歐健濱,羅文斐,劉 暢

(華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510000)

隨著空間遙感技術(shù)的發(fā)展，利用遙感影像進(jìn)行快速大范圍的水體信息提取在水資源調(diào)查、土地利用/覆蓋情況調(diào)查等方面起著很大的作用。目前水體提取主要依靠遙感影像光譜特性進(jìn)行提取，例如單波段閾值法、譜間關(guān)系法、比值法、差值法等提取方法[1-3]。其中比值法和差值法是目前國(guó)內(nèi)較為常用的水體提取方法[4-6]。

由于建筑物所造成的陰影與水體在遙感影像中的光譜信息較為接近[7]，使得在多光譜遙感圖像上運(yùn)用指數(shù)法和差值法在城市地區(qū)進(jìn)行水體信息提取，難免混有大量陰影[8-9]。因此，如何便捷高效地在水體提取中去除建筑物陰影的干擾是學(xué)者們研究的一個(gè)熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]在NDWI的基礎(chǔ)上提出了MNDWI指數(shù)進(jìn)行水體提取；文獻(xiàn)[11]提出NDVI指數(shù)結(jié)合DEM數(shù)據(jù)的方法來(lái)消除陰影的影響；文獻(xiàn)[12]提出集合波段閾值法和SWI指數(shù)方法來(lái)減少陰影信息；文獻(xiàn)[13]提出改進(jìn)的譜間算法模型進(jìn)行水體提取。這些方法都能在一定程度上去除陰影的干擾，但在城市地區(qū)中，水體與陰影的光譜信息相似性很大，而較低空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)在城市中的應(yīng)用意義不大，因此上述方法在城市水體提取上仍存在一定的局限。本文通過(guò)分析不同時(shí)相圖像下陰影輪廓位置和形狀的差異，提出一種基于多時(shí)相陰影輪廓差分的城市水體提取方法，并以廣州市天河區(qū)為試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行水體信息提取。這對(duì)城市水資源調(diào)查與評(píng)估、防洪監(jiān)測(cè)等方面具有重要意義。

1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

本文以廣州市天河區(qū)為研究區(qū)域。天河區(qū)是廣州市的城市中心區(qū)，其地形呈現(xiàn)北高南低的特征。北部的白云山為九連山脈向西南延伸的支脈，屬嶺南丘陵地形，在遙感圖像上具有因地形起伏形成的陰影；中部和東部則有多所高校及城中村的聚集；南部則是廣州市珠江新城的中心區(qū)，沿珠江建設(shè)有大型住宅小區(qū)、各種交通資源、多個(gè)重要的公共設(shè)施及大量的商業(yè)大樓，在遙感圖像上形成較多的建筑物陰影。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文的遙感數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat8 OLI影像和高分一號(hào)(GF-1)WFV影像。GF-1為國(guó)家高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)天基系統(tǒng)中的首發(fā)星，其配置包括4臺(tái)16 m空間分辨率多光譜寬幅相機(jī)，重返周期為16 d。Landsat8是USGS最新發(fā)射的Landsat系列衛(wèi)星，其OLI陸地成像儀包含8個(gè)30 m空間分辨率的多光譜波段和1個(gè)15 m分辨率的全色波段，重返周期為16 d。本文使用的遙感圖像相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。經(jīng)輻射定標(biāo)與大氣校正后，本文利用OLI圖像對(duì)GF-1數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，校正后圖像精度誤差RSM小于0.5個(gè)像元。

表1 遙感影像相關(guān)參數(shù)

2 原理與方法

2.1 基于光譜信息的城市水體初提取

在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，水體反射率總體較低，一般為4%～5%，而且在可見(jiàn)光到中紅外波段內(nèi)有隨著波長(zhǎng)增大而降低的特性，其中水體在近紅外波段(0.75～2.5 μm)具有強(qiáng)吸收的特點(diǎn)，圖像上總體呈現(xiàn)深色調(diào)[12]。因此,這一波長(zhǎng)范圍常被用來(lái)圈定水體范圍的相關(guān)研究。本文先采用歸一化水體指數(shù)(NDWI)[14]在GF-1數(shù)據(jù)進(jìn)行水體提取，為了盡量避免陰影信息，在OLI圖像上，本文使用改進(jìn)歸一化水體指數(shù)(MNDWI)[7]來(lái)進(jìn)行水體提取。但由于陰影在近紅外波段的反射率明顯低于綠波段反射率，引起NDWI和MNDWI值偏高，因此，單純依靠光譜特征很難避免水體與陰影的混分。

2.2 基于差分處理的陰影信息去除

地物陰影輪廓的長(zhǎng)度、形狀、方位與衛(wèi)星拍攝時(shí)刻的太陽(yáng)高度角及太陽(yáng)方位角有密切的聯(lián)系[15]。即在不同時(shí)刻拍攝的遙感圖片，由于太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角的變化，同一地物的陰影輪廓在兩幅遙感圖像上會(huì)有所不同，這是利用差分處理方法來(lái)進(jìn)一步區(qū)分水體和陰影信息的基礎(chǔ)。廣義的差分圖像定義為目標(biāo)場(chǎng)景在時(shí)間點(diǎn)k和k+1所成圖像的差別[16]

Δxk=xk+1-xk

(1)

