基于遙感技術(shù)的蘇州市水域信息提取研究

邱建紅，謝超超

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.核工業(yè)井巷建設(shè)集團有限公司，浙江 湖州 313001）

1 問題的提出

隨著空間信息技術(shù)的飛速發(fā)展，全天候、大面積獲得多時相、高分辨率、高精度的遙感影像已成為可能[1]。水域信息的提取一直是遙感信息提取領(lǐng)域的基礎(chǔ)性工作[2]，遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)逐步在國土、住建和先進省市水利部門建設(shè)本底數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測非法侵占水域的違法行為中發(fā)揮重要作用。

利用高分辨率遙感影像進行水域信息提取的方法大致分為2類：一是目視解譯，二是半自動或自動化信息提取。目視解譯的精度相對較高，依賴于人的主觀性判斷，但效率較低。半自動或自動化信息提取方法種類多樣，李暢游等[3]選取ETM遙感圖像分別選取多波段組合運算法和多光譜混合分析法提取烏梁素海的水體，文中無法定量驗證半自動化的提取精度，而且所采用的波段組合不排除只在特定的水域條件下適用；何智勇等[4]利用IKONOS數(shù)據(jù)采用小波技術(shù)、多窗口線性保持技術(shù)，結(jié)合水體信息的地學(xué)特征等多種方法對浙江省甘霖鎮(zhèn)內(nèi)的水體信息進行提取，提取精度較高，但是該方法通用性不強，研究區(qū)范圍也較小，操作復(fù)雜；馬鴻旭等[5]利用HJ-1A衛(wèi)星影像耦合歸一化差分植被指數(shù)法、歸一化差分水指數(shù)法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論對研究區(qū)進行水體信息提取，指出該改進方法更適用于混合城市建筑及多細小支流的水體信息提??；杜云艷等[6]利用NOAA/AVHRR遙感圖像，通過構(gòu)造地物信息提取模型，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法實現(xiàn)對水體的自動提取。近年來，面向?qū)ο蟮姆治黾夹g(shù)已成為高效智能遙感信息提取領(lǐng)域研究的熱點。但是，Meinel& Neubert（2004年）和Neubert et al（2006年）認為該技術(shù)仍不能滿足實際應(yīng)用的需求[7]。利用面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄌ崛∷螂m然效率顯著提高，基本不需要人為主動干預(yù)，但是陰影和水體因光譜特征相似存在混分問題，而且只能提取水體，不能有效提取水域范圍，當應(yīng)用于大范圍且精度要求較高的水域信息提取時，精度偏低，不能滿足實際應(yīng)用的需要。這些自動化或半自動化提取方法雖然一定程度上提高了效率，但缺乏應(yīng)用的普適性。針對特定分辨率的遙感影像，提取精度的評價方法并無統(tǒng)一標準，而且提取的目標基本為水體，并不能有效提取水域，因此，此類研究并沒有形成相對完整成熟的理論體系[8]。

鑒于研究區(qū)范圍較大，河湖水域分布情況復(fù)雜，且需要根據(jù)提取的水域計算水域面積等指標，對水域提取精度要求較高，為保證高精度盡量減小誤差帶來的影響，采用目視解譯這種傳統(tǒng)的遙感數(shù)據(jù)信息提取方法對蘇州市的所有水域進行提取并獲得全市水域面積。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

蘇州市地處長江、太湖下游，范圍在N30°46′ —32°02′，E120°11′ — 120°16′，境內(nèi)地勢平坦，河港縱橫交錯，湖蕩星羅棋布，有各類河道2萬余條，大小湖泊蕩漾300多個，形成“一江、百湖、萬河”的獨特水網(wǎng)。水域在蘇州市防洪、排澇、灌溉、供水、航運和生態(tài)景觀、水文化等方面發(fā)揮巨大的綜合作用。

為了準確調(diào)查清楚蘇州市水域總面積和分布情況，獲取高精度的水域提取信息，采用高分辨率航空影像結(jié)合大比例尺地形圖，在同一數(shù)據(jù)條件、同一技術(shù)方案和工作細度下完成水域面積勘察工作。水域信息提取使用的基礎(chǔ)遙感影像2013年拍攝的彩色航空影像，空間分辨率為0.1 ～0.3 m，已經(jīng)過正射校正和波段融合處理。作為輔助目視解譯的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括1:1 000蘇州市測繪基礎(chǔ)地形圖、蘇州市電子地圖數(shù)據(jù)。

