胡 菡，厲芳婷，許文偉

（1.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074；2.湖北省自然資源廳，湖北 武漢 430071；3.武漢永盛祥土地規(guī)劃咨詢有限公司，湖北 武漢 430073）

近幾十年來，遙感科學(xué)不斷發(fā)展，遙感技術(shù)以客觀準(zhǔn)確、監(jiān)測范圍廣、定期重訪的優(yōu)勢為水資源提取及變化研究提供了新的途徑。隨著遙感影像的空間和時間分辨率的不斷提高，遙感影像的復(fù)雜度和數(shù)據(jù)量呈幾何級數(shù)增加，基于遙感影像的水資源提取成果也變得越來越豐富。

由于不同提取方法判別水體的效果并不相同，對各方法在不同水體提取中的有效性研究也就相對有限。近年來已有學(xué)者對水資源遙感提取方法進行了比較研究，從早期采用影像目視解譯方法從整體效果、小面積水體提取效果進行比較，逐步發(fā)展到利用統(tǒng)計方法對湖面面積、提取面積、水域占比、準(zhǔn)確率等總體指標(biāo)進行比較[1-4]。其比較原則均為衡量水體和非水體的區(qū)分度，但均缺少顧及細(xì)節(jié)的量化評價指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)化的精度評價流程，因此需要一套標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的精度評價方法，以衡量不同水體提取方法的準(zhǔn)確性、可靠性。

1 指標(biāo)設(shè)計與精度評價

1.1 指標(biāo)設(shè)計

基于遙感影像的水資源提取，其結(jié)果和實際水體比較無外乎以下2 種結(jié)果：提取正確、提取錯誤。其中提取錯誤又可以分為誤判和漏判，誤判是將非水體提取成水體；漏判是將水體提取成非水體。本研究選取提取正確率、提取誤判率、提取漏判率作為水體提取精度的評價指標(biāo)，在與1.2 中選擇的標(biāo)準(zhǔn)水體數(shù)據(jù)進行比對的基礎(chǔ)上，完成精度評價。

考慮到水資源提取源數(shù)據(jù)——遙感影像的柵格特性，本研究利用像素作為精度評價的單元，既顧及到提取結(jié)果的細(xì)節(jié)比較，同時以此來進行比率的計算，獲得某水體提取結(jié)果的提取正確率、提取誤判率、提取漏判率。

有單個的精度評價指標(biāo)后，還需要考慮如何根據(jù)各個指標(biāo)給出一個綜合評價結(jié)果。本研究用賦權(quán)的方法，為提取正確率、提取誤判率、提取漏判率分別配置權(quán)重。提取正確率應(yīng)賦正值權(quán)重，提取誤判率和提取漏判率則應(yīng)賦負(fù)值權(quán)重。權(quán)重的配置可根據(jù)不同應(yīng)用場景的需求，進行相應(yīng)的調(diào)整。最終水資源提取精度評價的得分可用以下公式進行計算：

式中，S為提取精度評價得分；C為提取正確率；WC為正確率權(quán)重；E為提取誤判率；WE為誤判率權(quán)重；O為提取漏判率；WO為漏判率權(quán)重。

1.2 參考標(biāo)準(zhǔn)選擇

判斷提取結(jié)果的好壞歸結(jié)于水體與非水體兩大類信息的分類精度評價，衡量分類精度的標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要?？蔓惥闧5]等根據(jù)高分辨率影像提取結(jié)果，以Google Earth 影像為參照目視解譯結(jié)果進行精度檢驗。利用已有遙感影像作為精度評價參考標(biāo)準(zhǔn)是目前主流方法之一，本研究利用與水資源提取源影像同期已有的基礎(chǔ)地理信息矢量數(shù)據(jù)（簡稱矢量數(shù)據(jù)）作為精度評價的參考標(biāo)準(zhǔn)?；A(chǔ)地理信息矢量數(shù)據(jù)包括地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)、基本比例尺地形圖數(shù)據(jù)等，其中地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)由于更新頻次高，更具優(yōu)勢：①由于基礎(chǔ)地理信息矢量數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)流程規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，因此利用基礎(chǔ)地理信息矢量作為精度評價的參考標(biāo)準(zhǔn)能有效降低使用遙感影像目視解譯比對帶來的人為不確定性干擾；②矢量數(shù)據(jù)可根據(jù)待評價提取結(jié)果的分辨率、數(shù)據(jù)范圍等，在柵格化時指定像元大小、裁切范圍以匹配待評價數(shù)據(jù)的特性，避免了遙感影像重采樣時再次降低精度的可能；③直接提取已有矢量數(shù)據(jù)中的水體數(shù)據(jù)柵格化后進行精度評價，規(guī)范了精度評價的操作流程，也提高了精度評價的效率。

