基于ETM+數(shù)據(jù)的水體信息提取

王永麗++宋希磊

摘要：以丹江口水庫流域水體為研究對(duì)象，根據(jù)其Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)，利用ENVI4.7對(duì)其進(jìn)行了處理分析。根據(jù)丹江口水庫庫區(qū)的水體特征，對(duì)單波段閾值法、譜間關(guān)系法、改進(jìn)歸一化指數(shù)法等3種方法提取水體的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較和分析，最后選取適合大面積水體信息提取的譜間關(guān)系法進(jìn)行提取。實(shí)踐表明：此方法不僅避免了閾值確定的麻煩，而且解決了陰影對(duì)水體提取的限制影響，實(shí)現(xiàn)了丹江口水庫大面積水體的精確提取。

關(guān)鍵詞：水體提?。魂幱?；單波段閾值法；譜間關(guān)系法；丹江口水庫

中圖分類號(hào)：TP722.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）10020803

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，數(shù)字流域的建設(shè)已逐漸成為我國水利現(xiàn)代化的重要組成部分[1]。遙感影像數(shù)據(jù)是自動(dòng)提取水體的基礎(chǔ)，可大面積周期性實(shí)時(shí)地獲取水體信息數(shù)據(jù)，通過影像數(shù)據(jù)就可對(duì)研究區(qū)進(jìn)行判讀和分析，大大提高了工作效率；在近20年的衛(wèi)星遙感發(fā)展過程中，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)資源和環(huán)境的調(diào)查研究得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在對(duì)水資源的研究。衛(wèi)星遙感影像記載了地物對(duì)電磁波的反射信息及地物本身的熱輻射信息，而由于不同的地物其自身的結(jié)構(gòu)屬性的不同，導(dǎo)致其對(duì)電磁波的反射及本身的熱輻射存在著差異[2]。與其他地物不同，水體在整個(gè)光譜范圍內(nèi)都呈現(xiàn)出較弱的反射率[3]；恰是因?yàn)檫@種特征，才能夠提取水體等其他地物的信息。

對(duì)丹江口水庫流域信息的提取研究最重要的是區(qū)別出水體和非水體的過程，即提取水體與其他地物的分界線，并對(duì)其水體面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；單波段閾值法和多波段法是現(xiàn)在通用的兩種水體提取方法，根據(jù)對(duì)研究的需求利用不同的提取方法。

單波段法主要選取對(duì)水陸界反應(yīng)較好的Landsat-7的ETM+的第四或第五波段，即近紅外和中紅外波段，利用閾值法對(duì)水體進(jìn)行提取[3]。多波段法根據(jù)不同波段的綜合特點(diǎn)進(jìn)行影像的疊加和波段運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)水體信息的提取，由此可分為譜間關(guān)系法和水體指數(shù)法。以丹江口水庫的水體信息為例，選取2014年3月份LandsatETM+影像為數(shù)據(jù)源，用上述兩種方法對(duì)丹江口水庫的水體信息舉行提取，并對(duì)其提取成果展開分析，以選取適合該研究區(qū)的水體提取方法。

2 研究區(qū)概況和方法

2.1 研究區(qū)概況

丹江口水庫位于北緯32°36′～33°48′，東經(jīng)110°59′～111°49′之間；丹江口橫跨湖北和河南兩省，其主要流域位于河南省淅川縣和湖北省丹江口市，是國家南水北調(diào)工程的水源地，丹江口水庫大壩建成以后，蓄水以后庫容可達(dá)339.1億m3，丹江口水庫水域面積將達(dá)600 km2，其水域面積廣闊且較為連續(xù)，丹江口水庫是以供水、防洪、發(fā)電為主，兼具灌溉、養(yǎng)殖等功能的大型人工水庫。龐大的水域面積使其形成了自身的獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)，使其周邊氣候適宜，良好的空氣質(zhì)量，達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)，周邊的地區(qū)以丹江口水庫獨(dú)特的性質(zhì)，建立了生態(tài)旅游、種植、養(yǎng)殖等多種經(jīng)濟(jì)社會(huì)功能；其是國家重點(diǎn)大型水利工程南水北調(diào)的水源地；該工程貫通后，將把丹江口水庫的水輸送到華北地區(qū)以供飲用，滿足用水需求。

