基于Landsat＿8影像的涇河峽谷段高含沙河流信息提取方法

李彬 張金良 白玉川

摘 要：為了克服從遙感影像中提取高山峽谷型河流信息過程中遇到的山體陰影、水庫下游基巖裸露等構(gòu)成的混合像元效應(yīng)，提出一種基于Landsat_8OLI影像的自動提取高山峽谷窄深型高含沙量河流信息的多波段譜間關(guān)系的改進(jìn)方法。以黃土高原涇河中游為例，利用多波段光譜特征，分離水體與山體陰影、裸露山體、基巖邊灘，構(gòu)建適用于高山峽谷窄深型高含沙量河流信息提取的模型。與其他水體信息提取模型相比，該方法克服了山體陰影、水庫下游基巖對水體信息提取的影響，提高了高山峽谷窄深型高含沙量河流信息的提取精度。

關(guān)鍵詞：多波段譜間關(guān)系法；河流信息提??；高含沙河流；涇河

中圖分類號：P407.8；TP75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.016

引用格式：李彬，張金良，白玉川.基于Landsat_8影像的涇河峽谷段高含沙河流信息提取方法[J].人民黃河，2022，44（1）：75-79.

RiverInformationExtractionMethodBasedonLandsat_8RemoteSensinginMountainAreawith HighSedimentConcentrationofJingheRiver

LIBin1，ZHANGJinliang2，BAIYuchuan1

（1.InstituteforSedimentationonRiverandCoastEngineeringofTianjinUniversity，Tianjin300072，China；2.YellowRiverEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Zhengzhou450003，China）

Abstract：Thispaperproposedanimprovedmethodforautomaticextractionofmulti bandspectralrelationshipofnarrowanddeepriversin mountainsandvalleyswithhighsedimentconcentrationfromLandsat_8OLIimages，whichovercamethemixedpixeleffectofmountainshad owandexposedbedrockinthedownstreamsectionofthereservoir.TakingJingcuntoDongzhuangReservoirsectioninthemiddlereachesof JingheRiverontheLoessPlateauasanexample，itseparatedthewaterbodyandmountainshadow，baremountainandbedrockbeachby consideringthecharacteristicsofthemulti bandspectral，andthenconstructedawaterbodyextractionmodelsuitablefornarrowanddeep riverswithhighsedimentconcentrationinvalleys.Comparedwithotherwaterextractionmodels，themethodproposedinthispapercanover cometheinfluenceofshadowclosetoriverchannelandbedrockdownstreamofreservoironwaterextraction，andimprovetheextractionaccu racyofnarrowanddeepriverswithhighsedimentconcentrationinmountaincanyon.

Keywords：multi bandspectralcorrelationmethod；riverinformationextraction；highsedimentconcentrationriver；JingheRiver

1 引 言

從衛(wèi)星遙感影像中提取水體信息，對水資源和水環(huán)境實(shí)時動態(tài)監(jiān)測具有重要意義[1]。目前提取水體信息常用的方法有歸一化插值水體指數(shù)（NDWI）法、改進(jìn)型歸一化插值水體指數(shù)（MNDWI）法、插值法、閾值法、多波段譜間關(guān)系法等[2-5]。McFeeters[6]提出了利用遙感影像中的綠波段與近紅外波段計(jì)算NDWI的方法，該方法能夠凸顯水體信息，抑制地表植被信息。MNDWI法利用短波紅外波段替代近紅外波段，在NDWI法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步突出水體，抑制城市、植被和裸露土地的信息。以上水體信息提取方法在平原地區(qū)和山地區(qū)的提取效果各不相同，在平原地區(qū)利用基于閾值的水體指數(shù)法提取效果較好，而在山地區(qū)利用基于閾值的多波段譜間關(guān)系法提取效果更好，主要原因是充分利用了水體和陰影在不同波段的變化特征[1，7]。

