基于山地水體指數(shù)的水體邊界提取方法

駢蔚然，張 莉，耿 晴

（1.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130000；2.湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢 430071）

地表水是最重要的自然資源之一。作為地表水的重要組成部分，湖泊為人類提供生活用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水，調(diào)節(jié)河流水量，優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。湖泊的形成與消失、擴(kuò)張與收縮，都會(huì)直接影響湖泊的各種功能，甚至誘發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變[1]。隨著人類活動(dòng)對湖泊影響的加劇，湖泊萎縮、富營養(yǎng)化等環(huán)境問題開始顯現(xiàn)，因此準(zhǔn)確快速監(jiān)測湖泊水體對環(huán)境研究和陸地生態(tài)系統(tǒng)管理至關(guān)重要[2-4]。由于人類活動(dòng)的影響，水體變化速率加快，傳統(tǒng)大比例尺測繪方法耗時(shí)耗力的問題日益凸顯，尤其是對于山地水體，人工實(shí)地測量的難度更大；而遙感技術(shù)以其宏觀、連續(xù)、實(shí)時(shí)、非接觸等優(yōu)勢，在水體監(jiān)測中發(fā)揮著日益重要的作用。利用遙感影像數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地提取水體已成為水體調(diào)查、監(jiān)測、管理和保護(hù)的重要手段[5]。遙感技術(shù)的應(yīng)用勢必大大提高山地水體監(jiān)測的效率。

遙感水體提取方法通常包括單波段法、多波段譜間關(guān)系法和水體指數(shù)法[6]，其中單波段法利用近紅外波段水體的強(qiáng)吸收性和植被、土壤的強(qiáng)反射性來提取水體，但由于難以區(qū)分圖像中其他反射率較低的地物，該方法使用范圍受限，已不被廣泛使用；多波段譜間關(guān)系法根據(jù)已有地物遙感信息特征建立信息模型，并結(jié)合遙感圖像進(jìn)行地物光譜分析等提取水體，但該方法不能很好地抑制水體以外的背景信息；水體指數(shù)法是現(xiàn)階段使用較廣泛的方法，種類多樣，不同的水體指數(shù)具有不同特點(diǎn)。常見的水體指數(shù)包括改進(jìn)的歸一化差分水體指數(shù)[7]（MNDWI）、歸一化差分水體指數(shù)[8]（NDWI）和增強(qiáng)型水體指數(shù)（EWI）等，其中NDWI可有效剔除與水體無關(guān)的背景信息；而在其基礎(chǔ)上提出的MNDWI能更好地提取城市水體信息[9]；EWI可有效區(qū)分半干涸河道和背景噪音。然而，已有的水體指數(shù)未能很好地考慮巖石、土壤對水體提取的影響，因此本文在分析Landsat8影像各波段不同種類土壤和巖石光譜特性的基礎(chǔ)上，提出了能更有效提取山地水體邊界信息的山地水體指數(shù)（NDHWI）。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

本文選取千鶴湖作為研究區(qū)，主要原因在于：①千鶴湖是國家級(jí)中型水庫，總庫容量為6.08億m3，對其進(jìn)行快速準(zhǔn)確的水體監(jiān)測有利于水庫的監(jiān)測管理和當(dāng)?shù)鼐用裼盟谋Ｕ瞎ぷ鳎虎谇Q湖（盤石頭水庫）位于河南省鶴壁市大河澗鄉(xiāng)境內(nèi)，周圍山勢陡峭，人工實(shí)地量測困難，因此需要通過遙感方法監(jiān)測水體；③該區(qū)域位于衛(wèi)河支流淇河中游鶴壁市西部太行峽谷，地形地勢復(fù)雜，是山地湖泊的典型代表，符合本文的研究需要。

本文研究數(shù)據(jù)來源于Landsat8陸地成像儀（OLI），包含7個(gè)波段，分辨率為30 m[10]，成像時(shí)間為2017-04-28，軌道號(hào)為124/35，平均云量為0.02。該數(shù)據(jù)在ENVI軟件中經(jīng)過了輻射定標(biāo)和大氣校正等預(yù)處理。由于OLI影像成像圖幅范圍較大，本文只采用湖區(qū)及其周圍部分山體區(qū)域作為研究區(qū)。千鶴湖Landsat8 OLI 4、3、2波段遙感影像如圖1所示。

圖1 千鶴湖水域Landsat8 OLI真彩色合成遙感影像

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方案流程如圖2所示：①選定實(shí)驗(yàn)區(qū)域，對Landsat8影像進(jìn)行預(yù)處理；②目視選取水體、植被、土壤、巖石和建筑物，分析其光譜特征；③針對Landsat8影像選取水體指數(shù)；④利用5種水體指數(shù)分別提取千鶴湖水體；⑤根據(jù)區(qū)域內(nèi)水體像元占比，指定一定數(shù)量的水體檢驗(yàn)樣本和非水體檢驗(yàn)樣本，并利用混淆矩陣進(jìn)行精度分析；⑥結(jié)合提取的水體邊界圖像，對比得出各水體指數(shù)的精度和適用范圍。