1.3 精度評價流程

基于1.2 的分析，采用已有基礎(chǔ)地理信息矢量數(shù)據(jù)作為精度評價的參考標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)1.1 中評價指標(biāo)的選取和配置，本研究設(shè)計了一套基于遙感影像水體提取精度評價流程，如圖1所示。

圖1 精度評價流程

1）水體提取結(jié)果裁切。水體提取結(jié)果往往和原始提取影像規(guī)格相同，為了便于精度評價，首先對提取結(jié)果進行裁切。本研究采用矩形裁切，用包含水體范圍的最小外接矩形對水體提取結(jié)果進行裁切。

2）矢量數(shù)據(jù)預(yù)處理。矢量數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，是為下一步矢量數(shù)據(jù)、水體提取結(jié)果比對做準(zhǔn)備，使矢量數(shù)據(jù)完全符合水體提取結(jié)果的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

3）疊置比對。以矢量數(shù)據(jù)預(yù)處理后的柵格數(shù)據(jù)為參照，疊置水體提取結(jié)果進行比對。利用柵格計算工具，得出比對結(jié)果。結(jié)果柵格數(shù)據(jù)中值為“0”的代表參照數(shù)據(jù)和提取結(jié)果一致，表示提取正確；值為“-1”的代表參照數(shù)據(jù)為非水體，提取結(jié)果為水體，表示水體提取誤判；值為“1”的代表參照數(shù)據(jù)為水體，提取結(jié)果為非水體，表示水體提取漏判。

4）指標(biāo)統(tǒng)計。根據(jù)3）疊置對比的結(jié)果，統(tǒng)計提取正確率、誤判率、漏判率。提取正確率為，對比結(jié)果柵格中值為“0”的像元數(shù)和對比結(jié)果柵格總像元數(shù)的百分比；提取誤判率為，對比結(jié)果柵格中值為“-1”的像元數(shù)和對比結(jié)果柵格總像元數(shù)的百分比；提取漏判率為，對比結(jié)果柵格中值為“1”的像元數(shù)和對比結(jié)果柵格總像元數(shù)的百分比。

5）綜合評價。根據(jù)4）得到的提取正確率、提取誤判率、提取漏判率，以及根據(jù)應(yīng)用場景需求配置的權(quán)重，利用1.1 中的計算公式計算提取精度評價得分，進行綜合評價。

2 應(yīng)用實驗

2.1 實驗和結(jié)果

1）比對和指標(biāo)統(tǒng)計。湖北省素有“千湖之省”的美譽，湖泊、河流、水庫等水資源十分豐富，項目以湖北省水體為研究對象，使用Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)，基于深度學(xué)習(xí)的遙感水體提取算法，完成了湖北省主要水資源多時相自動提取與制圖。本研究基于上述項目成果，選擇其中5個水體樣本2015年、2020年的提取結(jié)果，使用同期地理國情監(jiān)測成果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，利用本文設(shè)計的評價指標(biāo)和評價方法，對提取結(jié)果進行精度評價。圖2展示了2020年樣本1和樣本5的評價比對圖，表1展示了2015年水體提取精度評價指標(biāo)統(tǒng)計，表2展示了2020年水體提取精度評價指標(biāo)統(tǒng)計。

表1 2015年提取精度指標(biāo)統(tǒng)計

表2 2020年提取精度指標(biāo)統(tǒng)計

圖2 中分別展示了2020 年樣本1 提取結(jié)果、參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、精度評價比對圖；2020 年樣本5 提取結(jié)果、參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、精度評價比對圖。提取結(jié)果、參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中黑色部分像素值為0，代表非水體；藍色部分像素值為1，代表水體。精度評價比對圖中灰色部分像素值為0，則提取正確；黃色部分像素值為1，代表提取漏判；紅色部分像素值為-1，代表提取誤判。

2）權(quán)重配置和綜合評價在比對并統(tǒng)計得到各項指標(biāo)數(shù)據(jù)后，針對項目的研究目的對評價指標(biāo)進行權(quán)重設(shè)計。本研究將樣本1、樣本3、樣本5 作為實驗組，樣本2、樣本4 作為驗證組，以更好地確定并驗證指標(biāo)權(quán)重的配置合理性?？傮w來說誤判是將非水體提取成水體，考慮到可能受建構(gòu)筑物陰影或其他地物影響較大，所以減分權(quán)重取值相對低；漏判是將水體提取成非水體，未實現(xiàn)提取目標(biāo)，減分權(quán)重取值相對高。基于此，本研究選取了4種權(quán)重配置方案：①WC=60，WE=-15，WO=-25 ；②WC=80，WE=-5，WO=-15 ；③WC=100，WE=-15，WO=-25；④WC=100，WE=-30，WO=-50。這4種權(quán)重配置方案中，前兩種權(quán)重絕對值相加為100，后兩種在正確率權(quán)重為100 的基礎(chǔ)上扣減誤判率和漏判率的權(quán)重。最后實驗對比的結(jié)果如表3所示。