對于含有峽谷型河流的遙感影像而言，山體陰影、裸巖等的地物干擾使得全局性的光譜指數(shù)模型難以取得較高的提取精度。在峽谷型河流信息提取中，駱劍承等[8]與李均力等[9]提出了基于“全域-局部”的水體信息提取方法，但該方法對窄深型河流信息提取難以取得較好的效果。沈金祥等[10]利用基于水體NDWI的“全域-局部”特征，結(jié)合形狀、亮度等特征對新疆喀納斯湖地區(qū)的山區(qū)湖泊進(jìn)行水體信息提取。李炳亞等[11]在高山峽谷地區(qū)湖泊信息提取中，首先利用水體光譜特征提取完整的湖泊水體，再利用空間位置關(guān)系消除陰影，但受限于DEM數(shù)據(jù)精度。孫娜等[12]基于高分一號PMS影像，采用面向?qū)ο蟮挠跋穹治黾夹g(shù)與區(qū)域種子算法相結(jié)合，提取黃土高原水體，但是未考慮高山峽谷窄深型河流情況。

黃土高原高山峽谷窄深型河流存在的水體泥沙含量高、山體陰影、水庫下游基巖裸露等情況，使得遙感影像光譜復(fù)雜，水體光譜特征弱，峽谷河流信息提取難度較大。本文基于Landsat_8OLI遙感影像，采用多波段譜間關(guān)系的改進(jìn)方法，以黃土高原涇河中游景村至東莊水庫段為研究區(qū)，根據(jù)多波段的比值關(guān)系與閾值分割，分離水體與山體陰影、裸露山體、耕地等，構(gòu)建適用于峽谷型高含沙河流水體信息提取模型，以期為黃土高原地區(qū)其他河流信息提取提供參考。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

涇河為黃河流域十大水系之一，是黃河洪水、泥沙的主要來源地之一。涇河流域產(chǎn)流量集中，高強(qiáng)度暴雨易形成有較強(qiáng)輸沙能力與侵蝕能力的高含沙洪水[13]。東莊水利樞紐位于涇河的峽谷河段，該河段蜿蜒曲折，屬于典型的侵蝕型峽谷河道[14]，河道寬度僅為40～200m。涇河中游景村至東莊水庫段含沙量高、水庫下游基巖裸露，因而遙感影像河流信息提取容易受到山體陰影及其他地物光譜的影響。

從地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）下載涵蓋涇河中游景村至東莊水庫段的Landsat_8OLI衛(wèi)星影像（條代號/行編號為147/36，成像日期為2014年7月14日）（見圖1），以其為遙感數(shù)據(jù)源，利用ENVI軟件建立ROI區(qū)域并進(jìn)行圖像裁剪、輻射標(biāo)定與大氣校正。

3 研究方法

3.1 地物光譜特性分析

水體在電磁波各個波段上反映的特征是在遙感影像中進(jìn)行水體信息提取的基礎(chǔ)[15]。水體的總體反射率較低，反射主要集中在可見光波段，特別是藍(lán)綠波段，在近紅外波段反射率最低，而植被和土壤等在近紅外波段反射率較高，因此可以利用不同波譜間的光譜特征進(jìn)行水體信息提取[7]，但是山體陰影灰度值與水體相近，在進(jìn)行水體信息提取時往往會造成一些山體陰影被誤提取出來。在Landsat_8OLI影像上提取的研究區(qū)河流水體、山體陰影、植被、耕地等地物波譜值曲線見圖2，可以看出，各類地物在波段5上具有較大的波譜值，而云陰影和山體陰影在波段5的波譜值小于其他地物的，因此眾多學(xué)者利用綠波段B2與紅波段B3的波譜值之和大于近紅外波段B4與短紅外波段B5之和的特點(diǎn)[16]進(jìn)行分離和提取水體。

3.2 多波段譜間關(guān)系算法

式（2）是根據(jù)黃土高原上的地物光譜曲線特征，對張明華[18]與楊樹文等[19]提出的算法進(jìn)行的改進(jìn)。主要改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)：在原有基礎(chǔ)上新增了Landsat_8OLI中的波段1（B1）與波段7（B7），能夠有效消除緊靠河流的裸露山體的影響，進(jìn)一步分離水體與近岸山體陰影，提高了提取河岸邊界的精度。