圖2 實(shí)驗(yàn)總體流程圖

2.2 典型地物的反射波譜特征分析

水體對于入射太陽光具有強(qiáng)吸收性，在常見的遙感傳感器波段內(nèi)反射能力總體較弱。水體、植被、土壤和巖石的反射波譜曲線如圖3所示。

圖3 水體、植被、土壤和巖石的反射波譜曲線

水體的反射率在近紅外波段通常為3%左右，在可見光部分為4%～5%，在0.6μm處開始下降到2%～3%，0.75μm以后的近紅外波段，水體幾乎成為全吸收體。此外，水體反射波譜受水體渾濁度（泥沙含量、葉綠素含量、有機(jī)質(zhì)含量）、水深、波浪等影響，隨水體渾濁度增大而增大。

植被在0.48μm和0.68μm處存在葉綠素強(qiáng)吸收谷（簡稱藍(lán)谷和紅谷），在可見光綠光波段0.55μm附近有10%～20%的反射峰（簡稱綠峰）；在0.68～0.75μm其反射光譜曲線陡直上升；在近紅外波段(0.75～1.25μm)植物葉內(nèi)細(xì)胞間空隙導(dǎo)致光的散射和折射，使得反射率增高，形成紅外反射高坪；大于1μm的紅外光主要被植物體內(nèi)水和原生質(zhì)等物質(zhì)吸收[11-12]，反射率有所下降。

自然狀態(tài)下，裸土表面反射曲線呈現(xiàn)比較平滑的特征，沒有明顯的反射峰或吸收谷。隨著土壤含水量的增加，土壤的光譜反射率呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律[13]。

巖石是化學(xué)元素的集成，由于成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等因素的不同，不同的巖石、礦物特征光譜的產(chǎn)生機(jī)制各不相同[14]。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)，本文分析了花崗巖和石英脈兩種巖石礦物的波譜特征。曲線總體趨勢平穩(wěn)，反射率約為40%～60%；在1.5μm和2.0μm處存在微小吸收谷。建筑物的反射率主要取決于建筑物表面材質(zhì)、新舊程度、密集程度等。根據(jù)巖石的反射波譜特性，建筑物反射率曲線較平滑，反射率較高，一般約為30%～40%，隨建筑物破舊程度的增加，反射率有所降低。

2.3 水體指數(shù)分析

水體指數(shù)分析根據(jù)波段比值法，將水體反射率高和反射率低的波段進(jìn)行數(shù)學(xué)組合，分別作為分子和分母，通過比值運(yùn)算進(jìn)一步擴(kuò)大二者的差距，使水體信息得到最大限度的亮度增強(qiáng)，同時(shí)抑制其他背景地物。目前常用的水體指數(shù)包括NDWI、MNDWI和EWI等，如表1所示，其中NDWI對植被的抑制效果很好，但沒有考慮建筑物背景信息對水體的影響；MNDWI將水體與建筑物反射率趨勢相差較大的中紅外波段代替近紅外波段，能較好地提取城市中的水體，但即使改變閾值也不能最大限度抑制陰影的影響；EWI在指數(shù)構(gòu)建過程中重復(fù)選擇近紅外和中紅外波段，對清澈水體是適用的，但不適用于渾濁的水體[16]。

表1 常用水體指數(shù)表

千鶴湖（盤石頭水庫）水質(zhì)持續(xù)保持在國家地表水環(huán)境質(zhì)量II類標(biāo)準(zhǔn)以上，水體渾濁度小于等于3度，對于水體反射率有一定影響，研究區(qū)內(nèi)的水體反射率在波段1和波段2均大于10%。在實(shí)驗(yàn)前期選取的若干研究區(qū)中，各種湖泊類型的水體反射率真實(shí)值均大于理論值，可見光范圍內(nèi)的反射率也約為10%。由研究區(qū)各類地物影像反射波譜特征（圖3）可知，巖石和土壤在波段4、5、6、7走向基本一致，說明采用比值法構(gòu)建水體指數(shù)時(shí)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)谋戎倒剑蓪深惖匚锢媒频拈撝低瑫r(shí)處理為背景值；近紅外和中紅外波段的反射率比波段1、2高出很多；水體的反射波譜曲線趨勢從波段1開始就與其他3種地物相反[17]，且隨著波長的增加，趨勢間的差異增大。由于OLI傳感器新增第一波段（coastal）的波長范圍為0.43～0.45μm，在其他衛(wèi)星傳感器波段中幾乎不存在，適用性較差，因此選取第二波段（Blue 0.45～0.51μm）替代NDWI等3種水體指數(shù)中的綠光波段。作為對照，本文將其分別與第五波段（NIR 0.85～0.88μm，對照組）、第六波段（SWIR1 1.57～1.65μm）組合后進(jìn)行比值運(yùn)算，計(jì)算公式為：

