張 哲，劉云鶴

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

水不僅是影響生態(tài)環(huán)境的重要因子，也是人類生產(chǎn)生活的必需資源。利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取水水體，進(jìn)行水資源宏觀監(jiān)測、洪水淹沒范圍評(píng)估、濕地資動(dòng)態(tài)變化及監(jiān)測海岸線變化等在近幾十年里得到了廣泛的研究與應(yīng)用。水體的研究離不開對(duì)水體范圍、界線的準(zhǔn)確提取，這對(duì)湖岸線變化監(jiān)測、洪澇災(zāi)害監(jiān)測尤為重要［1］。

常用的Landsat TM遙感影像水體信息提取方法主要有兩類:單波段閾值法和多波段增強(qiáng)圖閾值法［2］。單波段閾值法依據(jù)水體在7個(gè)波段上光譜的不同特征以及其它地物與水體的區(qū)別，通過分析水體及背景地物的光譜值，利用單個(gè)波段來提取TM影像中的水體信息。多波段增強(qiáng)圖閾值法利用水體在不同波段上的光譜特性，通過多波段之間的組合運(yùn)算來增強(qiáng)影像中的水體信息，從而易于從其他地物中分離提取出水體。兩種方法中，前者方法簡單可行，卻不易區(qū)分水體與陰影;后者可區(qū)分水體與其它地物，但是其提取精度又容易受混合像元的影響。

本文針對(duì)洞庭湖水體信息進(jìn)行了提取實(shí)驗(yàn)，綜合利用單波段TM5和多波段組合，得出了適于TM遙感影像獲取大面積湖泊水體信息的有效方法。

1 研究區(qū)水系概況及數(shù)據(jù)源

洞庭湖為中國五大淡水湖之一，長江中游重要吞吐湖泊。湖區(qū)位于荊江南岸，跨湖南、湖北兩省，介于北緯28°30'～ 30°20'，東經(jīng) 110°40'～ 113°10'之間。湖區(qū)面積 1.878 萬km2，天然湖面 4 040 km2，另有內(nèi)湖 1 200 km2。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用已經(jīng)過幾何校正的2003年5月25日的ETM+影像，TM軌道號(hào)為124-40，實(shí)驗(yàn)選取影像包含前7個(gè)多光譜波段，空間分辨率為30 m(TM6為60 m)。

2 水體信息遙感識(shí)別機(jī)理

2.1 水體遙感光譜特征

遙感影像記錄了地表物體對(duì)電磁波的反射信息及其自身向外的輻射信息，相對(duì)于其他地物而言，水體在整個(gè)光譜范圍內(nèi)都呈現(xiàn)出較弱的反射率［3］。在近紅外、中紅外及短波紅外部分，水體幾乎吸收了全部的入射能量，因此水體在這些的反射率特別低，而土壤、植被、建筑物等在這些波段吸收能量較小，具有較高的反射率，使得水體與它們具有明顯的區(qū)別。

2.2 地物光譜曲線分析

本試驗(yàn)區(qū)的水體主要包括洞庭湖水、水塘，以及入湖和出湖的線狀、面狀河道。洞庭湖11月～翌年3月為枯水期，5月～10月份為汛期;5月份當(dāng)枯水期向汛期的過渡時(shí)期，水位急劇升高，泥灘、沼澤范圍縮小，但從圖上可見仍然有部分灘涂裸露，因此消除灘涂對(duì)水域提取的影響是必要的。大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域的飼料殘留物可導(dǎo)致水體中有機(jī)物含量比較高，而且不同地段的水深，水體含沙量等因素都會(huì)影響水體的光譜反射率，因此我們?cè)趯?duì)水體光譜特征進(jìn)行分析時(shí)考慮了不同水體的差異，樣本的選取同樣也包含了多種水體。

圖1-a 典型地物光譜響應(yīng)曲線

在研究區(qū)TM遙感影像上就每種地物類型取若干具有典型性樣本點(diǎn)，主要地物類別包括水體、植被、居民區(qū)、灘涂等，對(duì)樣本點(diǎn)DN值加以統(tǒng)計(jì)，利用各類地物類型的亮度平均值作出如圖2所示的地物光譜響應(yīng)曲線。圖中折線表示各地物類型隨波長增大其灰度值的變化趨勢(shì)。

圖1-b 典型地物NDWI值曲線

3 水域信息提取

3.1 單波段閾值法

從圖1-a可見，兩類水體在TM5波段的光譜值明顯低于其它地物。因此可以利用TM5波段，即短波紅外波段，使用ERDAS IMAGINE 9.2軟件數(shù)據(jù)解譯模塊(Interpreter)下的重編碼(recode)子模塊進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，最終確定其閾值為29，水體信息基本準(zhǔn)確提取出來了(見圖2-a)，很好地實(shí)現(xiàn)了水陸分界。參照原圖像用目視判讀的方法，檢驗(yàn)本次提取水體的效果，可知，所提取洞庭湖及周邊河道的輪廓與目視判讀的一致，而且較好的避開了灘涂的干擾。提取結(jié)果也有部分不足之處:影像上方有部分水域沒有提取出來;而且有些河流斷斷續(xù)續(xù)，太窄的地方?jīng)]有被提取出來;影像中間居民區(qū)與魚塘混雜的地區(qū)，有較多養(yǎng)殖水域未提取來。