3.3 河流信息提取后處理

利用ENVI軟件進(jìn)行圖像分割后得到河道的邊界，并通過ArcGIS進(jìn)行人機(jī)交互處理，主要為水體信息自動提取后的人機(jī)交互柵格數(shù)據(jù)處理，包括除去與研究區(qū)相連的支流以及與研究區(qū)分離的水體，對圖像中存在的噪點(diǎn)（主要為耕地邊上的小池塘）進(jìn)行處理，研究區(qū)內(nèi)存在多個水電站，其下游河道基巖裸露、河道較窄，造成水體不連續(xù)，需適當(dāng)進(jìn)行水體補(bǔ)充。利用ArcGIS對研究區(qū)河道中心線進(jìn)行提取，河道中心線是河道中與兩岸距離相等的點(diǎn)的連線，可以將河道平面抽象為一條蜿蜒的曲線[20]。

4 結(jié)果分析

4.1 典型河段選擇

選取研究區(qū)涇河景村至棗渠水電站、和平水電站下游、東莊水庫至文涇水電站3個典型河段（見圖3）進(jìn)行分析。景村至棗渠水電站河段耕地占用河道較為嚴(yán)重，水電站下游河道束窄，基巖構(gòu)成的邊灘發(fā)育，河流形態(tài)彎曲；和平水電站下游河段山體陰影密集，山體坡度較大，溝壑發(fā)育，河流含沙量較大，河道內(nèi)基巖裸露嚴(yán)重；東莊水庫至文涇水電站河段山體裸露嚴(yán)重且緊挨河道，河道較窄，山體陰影面積較大。

4.2 河流信息提取效果分析

在利用式（1）對研究區(qū)進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)N取2200的河流信息提取效果最佳。在利用式（2）對研究區(qū)域進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)N取0即可，即高于0的區(qū)域是研究區(qū)內(nèi)的涇河部分。分別利用式（1）與式（2）提取的河流信息效果對比見圖4。

景村至棗渠水電站河段，利用式（1）提取的結(jié)果（見圖4（a））包含了靠近河流的村莊、裸露的耕地、棗渠水電站下游基巖構(gòu)成的邊灘以及河道分汊等，噪點(diǎn)較多。利用式（2）提取的結(jié)果（見圖4（b））噪點(diǎn)較少，河道與村莊、耕地等地物分離較好，河道基本連續(xù)；棗渠水電站下游河道水體出現(xiàn)中斷，原因是棗渠水電站蓄水使得下游局部河道水體寬度變窄，河床基巖出露較多，從而使河道無法完整提取出來，但河流彎曲形態(tài)得以體現(xiàn)，有效區(qū)分了基巖和河流水體。

和平水電站下游河段，利用式（1）與式（2）提取的結(jié)果均能較好地反映河道內(nèi)的水體分布，河道基本連續(xù)，但在第一個彎道處出現(xiàn)中斷，主要是遙感影像中云的遮蔽造成的。在連續(xù)彎曲的河段內(nèi)，山體陰影覆蓋了部分河道（見圖3（b）），但在圖4（c）與圖4（d）中有效分離了山體陰影與河道。在水電站下游的彎道內(nèi)，利用式（1）提取的水體信息中有河道較窄和中斷現(xiàn)象（見圖4（c）），主要是汛期涇河含沙量較高造成的；利用式（2）提取的河道較好，基本沒有出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，表明其能夠有效提取含沙量較高的水體。

東莊水庫至文涇水電站河段，利用式（1）提取的效果較差（見圖4（e）），無法有效分離裸露山體和河道；利用式（2）提取的效果較好（見圖4（f）），能夠有效區(qū)分裸露山體和河道，但河道有中斷現(xiàn)象，主要原因是施工導(dǎo)致河流斷流，同時山體陰影覆蓋了部分河道（見圖3（c））。