表3 權(quán)重配置方案對比實驗結(jié)果

從4 種權(quán)重配置方案的對比結(jié)果可以看出，方案①和②沒有充分體現(xiàn)出提取結(jié)果較高的“正確率”，方案④則過度強調(diào)“誤判率”和“漏判率”的比重。因此選擇方案③的權(quán)重配置，它既體現(xiàn)了“正確率”的重要性，也適當(dāng)考慮了“誤判率”“漏判率”。同時，樣本1 為主城區(qū)內(nèi)水體，樣本3 為遠(yuǎn)城區(qū)水體，樣本5 為較大面積水體，方案③亦能體現(xiàn)出不同水體樣本的提取差異。

最后對方案③的權(quán)重配置方案加以驗證，即設(shè)置提取正確率權(quán)重（WC）=100，提取誤判率權(quán)重（WE）=-15，提取漏判率權(quán)重（WO）=-25，按照提取精度評價得分公式：

驗證組樣本2 為主城區(qū)小水體，樣本4 為大面積水體。利用實驗得到的精度評價公式對驗證組的兩個樣本進行綜合評價，得到結(jié)果如表4。

表4 驗證組綜合評價得分

驗證組的綜合評價結(jié)果和實驗組結(jié)論一致，既能充分體現(xiàn)提取結(jié)果的“正確率”，也能兼顧提取結(jié)果的“誤判率”和“漏判率”，且能體現(xiàn)出主城區(qū)小水體提取的局限性，和大面積水體提取的優(yōu)勢，符合本實驗選用的基礎(chǔ)影像和水體提取方法的特性。

2.2 討論和分析

本研究選擇的5個實驗水體樣本提取的綜合評價得分如表5所示。

表5 綜合評價得分

可以看出，除樣本1、樣本2 得分較低，其余樣本的提取結(jié)果精度尚佳。精度評價結(jié)果與項目對水體提取結(jié)果的預(yù)期精度相當(dāng)，證明了本研究設(shè)計的評價指標(biāo)和評價方法的可行性。分析樣本1、樣本2 評分較低的原因，可能有以下幾點：①Landsat遙感影像分辨率較地理國情監(jiān)測資料影像分辨率差異較大，導(dǎo)致采集和提取精度不一致[6]；②樣本1、樣本2為城市水體，面積較小，其提取需要中高分辨率的遙感數(shù)據(jù)，然而本文采用的Landsat 系列為中分辨率，所針對的對象一般為較開闊的水域[7]；③樣本1、樣本2為位于城區(qū)內(nèi)部的小水體，周邊建構(gòu)筑物多、人類活動豐富，可能導(dǎo)致誤判率高。

本次實驗進行賦權(quán)時發(fā)現(xiàn)，不同的權(quán)重配置對精度評價的結(jié)果影響較大，這也從另一方面反映出本研究的精度評價方法可根據(jù)不同應(yīng)用場景配置不同比率的權(quán)重，以滿足不同的應(yīng)用需求。在強調(diào)提取正確率的場景下，可提高WC的權(quán)重；在容錯率低的場景下，提高WE的權(quán)重；在強調(diào)提取完整度的場景下，則提高WO的權(quán)重。

3 結(jié)語

本研究立足于當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)的迫切需求，以促進遙感技術(shù)在水資源提取及時空變化監(jiān)測等研究中的應(yīng)用為目標(biāo)，討論了基于遙感影像的水資源提取精度評價方法的重要性。在充分研究已有提取方法及其比較研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過精度評價指標(biāo)的設(shè)計和配置，精度評價流程的設(shè)計，制定了一套精度評價方法。在此基礎(chǔ)上，以基于深度學(xué)習(xí)的遙感水體提取算法的提取結(jié)果作為實驗對象，以同期地理國情監(jiān)測成果作為參照標(biāo)準(zhǔn)，選取了湖北省5個水體作為樣本，進行了基于遙感影像的水資源提取精度評價方法的應(yīng)用實驗，通過實驗驗證了其可行性。