基于水體指數(shù)的艾比湖湖水面積提取對比研究

羅崇亮

摘 要：艾比湖是新疆第一大鹽水湖，現(xiàn)今湖水萎縮嚴(yán)重，及時、宏觀監(jiān)測和調(diào)查新疆艾比湖對實施規(guī)劃和有效保護(hù)措施具有重要意義。水體指數(shù)計算簡單快捷，水體的提取精度高，得到了研究學(xué)者的廣泛應(yīng)用。該文利用歸一化水體指數(shù)NDWI、改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)MNDWI、增強(qiáng)型水體指數(shù)EWI、修訂型歸一化水體指數(shù)RNDWI、新型水體指數(shù)NWI、新型水體指數(shù)NEW六種水體指數(shù)和決策樹技術(shù)對水體進(jìn)行提取，研究結(jié)果表明MNDWI、RNDWI、NEW提取的水面積較大，精度不高，將濕度較大的土壤也分為水體，而NWI提取的水體面積最小，水位較淺的湖水錯分為陸地，而NDWI和EWI指數(shù)提取的水體邊界最接近水體的真實邊界。經(jīng)過目視解譯，發(fā)現(xiàn)EWI水體指數(shù)的方法精度最佳。

關(guān)鍵詞：艾比湖 水體指數(shù) landsat OLI 數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP751 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0034-02

艾比湖位于新疆維吾爾自治區(qū)，是新疆的第一大鹽水湖。博爾塔、精河、奎屯河分別從西、南、東三個方向匯入艾比湖，因而構(gòu)成湖水的主要來源。湖面是橢球形，平均水深為2～3 m，湖面海拔為189 m。中華人民共和國成立初期湖面積達(dá)1200 km2，可是由于自然界的自然因素影響以及人類的不合理利用影響，甚至是人為破壞，導(dǎo)致湖面萎縮，目前面積僅剩500 km2左右，嚴(yán)重威脅天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展。因此迫切需要對水資源進(jìn)行合理利用和規(guī)劃設(shè)計，但是在實施有效措施前需要對研究區(qū)域的水體分布特征、變化以及人類活動對水體的影響有一定程度的了解。

該文針對鹽度較高、水位淺的艾比湖，以landsat 8 OLI傳感器獲得的遙感圖像為數(shù)據(jù)源，利用常見的6種水體指數(shù)和決策樹技術(shù)進(jìn)行湖水邊界和面積提取，比較分析水體指數(shù)在本研究區(qū)域的適用性，進(jìn)而選擇最佳的水體指數(shù)。

1 水體指數(shù)的計算

水體對于電磁波的輻射，具有反射、散射、吸收和透射作用。在可見光波段600nm之前，水的吸收少、反射率較低、存在大量透射，水體可見光反射率約為5%左右；在近紅外、中紅外波段內(nèi)，水體的吸收率很強(qiáng)，幾乎吸收全部的入射能量，因此在紅外波段的反射能量很小，反射率幾乎為零。水體整體反射率低（<10%），因此水體之間的光譜差異與陸地上其他地物光譜特征間的差異相比要小得多，利用差異可以識別水體。為了增強(qiáng)這種差異，人們提出了水體指數(shù)，它可以增強(qiáng)水體的表現(xiàn)特征，抑制植被、裸土等其他地物的表現(xiàn)特征。隨著科學(xué)在不斷地進(jìn)步，水體指數(shù)的計算方法也進(jìn)行了相對的修改與創(chuàng)新，至今為止方法已經(jīng)有很多了，而這些方法適用在各個不同的區(qū)域，以保證每個區(qū)域都有適合自己的方式、方法來解決自己的區(qū)域問題。該文選取了表1中的6種典型的水體指數(shù)，對新疆艾比湖地區(qū)的Landsat OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行水體指數(shù)的計算。

新疆艾比湖地區(qū)的Landsat8衛(wèi)星過境軌道號為145029，由于篇幅關(guān)系，該文以2013年9月18日過境的OLI傳感器多光譜數(shù)據(jù)為例進(jìn)行算法對比分析，如圖1所示。其中圖1為OLI傳感器數(shù)據(jù)Band4（紅光波段）、Band3（綠光波段）和Band2（藍(lán)綠波段）進(jìn)行真彩色合成后的影像數(shù)據(jù)。