式中，xk、xk+1分別為k和k+1時(shí)刻的陰影與水體提取結(jié)果圖像。

由于陰影的輪廓隨時(shí)間變化而變化，因此通過(guò)對(duì)不同時(shí)間拍攝的兩幅圖像的陰影與水體的提取結(jié)果求差，獲取其差分圖像，即可識(shí)別并剔除大部分陰影信息。如圖1所示，假設(shè)圖中灰色區(qū)域?yàn)榻ㄖ锏恼鋱D像，黑色區(qū)域?yàn)榻ㄖ锓謩e在兩幅不同圖像上所形成的陰影，由于不同影像上陰影的位置和形狀有所差異，因此經(jīng)過(guò)兩個(gè)提取結(jié)果的求差后，A1和A2的陰影區(qū)域即可去除，只剩下較小的A3陰影區(qū)域的信息。而該部分陰影區(qū)域所占的像元數(shù)量不多，因此通過(guò)分類(lèi)后處理即可進(jìn)一步去除，從而獲得較好的水體提取結(jié)果。

2.3 高反射率地物混分信息去除

在水體初步提取結(jié)果中，混有高反射率地物的信息。本文對(duì)高反射率地物和水體樣本點(diǎn)進(jìn)行光譜信息統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高反射率地物在紅外波段上的反射率明顯高于水體的反射率，因此可以結(jié)合指數(shù)提取方法，在紅外波段利用閾值分割方法去除高反射率地物的混分信息。

綜合上述分析，可得出提取模型去除高反射率地物混分信息為

(2)

式中，Greeno為綠光波段，分別對(duì)應(yīng)GF-1數(shù)據(jù)和OIL圖像的第2波段；NIR為近紅外波段，對(duì)應(yīng)GF-1數(shù)據(jù)第4波段；MIR為中紅外波段，對(duì)應(yīng)OIL圖像的第5波段；H1、H2、H3、H4分別代表兩幅圖像中提取工作的閾值，H1和H3的大小決定水體提取的結(jié)果，H2和H4的大小代表高反射率建筑物的去除效果。

2.4 水體信息提取總流程

本文基于多時(shí)相陰影差異特征，提出了一種基于多時(shí)相陰影輪廓差分的城市水體提取方法。該方法主要步驟如下：①先獲取相近時(shí)間但成像時(shí)刻太陽(yáng)高度角及太陽(yáng)方位角具有較大差異的兩幅遙感圖像，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以獲得真實(shí)地表反射率，以利于光譜分析；②結(jié)合圖像特征，運(yùn)用合適的基于光譜特征的水體提取模型進(jìn)行水體提取，形成兩幅圖像的提取結(jié)果圖像，提取時(shí)首先應(yīng)注意盡量保留水體邊界、面積等水體信息的完整性；③通過(guò)設(shè)置兩幅圖像的近紅外波段閾值，去除高反射率建筑物的影響；④利用決策樹(shù)方法，將兩者所提取的水體信息進(jìn)行求差，獲取差分圖像。再利用陰影輪廓在不同時(shí)刻遙感圖像上的差異性來(lái)區(qū)分陰影與水體，以達(dá)到去除陰影的效果。

3 結(jié)果分析與驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文的WMSD模型提取城市水體信息的效果，本文對(duì)試驗(yàn)區(qū)分別運(yùn)用NDWI、MNDWI和SWI 3種水體指數(shù)進(jìn)行水體提取。如圖3所示，3種水體指數(shù)算法都能提取到水體的大致范圍，但其結(jié)果混淆較多的建筑物陰影和高反射率地物信息。而基于WMSD法的水體提取結(jié)果，能較好提取到水體的大致范圍，同時(shí)明顯能夠去除大部分的建筑物陰影。

經(jīng)計(jì)算，WMSD模型的提取結(jié)果總體精度相比NDWI、MNDWI和SWI這3種水體指數(shù)方法提取結(jié)果分別提高了8.50%、4.67%及9.50%，說(shuō)明本文方法在解決城市建筑物陰影與水體信息混淆方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，能較好地在城市地區(qū)提取高精度水體信息，見(jiàn)表2。

表2 4種水體提取方法精度檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用陰影輪廓在不同太陽(yáng)角高度、太陽(yáng)方位角下在遙感圖像上的差異，在傳統(tǒng)單一指數(shù)水體提取的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多時(shí)相陰影輪廓差分的城市水體提取方法(WMSD)。通過(guò)不同方法的對(duì)比試驗(yàn)與精度分析，驗(yàn)證了WMSD法能夠更好地保留水體信息，區(qū)分并抑制陰影信息，具有較高的城市地區(qū)水體提取精度。

本文所提出的WMSD方法一方面簡(jiǎn)化了水體與陰影信息的區(qū)分過(guò)程，避免了復(fù)雜的波段運(yùn)算及專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)限制，使人們能較為便捷地獲得城市地區(qū)高精度水體提取結(jié)果；另一方面，該方法也為解決陰影與水體混分問(wèn)題從光譜特征關(guān)系之外提供了一種創(chuàng)新思路。此外，這種基于幾何特征的去除陰影方法，對(duì)于山體陰影的去除，以及在傳統(tǒng)相機(jī)獲取的遙感圖像上進(jìn)行陰影去除，也具有一定的應(yīng)用潛力。