基于MODIS影像的水體自動(dòng)提取研究

李曉星　王周龍

摘要：已有研究表明，水體像元與山體陰影、云的陰影及城鎮(zhèn)等像元的可見(jiàn)光光譜特征具有較高的相似性，易于混淆，采用單一的方法如單通道閾值法、比值法、歸一化植被指數(shù)法等無(wú)法有效對(duì)水體象元進(jìn)行提取。鑒于水體與植被在紅光及近紅外波段的波譜特性，本文結(jié)合比值植被指數(shù)和歸一化植被指數(shù)，運(yùn)用單通道閾值法，有效區(qū)分并提取了水體，為遙感水體提取研究提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：MODIS；比值植被指數(shù)；歸一化植被指數(shù)

引言

洪水災(zāi)害是我國(guó)常見(jiàn)的一種自然災(zāi)害，其發(fā)生一般具有突發(fā)性的特點(diǎn)，洪澇災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)、救災(zāi)減災(zāi)以及災(zāi)后重建工作都需要對(duì)洪災(zāi)時(shí)空演變過(guò)程信息進(jìn)行及時(shí)反饋和精準(zhǔn)分析[1]。遙感，作為采集地球數(shù)據(jù)及其變化信息的重要技術(shù)手段，得到了包括我國(guó)在內(nèi)世界各國(guó)政府部門、科研單位和公司的廣泛應(yīng)用。隨著航空、航天技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感技術(shù)大面積同步觀測(cè)、時(shí)效性、數(shù)據(jù)的綜合性和可比性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)日益顯現(xiàn)，已成為研究地質(zhì)災(zāi)害防治、全球環(huán)境變化重要的科學(xué)技術(shù)手段。

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)對(duì)水體進(jìn)行提取的技術(shù)如今已在水資源變化檢測(cè)、洪水淹沒(méi)范圍判讀和海岸線變化識(shí)別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究已經(jīng)展開(kāi)，肖干廣等[2]利用AVHRR的通道2（近紅外波段）和通道1（可見(jiàn)光波段）的差值法，水體得到了有效的識(shí)別。盛永偉等[3]利用AVHRR的信道2和信道1的比值法，從而使薄云覆蓋下的水體得到了很好的識(shí)別。都永康等[4]利用SPOT衛(wèi)星信息，采用決策樹(shù)分類方法，山區(qū)中的水體信息得到了有效識(shí)別。Jun Li等[5]利用MODIS信息能夠有效監(jiān)測(cè)清澈水體。趙書河等[6]采用迭代混合分析方法，對(duì)中巴資源一號(hào)衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，把水體與山區(qū)陰影進(jìn)行了有效分離。

1.水的提取原理

遙感影像記錄的是地物的光譜特征，不同地物在部分波段呈現(xiàn)較大的反射率特征差異，通過(guò)定量化分析和比較這些差異可以達(dá)到識(shí)別地物的目的。在大部分遙感傳感器的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，由于水體對(duì)入射能量具有強(qiáng)吸收性的特點(diǎn)，導(dǎo)致水體的反射率總體上較弱，并具跟波普長(zhǎng)度長(zhǎng)成反比。水體對(duì)藍(lán)光波段（CH3），綠光波段（CH4）的反射率較強(qiáng)，并且水體在藍(lán)光波段有明顯的散射，與其他地物在此波段的反射率特征差異不明顯；相比于紅光波段（CH1），水體在近紅波段（CH2）的吸收性要更強(qiáng)烈一些，幾乎吸收了全部的入射能量，吸收率較高、反射率較低；而土壤、植被在這個(gè)波段內(nèi)的反射率較高、吸收率較低。這種明顯的差異使得水體在近紅外波段上很容易與植被、土壤形成鮮明的對(duì)比，易于區(qū)分。在MODIS影像上，水體在近紅外波段上呈現(xiàn)暗色調(diào)，而土壤和植被則呈現(xiàn)亮色調(diào)。同時(shí)，在山區(qū)由于受山體陰影的影響，使得陰坡面的地物在近紅外波段反射能量降低，因此陰影中的地物在近紅外波段影像上呈現(xiàn)為明顯的暗色調(diào)；在城市建筑物密集地區(qū)，由于高層建筑物陰影的影響，也存在同樣的問(wèn)題，因此通過(guò)單一閾值（近紅外波段）來(lái)區(qū)分水體和陰影中的地物存在一定的難度。

