劉玉梅

（山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司,山東 濟南 250101）

1 引言

隨著遙感技術(shù)在水利行業(yè)的廣泛應用,如何準確獲取水體信息也逐漸成為遙感應用領域的一個關(guān)鍵研究方向。近年來,針對衛(wèi)星影像的水體提取研究受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注,水體提取的方法主要有目視解譯法、單波段閾值法、水體指數(shù)法、監(jiān)督與非監(jiān)督分類法、面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惙ǖ萚1]。水體指數(shù)法由于其操作簡單、提取精度高,在利用遙感技術(shù)進行水體提取方面應用最為廣泛。目前,國內(nèi)外學者提出了多種水體指數(shù), Rouse J W等[2]（1973）提出了歸一化差異植被指數(shù)NDVI；MeFeeters[3]（1996）在1996年創(chuàng)建的歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）；GAO[4]（1996）提出的NDWIGAO指數(shù),該指數(shù)主要用于研究植被的含水量；以及徐涵秋[5]（2005）在歸一化水體指數(shù)NDWI的基礎上提出的改進的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI。

由于水體在Landsat遙感影像7個波段上光譜的不同特征以及其他地物與水體的區(qū)別,專門針對該類遙感影像的水體提取方法也有較多研究。Feyisa G L 等[6]引入了一個新的自動提取指數(shù),可持續(xù)提高水體的提取精度,并且在各種環(huán)境噪聲的存在的情況下,仍能提供一個穩(wěn)定的閾值,并進一步基于Landsat 影像測試新方法的準確性和魯棒性。林強等[7]利用改進的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI進行水體提取實驗,結(jié)果表明MNDWI能夠很好地剔除陰影和云霧等信息,從而提高水體提取的精度。張成才等[8]采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?探究提取水體時影像的最優(yōu)分割尺度,并利用最優(yōu)分割尺度對影像進行分割,進而進行水體提取。

綜上所述,基于遙感影像的水體提取方法較多,但實際情況中,水體本身往往較為復雜,同時水體提取受到周邊環(huán)境的影響。對于同一水體,不同方法之間提取精度具有較大差異,本文基于某水庫的Landsat ETM+遙感影像,采用多波段譜間關(guān)系法、歸一化植被指數(shù)、水體指數(shù)法、修正的歸一化水體指數(shù)以及支持向量機法,進行研究區(qū)水體提取適用性方法研究,并對不同方法的水體提取精度進行分析。

2 水體提取流程

2.1 數(shù)據(jù)預處理

本文選擇的是Landsat-7 ETM+遙感影像,共包括8 個波段,其空間分辨率為30 m。其中,熱紅外波段（第6 波段）的空間分辨率為60 m,全色波段（第8 波段）的空間分辨率達到15 m。在水體提取之前需要對遙感影像進行預處理,主要包括輻射校正、條帶修復、幾何校正和影像裁剪。

2.2 水體提取

本文研究區(qū)周圍山體植被較多,因此,水體提取研究的主要難點在于排除陰影的干擾,提高水體提取精度,本文重點分析多波段譜間關(guān)系法、水體指數(shù)法（NDVI、NDWI和MNDWI）以及支持向量機法等水體提取方法。

（1）多波段譜間關(guān)系法

譜間關(guān)系法處理思路為分析水體與其他地上目標在遙感影像不同波段上的反射率,確定水體與其他地上物體的關(guān)系特征。本文利用（B2+B3）-（B4+B5）＞T,閾值T取值為10,區(qū)分水體與非水體。

（2）水體指數(shù)法

本文分別采用NDVI、NDWI和MNDWI方法對研究區(qū)的水體進行提取。

根據(jù)水體指數(shù)灰度直方圖,可以較為準確地確定區(qū)分水體與非水體的閾值,見圖1,觀察NDVI、NDWI和MNDWI的灰度直方圖,可以看出灰度直方圖上存在清晰的“雙峰”圖像,閾值的確定就選在兩個波峰之間的波谷中的數(shù)值,經(jīng)多次試驗,確定NDVI、NDWI和MNDWI的閾值分別為-0.10、0.30和0.30。當NDVI≤-0.10 時為水體,NDVI＞-0.10時為非水體；當NDWI≥0.30 時為水體,NDWI＜0.30時為非水體；當MNDWI≥0.30 時為水體,MNDWI＜0.30時為非水體。

