3典型地物波譜分析可知，水體信息在第5、6和7波段與其他地類區(qū)分明顯，其中水體信息在第7波段與其他地類均值差最大。所以利用公式band7<15對研究區(qū)水體信息進行提取。

（2）MNDWI

利用ENVI5.0軟件的Band Math功能，通過公式（b3-b6）/（b3+b6）計算得到研究區(qū)水體指數，見圖2。

圖2　研究區(qū)遙感影像圖及城市水體信息提取結果圖

（3）AWEI

同樣，利用ENVI5.0軟件的BandMath功能，通過公式（b3-b6）/（b3+b6）計算得到研究區(qū)水體指數，見圖2。a:543波段組合圖；b:閾值法提取水體信息圖；c:MNDWI法提取水體信息圖；d:AWEI法提取水體信息圖。

4.精度驗證

利用閾值法、改進的歸一化差異水體指數（MNDWI）和自動提取水體指數法（AWEI）對研究區(qū)的水體信息進行了提取，選取68個樣點實地對信息提取精度進行了驗證。(結果見表3)

表3　城市水體信息提取精度

5.結論

（1）本文利用Landsat8OLI影像，通過計算各個波段的最大值、最小值、均值、標準差等參數，分析波段間的波譜間關系，獲得地類在不同波段的區(qū)分度，利用AWEI法、MNDWI法和閾值法分別對研究區(qū)的水體信息進行了提取。

（2）通過計算地類亮度均值，發(fā)現在第5、6和7波段水體與其他地類區(qū)分度大，特別在第7波段，水體信息與其他地類亮度均值差值最大，利用閾值法易于提取水體信息。

（3）利用閾值法在第7波段提取水體信息，大面積的水體信息提取效果較好，但丟失了面積較小的水體信息。

（4）利用AWEI法提取研究區(qū)水體信息，效果欠佳，提取結果中不僅有水體信息，還混淆了部分道路和居民地信息。

（5）利用MNDWI法提取水體信息結果最好，不僅提取出了大面積的水體信息，對于小面積的水體提取效果也較好，同時與水體混淆的地類信息較少，對比三種方法，該方法效果最佳。

【1】FrequentlyAskedQuestionsabouttheLandsatMissions[EB/OL].http://landsat.usgs.gov/band_designations_landsat_satellites.php,2013.5.30.

【2】殷亞秋，李家國，余濤，等.基于高分辨率遙感影像的面向對象水體提取方法研究［J］.測繪通報，2015(1)：81-85.

【3】李艷華，丁建麗，閆人華.基于國產GF-1遙感影像的山區(qū)細小水體提取方法研究[J].資源科學，2015，37（2）：408-416.

【4】張毅，陳成忠，吳桂平，等.遙感影像空間分辨率變化對湖泊水體提取精度的影響[J].湖泊科學，2015，27（2）：335-342.

【5】徐涵秋.利用改進的歸一化差異水體指數(MNDWI)提取水體信息的研究[J].遙感學報，2005，9 (5):589-595.

【6】劉桂林，張落成，劉劍,等.基于LandsatTM影像的水體信息提取[J].中國科學院大學學報，2013，30（5）：644-649.

【7】Gudina L.Feyisa,Henrik Meilby,Rasmus Fensholt,Simon R.Proud.Automated Water Extraction Index:A new technique for surface watermapping using Landsat imagery[J],Remote Sensing of Environment 140(2014)23 35.

TP751.1

A

2095-7319（2015）06-0060-05

朱春芳（1987-），女，山西運城人，本科，2009年畢業(yè)于太原理工大學測繪工程專業(yè)，現從事基礎地形圖測繪工作。