圖2a 單波段閾值法提取結(jié)果

圖2b 多波段法提取結(jié)果

圖2c 綜合法提取結(jié)果

3.2 多波段增強(qiáng)閾值法

多波段增強(qiáng)閾值法在提取水體方面應(yīng)用廣泛。早在1996年McFeeter［5］利用歸一化水體指數(shù) NDWI=(Tm2-TM4)/(Tm2+TM4)提取水體，抑制了植被和土壤信息;楊存建等［6］發(fā)現(xiàn)TM影像中，只有水體具有(Tm2+Tm3)＞(TM4+TM5)的特征，據(jù)此可以將水體提取出來;徐涵秋［7］在對(duì)Mcfeeters提出的歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)構(gòu)成該指數(shù)的波長組合進(jìn)行了修改，提出了改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI(Modified NDWI)，使用該方法可以區(qū)分水體與居民地陰影，很好地提取城市中的水體信息。

鑒于上述單波段分割法無法提取部分水體的問題，現(xiàn)選用方法主要解決部分水體的漏提問題。由于本區(qū)主要地貌起伏較為平緩，部分島狀山地以及丘陵高程在500m以下，因此，水域提取受陰影影響可以忽略。因此這里采用歸一化植被指數(shù)(NDWI)法進(jìn)行水域的補(bǔ)充提取。

3.2.1 NDWI計(jì)算

歸一化水體指數(shù)模型計(jì)算，在ERDAS IMGINE 9.2下建模計(jì)算(Modeler模塊)，分以下幾步:

1)進(jìn)行源影像裁剪，得到洞庭湖區(qū)域的Tm2波段文件和TM5波段文件;

2)用Modeler模塊的function函數(shù)集計(jì)算Tm2-TM5和Tm2+TM5，并將結(jié)果暫存;

3)用Either If函數(shù)判斷每個(gè)像素的除數(shù)Tm2+TM5是否為零，若為零則賦值-1，若不為零，則賦值為(Tm2-TM5)/(Tm2+TM5)，并將結(jié)果保存到臨時(shí)儲(chǔ)存器中;

4)使用(DN-min)*255/(max-min)函數(shù)計(jì)算每一個(gè)像素的NDWI值(DN為步驟3的臨時(shí)儲(chǔ)存值)。

最終可得到研究區(qū)域的NDWI圖像，其取值區(qū)間從0到255，與TM原始數(shù)據(jù)具有同樣的灰度級(jí)。

3.2.2 圖像的二值分割

所得研究區(qū)的NDWI值圖像只是一個(gè)灰度圖，若要提取水域，仍需要做灰度分割，此處的灰度分割算法實(shí)質(zhì)是圖像的二值化，方法同上述的單波段閾值法。首先用不同選區(qū)的感興趣區(qū)AOI(Area of interest)，對(duì)NDWI圖像進(jìn)行裁剪，統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)域的平均值(圖1-b)，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)，最終確定圖像分割的閾值為170，按該閾值二值化后的水域提取效果圖2-b所示。NDWI法可以準(zhǔn)確的將較寬的水體準(zhǔn)確的提取出來，沒有多提取的現(xiàn)象。單波段閾值法無法提取的影像上部水域也可以準(zhǔn)確提取，而且影像中部的魚塘養(yǎng)殖水面提取量也比單波段法有所增加，但對(duì)較小的水體提取仍然有一些局限性。

3.3 綜合提取法

本方法結(jié)合單波段閾值提取法和多波段增強(qiáng)閾值法，運(yùn)用遙感圖像處理技術(shù)，將兩種方法提取結(jié)果疊合起來。綜合提取法模型計(jì)算，仍然在ERDAS IMGINE 9.2下建模計(jì)算(Modeler模塊)，具體采用對(duì)兩幅結(jié)果影像進(jìn)行“與”運(yùn)算，運(yùn)算過程中:“0＆＆0”=“0”，“0＆＆0”=0，“0＆＆1”=“0”，“1＆＆1”=“1”，該運(yùn)算可最大限度的利用兩種方法提取的結(jié)果(見圖2-c)。由于這兩種方法單獨(dú)使用均不會(huì)出現(xiàn)多提取水域的現(xiàn)象，因而疊加方法可以有效的提高水域提取的精度。

4 結(jié)語

本文針對(duì)TM影像中水體的獨(dú)特輻射特性，對(duì)常用的單波段閾值法和多波段增強(qiáng)圖閾值法提取水體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，并以湖南省洞庭湖為實(shí)驗(yàn)區(qū)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單波段閾值法對(duì)水體和非水體的過渡區(qū)域，很難確定單一閾值來區(qū)分，多波段增強(qiáng)閾值法對(duì)較小的水體提取仍然有一些局限性。針對(duì)該試驗(yàn)區(qū)的具體情況，提出了一種綜合提取法，獲得了較好的提取效果。即綜合利用上述兩種方法的結(jié)果，對(duì)提取水域圖像進(jìn)行“與運(yùn)算”，可充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，而又不多提水域的現(xiàn)象，可有效的提高水域提取的精度。

［1］徐涵秋.利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)提取水體信息的研究［J］.遙感學(xué)報(bào)，2005，9(5):589-595.

［2］吳文淵，沈曉華，鄒樂君等.基于Landsat ETM+影像的水體信息綜合提取方法［J］.科技通報(bào)，2008，24(2):252 ～ 259.

［3］梅安新，彭望琭，秦齊明等.遙感導(dǎo)論［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［4］杜云艷，周成虎.水體的遙感信息自動(dòng)提取方法［J］.遙感學(xué)報(bào)［J］，1998，2(4);264-268.

［5］McFeeters S K.The use of the Normalized Difference Water Index(NDWI)in the delineation of open water features［J］.International Journal of Remote Sensing，1996，17(7):1425～ 1432.

［6］楊存建，徐美等.遙感信息機(jī)理的水體提取方法的探討［J］.地理研究，1998，17(增刊):86 ～ 89.

［7］徐涵秋，利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)提取水體信息的研究［J］.遙感學(xué)報(bào)，2005，9(5)，589-595.