圖1 灰度直方圖

（3）支持向量機法

本文利用支持向量機法進行遙感影像資料分類時,基于ENVI軟件中的監(jiān)督分類方法,在研究區(qū)影像上選擇33 個水體樣本和20 個非水體樣本,建立ROI樣本集。利用ENVI中支持向量機方法對影像進行監(jiān)督分類,將水體和非水體區(qū)分開來,得到研究區(qū)水庫的水體范圍。

3 精度評價

精度評價是判定水體提取方法好壞的有效手段,以便確定適合研究區(qū)的水體提取方法,精度評價的方法通常采用混淆矩陣[5]?；煜仃嚨臄?shù)學表示見式（1）：

表1中的數(shù)據(jù)表示像元的數(shù)目,本例中,總體精度 （6220/6238）=99.8718%?？偣矂澐譃樗w的像元有1966 個,其中正確分類的為1950 個,16 個是其他類別錯分為非水體,那么其錯分誤差為16/1966= 0.81%。此外,有真實參考水體像元1952 個,其中1950 個正確分類,其余2 個被分類為非水體,漏分誤差為2/1952=0.10%。為評價水體提取的效果和精度,本文計算不同水體提取方法提取結(jié)果的混淆矩陣,并對提取結(jié)果進行精度評價,見表2。

表1 NDWI法水體提取結(jié)果混淆矩陣

表2 水體提取精度評價

Kappa系數(shù)是判定分類精確度的一種統(tǒng)計方法,是一致性檢驗中常用的參數(shù)。Kappa數(shù)值越接近于1,表示性越好,反之,則表示越差。

式中：r是誤差矩陣的行數(shù)；xij是主對角線上的數(shù)值；xi+和x+i分別是第i行的和與第i列的和；N是樣點總數(shù)。

式中：Q是總體分類精度；C是準確的像元數(shù)；A是總數(shù)。

從表2 中可以看出,各種水體提取方法的Kappa系數(shù)從高到低依次為支持向量機法、MNDWI、NDWI、NDVI,譜間關(guān)系法的Kappa系數(shù)最小。支持向量機法的誤提率最低,譜間關(guān)系法方法誤提率最高。

從表3 中可以看出局部1 的提取效果,相較于MNDWI和支持向量機法,其他方法都有一定程度的誤提,受山體陰影的影響較大。譜間關(guān)系法的漏提率最低,NDVI水體指數(shù)法漏提率最高,NDWI、MNDWI和支持向量機法的漏提率介于譜間關(guān)系和NDVI方法之間,且漏提率相差不大。從表3 中可以看出局部2 的提取效果,譜間關(guān)系法和支持向量機法有明顯的漏提,水體指數(shù)法的提取的效果較好。從總體精度來看,譜間關(guān)系法的提取精度最低,其次是NDVI法,歸一化水體指數(shù)NDWI、改進的歸一化水體指數(shù)MNDWI和支持向量機法的提取效果較好,其中支持向量機法總體提取效果最好。

表3 不同的水體提取方法比較

4 結(jié)論

綜合分析,譜間關(guān)系法的漏提率最低,但是誤提率較高；NDVI的漏提率最高,誤提率也較高；水體指數(shù)法NDWI和MNDWI以及支持向量機的漏提率相當,且支持向量機法的誤提率最低。支持向量機法的水體提取效果最好,然而樣本的選取比較耗費時間和精力,而且樣本的好壞會直接影響支持向量機法的提取精度,所以水體提取時樣本的選取非常關(guān)鍵,水體指數(shù)法MNDWI的提取效果和支持向量機法相當,且水體指數(shù)法操作簡單,節(jié)約時間。