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在ENVI5.3中進(jìn)行圖像預(yù)處理、水體指數(shù)計(jì)算和水體提取，閾值的選取根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)異常值分析中的2σ原則，經(jīng)多次試驗(yàn)確定。精度驗(yàn)證中的人工精細(xì)解譯在ArcGIS10.2中手動(dòng)完成，對千鶴湖進(jìn)行提取后，采用混淆矩陣進(jìn)行對比分析。

3 結(jié)果分析

3.1 水體提取結(jié)果分析

本文利用5種水體指數(shù)提取的山地水體部分效果以及目視解譯結(jié)果如圖4所示，提取區(qū)域?yàn)閹в嘘幱暗纳降厮w。本文根據(jù)提取結(jié)果進(jìn)行定性分析：NDWI、MNDWI、EWI和NDHWI1將部分水體識(shí)別為陰影，NDHWI可有效區(qū)分陰影和水體，提取的水體邊界與目視解譯結(jié)果最接近；只有NDHWI可準(zhǔn)確識(shí)別小島與山地之間的陰影，更精確地圈出小島的輪廓和水體邊界，將小島與水體區(qū)分開，其余指數(shù)均將小島與水體識(shí)別為連通區(qū)域；整體來看，NDHWI提取結(jié)果與目視解譯圖像最接近。

圖4 5種水體指數(shù)提取效果對比

3.2 精度驗(yàn)證

以人工精細(xì)解譯提取的水體邊界為基準(zhǔn)，將5種水體指數(shù)提取的水體邊界與基準(zhǔn)邊界進(jìn)行對比分析。本文從研究區(qū)內(nèi)每幅影像中隨機(jī)選取450個(gè)水體檢驗(yàn)樣本和2 450個(gè)非水體檢驗(yàn)樣本，通過總體精度、Kappa系數(shù)、制圖者精度、用戶精度、漏分誤差、錯(cuò)分誤差、總誤差7個(gè)方面反映水體的提取精度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 各種水體指數(shù)提取精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

NDWI、MNDWI、EWI、NDHWI1、NDHWI等5種水體指數(shù)的閾值分別為-0.035、0.070、-0.403、-0.117、-0.074，理論上除EWI外，其余4種指數(shù)提取水體的閾值均應(yīng)大于等于0，但這樣并不能取得理想的提取效果。在NDWI圖像中，閾值過小無法區(qū)分建筑物，閾值過大水體提取不準(zhǔn)確，折中選擇后總誤差率仍然大于10%；在MNDWI圖像中，閾值取值大于零，與其他地物區(qū)分較好，但不能完全區(qū)分水體與圖像中的陰影（山體陰影和建筑物陰影），即使提高閾值也不能得到很好的效果[6]；在EWI圖像中，水體與陰影區(qū)分較好，但水體提取不完整，總誤差較高，閾值確定也比較復(fù)雜；在NDHWI1圖像中，水體與山體陰影以及建筑物區(qū)分效果較差（與NDWI效果相近），總誤差很大；NDHWI圖像的提取效果最好，Kappa系數(shù)最高且總誤差最小，在提取的7 774個(gè)水體像元中，錯(cuò)誤提取的山體陰影像元僅7個(gè)（圖幅696×734）。

4 結(jié)語

本文在現(xiàn)有水體指數(shù)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析了不同地物在OLI傳感器不同波段的反射率，構(gòu)建了一個(gè)可有效抑制山地陰影的水體指數(shù)；并以千鶴湖為實(shí)驗(yàn)區(qū)，驗(yàn)證了該水體指數(shù)對山地水體的提取效果。由于實(shí)驗(yàn)中對巖石土壤的特征進(jìn)行了優(yōu)化，因此NDHWI的適用范圍不夠?qū)挿?，只適用于山地水體，在城市水體提取中效果與MNDWI指數(shù)接近。這種水體指數(shù)未考慮水體存在冰面的情況，對影像獲取的時(shí)間季節(jié)存在要求。在NDHWI提取過程中，閾值選取步驟繁瑣，需要經(jīng)過多次試驗(yàn)確定，相較于全自動(dòng)化的水體提取方法效率較低，需要一定程度的人工干預(yù)。因此，筆者將在數(shù)據(jù)時(shí)相以及閾值自動(dòng)化選取方面做后續(xù)研究。