利用表1的水體指數(shù)公式進(jìn)行計算，增強(qiáng)后圖像結(jié)果如圖2所示，水體指數(shù)增強(qiáng)了水體信息，圖像中的水體和陸地是黑白分明，可以清晰的區(qū)分水體和土地。由水體的光譜特性可知，水體的綠光波段反射率大于近紅外波段和中紅外波段的反射率，水體的藍(lán)光波段反射率大于中紅外波段反射率，因此NDWI、MNDWI、EWI、NWI、NEW五種方法的水體計算值要大于零，而陸地正好相反，因此得到的圖像中水體顯示的是明亮的白色，土地顯示的是灰暗的黑色。而由于水體的中紅外波段反射率明顯小于紅光波段反射率，水體所在位置的RNDWI水體指數(shù)計算值小于零，而陸地的計算值大于零，因此水體顯示的是灰暗的黑色，土地顯示的是明亮的白色。

2 水體提取

在水體指數(shù)的基礎(chǔ)上，利用決策樹分類方法進(jìn)行湖水邊界和面積的提取。利用ENVI軟件構(gòu)建決策樹，設(shè)定合適的閾值，并對分類后的結(jié)果進(jìn)行分類后處理（聚集分類和平滑處理），即Sieve Classes和Clump Classes操作，獲得二值分類圖，其中1為水體，0為陸地，如圖3所示。

3 對比分析

為了便于對比分析，利用ENVI 5.1 軟件獲得湖泊邊界，并與原影像重合顯示，如圖4所示。圖4中紅色線代表的是NDWI提取的水體邊界，藍(lán)色代表MNDWI提取的水體邊界，亮黃色代表EWI提取的水體邊界，土黃色代表RNDWI提取的水體邊界，綠色代表NWI提取的水體邊界，玫粉色代表NEW提取的水體邊界。由圖4可見，六種方法都存在不同情況的誤差，主要影響因素是含水量高的湖岸土壤和水位較低的湖水。放大湖水左上角的部分見圖4（b），對比六種方法，我們發(fā)現(xiàn)MNDWI、RNDWI、NEW三種水體指數(shù)劃分的水體范圍比較大，將含水量高的湖岸土壤劃分到了水體中，精度較低；NWI水體指數(shù)劃分的水體邊界將一部分湖水錯分為陸地，精度也不高；只有NDWI和EWI兩種方法接近。結(jié)合圖4（c）對比發(fā)現(xiàn)，NDWI水體指數(shù)確定的水體范圍中還有陸地，可是EWI水體指數(shù)劃分的湖泊邊界在湖水和陸地之間，因此經(jīng)過目視判斷覺得EWI水體指數(shù)的方法比較合適。

最后該文將不同水體指數(shù)提取的水體面積進(jìn)行統(tǒng)計對比，見表2。

由表2可見，MNDWI、RNDWI、NEW三種方法得到的水體面積比較接近，而且比較大；NWI水體指數(shù)方法得到的水體面積是最小的。NDWI、EWI兩種方法得到的水體面積大小相差不大，驗證了前面的分析結(jié)果。結(jié)合算法對比分析和提取面積的結(jié)果，本文認(rèn)為EWI水體指數(shù)在艾比湖湖水面積提取中效果最佳。

4 結(jié)論

新疆艾比湖湖面萎縮和湖濱地區(qū)荒漠化程度加劇，基于研究地區(qū)的遙感信息提取水體信息可以彌補(bǔ)常規(guī)方法在提取時的缺陷。該文利用歸一化水體指數(shù)NDWI、改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)MNDWI、增強(qiáng)型水體指數(shù)EWI、修訂型歸一化水體指數(shù)RNDWI、新型水體指數(shù)NWI、新型水體指數(shù)NEW六種水體指數(shù)和決策樹技術(shù)對水體進(jìn)行提取，研究結(jié)果表明MNDWI、RNDWI、NEW提取的水面積較大，精度不高，將濕度較大的土壤也分為水體，而NWI提取的水體面積最小，水位較淺的湖水錯分為陸地，而NDWI和EWI指數(shù)提取的水體邊界最接近水體的真實邊界。經(jīng)過目視解譯，發(fā)現(xiàn)EWI水體指數(shù)的方法精度最佳。

參考文獻(xiàn)

[1] 王晴晴，余明.基于簡單比值型水體指數(shù)（SRWI）的水體信息提取研究[J].福建師范大學(xué)學(xué)報，2014，30（1）：39-44.

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

[3] 閆霈，張友靜，張元.利用增強(qiáng)型水體指數(shù)（EWI）和GIS去噪音技術(shù)提取半干旱地區(qū)水體信息的研究[J].遙感信息，2007（6）：62-67.

[4] 曹榮龍，李存軍，劉良云，等.基于水體指數(shù)的密云水庫面積提取及變化監(jiān)測[J].測繪科學(xué)，2008，33（2）：158-160.

[5] 丁鳳.基于新型水體指數(shù)（NWI）進(jìn)行水體信息提取的實驗研究[J].測繪科學(xué)，2009，34（4）：155-157.