2.2 數(shù)據(jù)來源

為了盡量減少天氣對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)的影響，根據(jù)研究區(qū)天氣預(yù)報(bào)情況及當(dāng)天的云量分布情況，選用了2014-3-17條帶為WRS2 125/37的影像數(shù)據(jù)，該研究區(qū)的影像不存在地形陰影和云體陰影的影響。

2.3 研究方法

2.3.1 水體的影像特征

水體自身的屬性決定了水體的光譜特征，但不同的水態(tài)也會(huì)具有不同的光譜特征，使其與真實(shí)水體存在著一定的差異；相對(duì)于其他地物而言，水體在整個(gè)光譜范圍內(nèi)對(duì)入射的太陽能量具有強(qiáng)吸收性，在整個(gè)光譜范圍內(nèi)遙感都呈現(xiàn)出較弱的反射率，特別是在近紅外、中紅外及短紅外部分，水體幾乎吸收全部的入射能量，因此，水體在這些波段的反射能量很少[3]。而土壤、建筑物和植被等地物正好相反，具有較高的反射率，這使得水體與其他地物有明顯的區(qū)別。圖1所示為不同地物的光譜曲線。

2.3.2 單波段閾值法

單波段閾值法是比較簡(jiǎn)單的一種水體自動(dòng)提取方法，可以快速的提取水體，其跟據(jù)水體在整個(gè)光譜范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的吸收能量，水體表現(xiàn)出較弱的反射率，特別是水體在近紅外和中紅外波段反射率幾乎為零，而非水體（如：植被、土壤、建筑物等地物）正好相反，具有較高反射率，這使得水體與其他地物有明顯的差異。利用水體信息和其他地物信息在遙感影像上的灰度值不同來確定閾值。閾值的確定很關(guān)鍵，必須經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得到，其大小都會(huì)影響水體提取的精度。

2.3.3 多波段法

（1）歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）法。此研究方法是比較特殊的比值運(yùn)算方法，在基本的比值運(yùn)算中，如果分母中的波段的值比較?。ㄌ貏e是小于1的情況下），那么，比值的結(jié)果將夸大差異，使用歸一化指數(shù)可以避免這個(gè)問題，歸一化指數(shù)中像素值的變化是有約束的[4]。水體歸一化比值運(yùn)算的原理就是在多光譜波段內(nèi)，把水體最強(qiáng)的反射率波段放在分子上，最弱的放在分母，通過兩者的相比運(yùn)算從而進(jìn)一步擴(kuò)大兩者的差異，使水體的亮度達(dá)到最大值，而其他非水體地物則基本上都被抑制，從而突出研究水體信息的目的，即抑制建筑物、植物和土壤的信息提取水體[5]。考慮水體的波譜特征是在綠光波段具有較強(qiáng)的透射性，在近紅外波段吸收性較強(qiáng)，可以更好地反應(yīng)水體信息，因此Mcfeeters在1996年提出了歸一化差異水體指數(shù)NDWI[6]。

（2）譜間關(guān)系法。此研究方法利用水體具有獨(dú)特的譜間關(guān)系特征：（b2+b3）>（b4+b5），這一構(gòu)建模型來進(jìn)行水體提取能將水體與陰影區(qū)分開來，特別適合山區(qū)水體的提取[7]。由圖1可知，只有水體的2、3波段相加大于其4、5波段之和，按照這種特性對(duì)水體進(jìn)行提取。

3 研究結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1.1 單波段閾值法

利用單波段閾值法對(duì)丹江口水庫進(jìn)行水體信息的提取難點(diǎn)在于最佳閾值的確定，閾值大小的確定關(guān)系到了水體提取的精度；由于丹江口水庫庫區(qū)水陸界限清晰，范圍比較廣，因此為了避免選取閾值的麻煩，并不采用此方法進(jìn)行水體提取。

3.1.2 多波段法

（1） 歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）法。此方法最大程度地改善了誤提植被、建筑物和居民地等信息提取的問題，使水體信息得到了更好體現(xiàn)，提高了水體提取的準(zhǔn)確度。但此指數(shù)研究方法在提取水體的時(shí)候忽略了山體、裸地以及山體陰影等信息對(duì)水體提取時(shí)候的影響，對(duì)提取結(jié)果的精確性造成了限制。

（2） 譜間關(guān)系法。依據(jù)丹江口水庫各波段的影像特征，選取了第2、3、4、5波段進(jìn)行了波段運(yùn)算，輸入運(yùn)算公式（b2+b3）>（b4+b5）。利用此方法可以較為準(zhǔn)確地提取丹江口流域的所有水體信息，包括影像中比較小的水體和流域，與上述方法相比，陰影對(duì)水體信息提取的限制也得到了很大的改善，但對(duì)于建筑物和居民地沒有更好的識(shí)別，存在著誤提的問題。