在一定條件下，植被指數(shù)能夠定量地說(shuō)明植物的生長(zhǎng)狀況，其原理是根據(jù)在可見(jiàn)光波段植物葉面有很強(qiáng)的吸收特性，在近紅外波段植物葉面有很強(qiáng)的反射特性，通過(guò)不同波段的組合，植被指數(shù)能夠?qū)⒅参锱c其他地物有效區(qū)分開(kāi)來(lái)。常用的植被指數(shù)包括比值植被指數(shù)和歸一化植被指數(shù)等。

2.MODIS的光譜特點(diǎn)及當(dāng)前主要應(yīng)用范圍

2.1MODIS的數(shù)據(jù)特點(diǎn)

與之前常用的幾種遙感數(shù)據(jù)相比，美國(guó)國(guó)家航天局（NASA）最新的數(shù)據(jù)主要有三個(gè)特點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)涉及波段范圍比較廣（36個(gè)波段，0.4-14.4um）；二是空間分辨率較之前有了更大的進(jìn)展（250 m、500m、1000m）；三是數(shù)據(jù)更新頻率快，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有較高的應(yīng)用價(jià)值。

2.2MODIS影響上的水體表現(xiàn)特征

根據(jù)已有研究表明的水體波普特征和MODIS有感數(shù)據(jù)36個(gè)通道的波長(zhǎng)分布，可以分析并確定適合于水體信息提取的波段。在MODIS遙感數(shù)據(jù)的36個(gè)通道中，1、3、4、8～15通道在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，水體與其它地物的反射率差別不大，即從水體到陸地的過(guò)度特性不明顯。2、5、6、7、16～19、26通道處于近紅外波段范圍，水體吸收率高、反射率低，而對(duì)土壤、植被的吸收率低、反射率高，水體在影像上表現(xiàn)為比其他地物都暗的色調(diào)，其邊界輪廓十分清楚。故在這些通道的單波段影像上，水陸界線比通道1、3、4、8～15影像更加清晰可辨。20～25、27～36為熱紅外通道，主要反映地物自身的熱輻射效應(yīng)，應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行水體提取，對(duì)于小水域范圍，通道2是最佳波段，有著僅0.03m的波段寬度和250m的空間分辨率[8]。

3.MODIS影像水體提取方法及研究

3.1MODIS影像水體提取模型

單波段閾值法和多波段閾值法是目前利用遙感信息提取水體信息最常見(jiàn)的兩種方法。

單波段閾值法主要是選取近紅外波段并利用閾值來(lái)提取水體信息，它是提取水體的最簡(jiǎn)單易行的方法，基本原理是利用水體在近紅外波段上吸收率高、反射率低，其他地物吸收率低、反射率高的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)確定一個(gè)灰度值，作為區(qū)分水體與其它地物的閾值，其缺點(diǎn)是水體與山區(qū)的陰影難以區(qū)分，提取的水體往往比實(shí)際要多。部分文獻(xiàn)敘述由于遙感影像的時(shí)空性變化較大，且時(shí)常因?yàn)闀r(shí)空的變化，閾值變化的不確定性使得該方法具有局限性，但在特定時(shí)相和區(qū)域里，對(duì)于非山區(qū)水體信息的提取，因?yàn)镸ODIS光譜的細(xì)分已經(jīng)將上述問(wèn)題大大減弱，首先應(yīng)選取閾值法進(jìn)行試驗(yàn)。