4.3 結(jié)果驗(yàn)證及應(yīng)用

將利用式（2）提取的研究區(qū)河流信息轉(zhuǎn)化為矢量文件，疊加在合成的彩色圖像中加以對比（見圖5），驗(yàn)證基于多波段譜間關(guān)系改進(jìn)算法提取高山峽谷窄深型高含沙量河流信息的效果。由圖5可以看出，提取的河流信息疊加在經(jīng)過大氣校正后的Landsat_8OLI影像上，提取結(jié)果與實(shí)際河流情況吻合。

以黃河河曲縣段、黃河支流皇甫川和清水川府谷縣段、涇河上游馬蓮河與涇河交匯處為例，驗(yàn)證基于多波段譜間關(guān)系改進(jìn)算法在黃土高原高含沙河流信息提取中的應(yīng)用效果，見圖6（（a）河流信息提取效果圖，遙感影像為Landsat_8OLI，成像日期為2016年7月28日，條代號/行編號為126/33；（b）GoogleEarth影像，成像日期為2015年8月14日；（c）河流信息提取效果圖，遙感影像為Landsat_8OLI，成像日期為2020年5月18日，條代號/行編號為128/35；（d）GoogleEarth影像，成像日期為2019年9月29日）。

在圖6（a）中，利用式（2）進(jìn)行河流信息提取，N值取-400，可以明顯看出黃河河道內(nèi)的中心沙洲和邊灘分離效果較好，對于年徑流量較小、含沙量較高的黃河支流皇甫川和清水川也能夠較好地分離。不足之處在于無法準(zhǔn)確提取小南川，原因是小南川流量小、含沙量高、河漫灘發(fā)育、河流較窄（在GoogleEarth上測量的平均河寬為11m，部分河寬不足5m，遠(yuǎn)低于Landsat_8 OLI遙感影像的分辨率30m），對于河寬小于遙感影像分辨率的細(xì)小河流提取效果不佳[21]。出現(xiàn)大量噪點(diǎn)的原因主要是河流含沙量較高且附近地物植被覆蓋度較低、山體表層裸露，在設(shè)置閾值時容易將高含沙量水體與其他地物混淆。

圖6（c）為利用式（2）提取的馬蓮河與涇河交匯處的河流信息（N值取0），其中的噪點(diǎn)為山間湖泊。馬蓮河的提取效果較好，主流完整未中斷，能夠與耕地、山體很好地分離；涇河的提取結(jié)果整體效果較好，但其中存在河道中斷現(xiàn)象，原因是河道中的沙洲將水流分為多條，使得每條水流的寬度小于提取分辨率。

5 結(jié) 論

在峽谷型細(xì)小河流的提取方法中，多波段譜間關(guān)系算法提取效果較佳。高山峽谷窄深型高含沙量河流兩側(cè)山體陰影密集，下游基巖邊灘發(fā)育，使得河流的水體光譜特性減弱、山體陰影遮蔽河流、河流變窄，增加了提取難度。利用常規(guī)多波段譜間關(guān)系算法提取河流信息精度較低，而改進(jìn)的多波段譜間關(guān)系算法中加入Landsat_8OLI中的波段1和波段7，提取精度大大提高，主要表現(xiàn)在：①改進(jìn)的多波段譜間關(guān)系算法對于高含沙河流信息的提取效果較好；②改進(jìn)的多波段譜間關(guān)系算法能夠較好地提取基巖邊灘和細(xì)小河流；③改進(jìn)的多波段譜間關(guān)系算法能夠有效分離裸露山體和河流。

改進(jìn)的多波段譜間關(guān)系算法不足之處在于對河寬小于遙感影像分辨率的河流提取效果不佳，原因是在較窄的河道中，當(dāng)含沙量較高時，水體與裸露山體的光譜信息容易混淆，下一步應(yīng)嘗試在更高精度的遙感影像中采用改進(jìn)的多波段譜間關(guān)系算法提取河流信息。

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【責(zé)任編輯 張華興】