3.2 譜間關(guān)系法提取結(jié)果與分析

上述3種水體提取方法，都有各自的不足之處；單波段閾值法不能有效地精確提取細(xì)小的水體和流域，并且其水體的精確率在于閾值的確定，而閾值的確定到目前為止都是一個(gè)難點(diǎn)；NDWI法雖然改善了植被、建筑物和居民地等信息誤提的問題，但存在著誤把陰影和裸地提為水體的問題，直接限制了水體提取的精度。而研究范圍是丹江口水庫庫區(qū)，水域面積較大且連續(xù)性強(qiáng)，因此，選取譜間關(guān)系法來對(duì)研究區(qū)水體進(jìn)行提取；此提取方法不僅可以對(duì)丹江口水庫庫區(qū)大面積水體進(jìn)行有效提取，也對(duì)陰影的誤提有了很大的改進(jìn)[7～10]；不用對(duì)閾值的確定進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，避免了繁瑣的工作，實(shí)現(xiàn)水體快速有效的自動(dòng)提取，提高了工作效率。采用譜間關(guān)系法對(duì)丹江口影像進(jìn)行水體信息的提取，得到如圖2所示的利用譜間關(guān)系法提取水體的效果圖[11～13]。

4 結(jié)論與討論

4.1 主要結(jié)論

（1） 不同于上述兩種方法，譜間關(guān)系法不用進(jìn)行閾值的確定，避免了最佳閾值選擇所帶來的誤差和麻煩，相比之下能更好地提取水體信息。

（2） 為了減少由于地形坡度、陰影等自然環(huán)境條件的限制，宜采用波段之間的比值運(yùn)算進(jìn)行水體信息的提取，從而提高水體識(shí)別的精確性。

（3） 通過幾種方法的比較和分析，最終根據(jù)丹江口水庫庫區(qū)本身的特征選取了譜間關(guān)系法提取水體信息，從得到的提取效果圖1中可以發(fā)現(xiàn)，陰影和建筑物基本上消除，水體輪廓清晰。

（4）丹江口水庫水體面積隨著季節(jié)而發(fā)生變化，受到降雨量、降水強(qiáng)度及降水時(shí)間的巨大影響。通常丹江口水庫水體面積在600 km2左右。通過對(duì)譜間關(guān)系法的提取效果圖進(jìn)行判讀和分析，借助GIS相關(guān)軟件對(duì)丹江口水庫水體信息的提取面積進(jìn)行計(jì)算為599.89 km2，同丹江口水庫實(shí)際水體面積相比，具有較高的提取率。

（5）最后采用譜間關(guān)系法對(duì)丹江口水庫進(jìn)行了水體信息的提取，雖然有細(xì)小水體和水流的漏提，但相對(duì)于丹江口庫區(qū)大面積水體而言沒有影響，保證了對(duì)此研究區(qū)水體提取的精度。

4.2 問題探討

（1）通過對(duì)幾種水體信息提取方法的比較和分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于目前對(duì)水體提取的技術(shù)上，建筑物、陰影的誤提對(duì)水體信息提取有很大的干擾，因此今后應(yīng)針對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行更深入的研究和分析，以找到更好、更精確的水體提取方法。

（2）要根據(jù)實(shí)地情況和需求，將遙感影像特征和研究區(qū)地域自然環(huán)境特征相結(jié)合，進(jìn)而建立起適合不同地域環(huán)境的提取模型，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速精確的水體提取。

（3）波段閾值的確定一直是一個(gè)難點(diǎn)，它限制了水體提取的準(zhǔn)確性，因此，應(yīng)在閾值范圍選取及確定這方面加以深入研究，從而提高閾值確定的準(zhǔn)確性。

（4）在遙感影像上，有些陰影與水體的光譜特征比較相似，這在遙感上稱為“異物同譜”現(xiàn)象；這種現(xiàn)象降低了提取水體的精度，因此，如何消除異物同譜現(xiàn)象是今后研究的重點(diǎn)。

此外，由于細(xì)小水體的面積小，光譜特征不明顯，容易漏提，因此，細(xì)小水體的精確提取也將成為今后的研究重點(diǎn)之一。

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