單純使用單波段閾值法無(wú)法有效區(qū)分地物時(shí)，需引入多波段法，常見(jiàn)方法包括：譜間關(guān)系法和多光譜分析法。利用譜間關(guān)系建立的模型很多，比如對(duì)波段進(jìn)行如下運(yùn)算CH7/CH6、CH7/CH5，從而找出組合圖像上水陸分界非常明顯的影響。以CH7/CH6為例，可以采用如下方法剔出非水體：在ENVI軟件下輸入CH7/CH6波段，運(yùn)算波段計(jì)算功能，將公式CH7/CH6輸入，載入影像，在放大窗口中，手工裁取明水水域范圍，生成多邊形，對(duì)各種多邊形賦予一個(gè)感興趣區(qū)（AOI）文件，并將其輸出為ENVI等矢量文件即可。

采用基于多波段分析原理的植被指數(shù)法，能有效增強(qiáng)水體與陸表的差異，從而能后有效區(qū)分和識(shí)別水體。

植被指數(shù)最早是1969年Jordan為了估計(jì)熱帶雨林的葉面積指數(shù)而提出來(lái)的比值植被指數(shù)（RVI）為了提高對(duì)地面植被指數(shù)檢測(cè)效果，又有人提出了將比值限定在（-1，1）之間的歸一化植被指數(shù)（NDVI）[9]，其原理是通過(guò)遙感光譜通道間組合運(yùn)算獲得的無(wú)量綱數(shù)據(jù)，是對(duì)地面植被狀況的一種經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的觀測(cè)。

NDVI廣泛用于檢測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)、植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等，-1<=NDVI<=1，負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對(duì)可見(jiàn)光高反射；0表示有巖石或裸土等，NIR和R近似相等；正值，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大，根據(jù)此特點(diǎn)便可進(jìn)行水體信息提取。

MODIS數(shù)據(jù)第一波段是紅光區(qū)（0.62～0.67μm），水體的反射率高于植被，波段2是近紅外區(qū)（0.841～0.867μm），植被的反射率明顯高于水體，因此，采用歸一化植被指數(shù)NDVI來(lái)進(jìn)行處理可以增強(qiáng)水陸反差，其計(jì)算公式是

NDVI=（CH2-CH1）/（CH2+CH 1）（1）

（1）式中CH1、CH2分別是MODIS數(shù)據(jù)波段1，2的地標(biāo)反射率。在NDVI圖像中，水體的NDVI值很低，為負(fù)值，而植被、土壤的NDVI值較高，為正值。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)選一個(gè)合適的取閾值范圍，即可構(gòu)建區(qū)分水體和植被、土壤的模型。

比值植被指數(shù)（RVI）也能增強(qiáng)水陸分界差異，其計(jì)算公式為

RVI=CH2/CH1（2）

由于水體在MODIS第二通道（CH2）上的地標(biāo)反射率很低，而其他地物相對(duì)較高，而在第一通道上，水體的地標(biāo)反射率雖然比在第二通道上高，但土壤、植被等地物的地標(biāo)反射率比水體更高，利用RVI可以增強(qiáng)這種差異，然后設(shè)定一個(gè)閾值，也可構(gòu)建一個(gè)能夠有效區(qū)分植被、土壤的模型。

多光譜混合分析法主要針對(duì)所研究區(qū)域及其周圍的典型地物（如草地、林地、陰影、城鎮(zhèn)等）進(jìn)行分析，標(biāo)出他們?cè)诟鱾€(gè)波段上的光譜亮度值，查找同一波段地物的異同，必要時(shí)對(duì)個(gè)別波段進(jìn)行加、減、乘、除等運(yùn)算，找出唯有水體滿足的關(guān)系，由此構(gòu)建水體的提取模型。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及精度分析