3 水域信息提取

3.1 水域范圍線界定

水域范圍界定按照有硬質(zhì)岸線和無硬質(zhì)岸線2種基本情況。

（1）硬質(zhì)岸線包括堤防，硬質(zhì)護坡、護岸，擋墻和道路等，在航空影像上一般呈現(xiàn)為白色條狀，直接沿硬質(zhì)岸線迎水側(cè)邊緣勾繪水域邊界（見圖1）。

（2）當水域沿岸無硬質(zhì)岸線，以基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中的水域常水位岸線為基礎(chǔ)，結(jié)合不同時段的高分航空影像，沿水陸痕跡線勾繪水域邊界（見圖2）。

圖1 沿岸有硬質(zhì)護坡、護岸和擋墻河道水域范圍示意圖

圖2 沿岸無硬質(zhì)岸線河道水域范圍示意圖

3.2 特殊情況處理

3.2.1 河道貫通

（1）2條河流貫通時，在統(tǒng)計這2條河流的長度時，河道中心線在貫通處貫穿，即這2條河道的長度包括貫通處范圍。

（2）2條河流貫通時，如果交匯處的水域不屬于某個獨立的水域（例如湖泊或塘壩等），為了不重復(fù)計算，則在勾畫河流水域范圍面時，將該水域納入到其中等級較高或?qū)挾容^大的河流中，另外一條河流在交匯處斷開。即交匯處水域面積被計算入其中一條河流的水域面積中，另外一條河流不包括交匯處的水域面積。

（3）當河流與其他類型水域貫通時，如果交匯處的水域?qū)儆谀硞€獨立的水域類型（例如湖泊或塘壩），則在勾畫該河流水域范圍面時，河流兩端都在交匯處獨立水域斷開，即這條河道的水域面積不包括交匯處獨立水域，在統(tǒng)計區(qū)域水域面積時，可以保證不會重復(fù)計算。

3.2.2 沙洲灘地水域判定

河湖沿岸堤防或岸線之間的沙洲、灘地在一般情況下都屬于河湖水域范圍，只有當歷史最高洪水位或者設(shè)計洪水位無法被淹沒時才不屬于水域。依據(jù)上述原則，結(jié)合項目實際情況，對于河湖水域范圍中間的沙洲灘地是否屬于水域按以下方法進行判定：

（1）當河湖水域中間的沙洲、灘地根據(jù)高分航空影像、堤防規(guī)劃調(diào)查資料、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)存在大片的人工建筑物或有堤防線包圍時不屬于水域，進行鏤空處理（見圖3）。

（2）當河湖水域中間的沙洲、灘地?zé)o上述情況時，一般在高水位時會被淹沒，因此屬于水域范圍。

圖3 沙洲灘地水域判定示意圖

4 水域提取結(jié)果測量驗證

利用RTK對內(nèi)業(yè)提取的水域范圍界線進行外業(yè)測量驗證，測得點位中誤差為±0.16 m，小于±0.30 m，符合《1:500、1:1 000、1:2 000外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程》的要求。根據(jù)抽樣河段的驗證結(jié)果，本項目基于遙感手段提取的水域面積的方法精確可靠，符合實際需求，獲取的水域面積精確可靠。

根據(jù)水域面積抽樣測量驗證結(jié)果（見表1 ～ 2）和結(jié)果驗證測段示意圖（見圖4），本次水域信息提取相對面積誤差為0.1%，其中流域性河道相對誤差最低為0.1%，市管河道提取誤差為0.2%，縣級和鎮(zhèn)村級河道為0.3%。分析主要原因為等級高的河道岸線多為明顯的硬質(zhì)岸線，易于內(nèi)業(yè)解譯。

表1 水域面積抽樣河道位置信息表

表2 水域面積抽樣驗證結(jié)果匯總表

圖4 結(jié)果驗證測段示意圖

5 結(jié) 語

在所調(diào)查區(qū)域水域情況比較復(fù)雜、水域范圍較大、所用遙感數(shù)據(jù)源分辨率足夠高的前提下，研究采用遙感目視解譯這種信息提取手段，相比傳統(tǒng)的人工實地巡查方式，顯然效率更高，同時，也能兼顧提取精度，能夠滿足實際應(yīng)用的需要。

但是目視解譯方法依賴于解譯人員的主觀認知水平，解譯精度與解譯人員的解譯經(jīng)驗密切相關(guān)，仍然不可避免地出現(xiàn)誤差，為了避免人為干擾，利用遙感數(shù)據(jù)對水域進行自動化提取，加強方法普適性研究的同時兼顧合理統(tǒng)一的精度評價是未來探索的重點。