為了驗(yàn)證NDVI和RVI進(jìn)行水體提取的有效性，分別選取了河流、湖泊、海洋這三種主要水體對(duì)NDVI和RVI指數(shù)進(jìn)行了水體信息提取試驗(yàn)。為了使試驗(yàn)結(jié)果具有代表性，選取的試驗(yàn)區(qū)的背景地物有的以植物為主，有的以建筑物為主；以保證客觀的評(píng)價(jià)性。遙感影像處理采用的是ENVI軟件。

試驗(yàn)區(qū)的水體以河流、湖泊、海洋為主，用公式（1）和公式（2）分別生成了RVI和NDVI影像。

此外NDVI和RVI指數(shù)影像更能詳細(xì)的表現(xiàn)遙感影像的信息，反應(yīng)影像上的細(xì)微差別。如河流的細(xì)小分支、植被覆蓋等在原始遙感影像上表現(xiàn)得并不明顯，而在NDVI和RVI指數(shù)影像上表現(xiàn)得很詳細(xì)。同時(shí)NDVI和RVI影像還能達(dá)到去除云層的效果，在圖四中這種效果表現(xiàn)的最為明顯。這是由于在CH2中云層的地標(biāo)反射率比在CH1中的較高，水體在CH2中的地表反射率比在CH1中的較低，在CH2上兩者的地標(biāo)反射率差別不大，但用比值法能使這種差別擴(kuò)大，因此達(dá)到較好的去除云層的效果。

5.結(jié)論

MODIS采用一系列低軌道衛(wèi)星對(duì)地球進(jìn)行連續(xù)綜合觀測(cè)的計(jì)劃，在保證大范圍獲取地物信息的同時(shí)大大縮短了衛(wèi)星的重訪周期，為突發(fā)性洪水災(zāi)害的檢測(cè)和評(píng)價(jià)提供了有力支撐。利用MODIS的1，、2通道遙感數(shù)據(jù)計(jì)算歸一化植被指數(shù)、比值植被指數(shù)，對(duì)影像進(jìn)行水體自動(dòng)提取得到以下結(jié)論：

（1）本文利用RVI和NDVI指數(shù)對(duì)MODIS影像進(jìn)行水體的自動(dòng)提取，并以河流、湖泊、海洋水體為試驗(yàn)區(qū)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NDVI和RVI指數(shù)提取的水體的輪廓很清晰，且較窄的河流也能清晰的表現(xiàn)出來(lái)，漏提的水體較少，且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)將陰影、云、居民地等誤當(dāng)水體提取出來(lái)。

（2）在MODIS遙感數(shù)據(jù)的36個(gè)通道中，進(jìn)行水體提取的優(yōu)先選取波段是2、5、6、7通道，其中最佳波段是通道2。很多復(fù)雜的地物都可以通過(guò)MODIS光譜數(shù)據(jù)細(xì)分出來(lái)，單波段閾值法從而成為首選方法。

（3）在采用單波段閾值法對(duì)水體進(jìn)行提取研究時(shí)，其準(zhǔn)確性取決于閾值的大小，如果選取的閾值大，當(dāng)然可以減少云，陰影等造成的誤差，但可能會(huì)造成部分水體的漏提；如果選取的閾值過(guò)小，會(huì)有可能將陰影、云、居民地等當(dāng)做水體提取出來(lái)，采用單一通道法無(wú)法將水體像元有效地提取出來(lái)。

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作者簡(jiǎn)介：李曉星（1990-），男，山東平度人。碩士研究生，研究方向?yàn)橥恋乩门c遙感監(jiān)測(cè)。

通訊作者：王周龍（1959-），男，陜西楊凌人人。博士，碩士生導(dǎo)師，2002年8月至今，在魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院從事遙感、地理信息系統(tǒng)研究與教學(xué)工作。先后承擔(dān)國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目、973基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)際合作研究項(xiàng)目等。作為主要科研骨干，曾獲中國(guó)科學(xué)院科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。在《科學(xué)通報(bào)》、《遙感學(xué)報(bào)》、《遙感技術(shù)與應(yīng)用》、《遙感信息》、《國(guó)土資源遙感》、《計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究》等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文60余篇。