基于TM影像的水域提取方法研究

张 哲，刘云鹤

(西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127)

水不仅是影响生态环境的重要因子，也是人类生产生活的必需资源。利用卫星遥感数据提取水水体，进行水资源宏观监测、洪水淹没范围评估、湿地资动态变化及监测海岸线变化等在近几十年里得到了广泛的研究与应用。水体的研究离不开对水体范围、界线的准确提取，这对湖岸线变化监测、洪涝灾害监测尤为重要［1］。

常用的Landsat TM遥感影像水体信息提取方法主要有两类:单波段阈值法和多波段增强图阈值法［2］。单波段阈值法依据水体在7个波段上光谱的不同特征以及其它地物与水体的区别，通过分析水体及背景地物的光谱值，利用单个波段来提取TM影像中的水体信息。多波段增强图阈值法利用水体在不同波段上的光谱特性，通过多波段之间的组合运算来增强影像中的水体信息，从而易于从其他地物中分离提取出水体。两种方法中，前者方法简单可行，却不易区分水体与阴影;后者可区分水体与其它地物，但是其提取精度又容易受混合像元的影响。

本文针对洞庭湖水体信息进行了提取实验，综合利用单波段TM5和多波段组合，得出了适于TM遥感影像获取大面积湖泊水体信息的有效方法。

1 研究区水系概况及数据源

洞庭湖为中国五大淡水湖之一，长江中游重要吞吐湖泊。湖区位于荆江南岸，跨湖南、湖北两省，介于北纬28°30'～ 30°20'，东经 110°40'～ 113°10'之间。湖区面积 1.878 万km2，天然湖面 4 040 km2，另有内湖 1 200 km2。

实验数据采用已经过几何校正的2003年5月25日的ETM+影像，TM轨道号为124-40，实验选取影像包含前7个多光谱波段，空间分辨率为30 m(TM6为60 m)。

2 水体信息遥感识别机理

2.1 水体遥感光谱特征

遥感影像记录了地表物体对电磁波的反射信息及其自身向外的辐射信息，相对于其他地物而言，水体在整个光谱范围内都呈现出较弱的反射率［3］。在近红外、中红外及短波红外部分，水体几乎吸收了全部的入射能量，因此水体在这些的反射率特别低，而土壤、植被、建筑物等在这些波段吸收能量较小，具有较高的反射率，使得水体与它们具有明显的区别。

2.2 地物光谱曲线分析

本试验区的水体主要包括洞庭湖水、水塘，以及入湖和出湖的线状、面状河道。洞庭湖11月～翌年3月为枯水期，5月～10月份为汛期;5月份当枯水期向汛期的过渡时期，水位急剧升高，泥滩、沼泽范围缩小，但从图上可见仍然有部分滩涂裸露，因此消除滩涂对水域提取的影响是必要的。大面积水产养殖区域的饲料残留物可导致水体中有机物含量比较高，而且不同地段的水深，水体含沙量等因素都会影响水体的光谱反射率，因此我们在对水体光谱特征进行分析时考虑了不同水体的差异，样本的选取同样也包含了多种水体。

图1-a 典型地物光谱响应曲线

在研究区TM遥感影像上就每种地物类型取若干具有典型性样本点，主要地物类别包括水体、植被、居民区、滩涂等，对样本点DN值加以统计，利用各类地物类型的亮度平均值作出如图2所示的地物光谱响应曲线。图中折线表示各地物类型随波长增大其灰度值的变化趋势。

图1-b 典型地物NDWI值曲线

3 水域信息提取

3.1 单波段阈值法

从图1-a可见，两类水体在TM5波段的光谱值明显低于其它地物。因此可以利用TM5波段，即短波红外波段，使用ERDAS IMAGINE 9.2软件数据解译模块(Interpreter)下的重编码(recode)子模块进行反复试验，最终确定其阈值为29，水体信息基本准确提取出来了(见图2-a)，很好地实现了水陆分界。参照原图像用目视判读的方法，检验本次提取水体的效果，可知，所提取洞庭湖及周边河道的轮廓与目视判读的一致，而且较好的避开了滩涂的干扰。提取结果也有部分不足之处:影像上方有部分水域没有提取出来;而且有些河流断断续续，太窄的地方没有被提取出来;影像中间居民区与鱼塘混杂的地区，有较多养殖水域未提取来。

图2a 单波段阈值法提取结果

图2b 多波段法提取结果

图2c 综合法提取结果

3.2 多波段增强阈值法

多波段增强阈值法在提取水体方面应用广泛。早在1996年McFeeter［5］利用归一化水体指数 NDWI=(Tm2-TM4)/(Tm2+TM4)提取水体，抑制了植被和土壤信息;杨存建等［6］发现TM影像中，只有水体具有(Tm2+Tm3)＞(TM4+TM5)的特征，据此可以将水体提取出来;徐涵秋［7］在对Mcfeeters提出的归一化差异水体指数(NDWI)分析的基础上，对构成该指数的波长组合进行了修改，提出了改进的归一化差异水体指数MNDWI(Modified NDWI)，使用该方法可以区分水体与居民地阴影，很好地提取城市中的水体信息。

鉴于上述单波段分割法无法提取部分水体的问题，现选用方法主要解决部分水体的漏提问题。由于本区主要地貌起伏较为平缓，部分岛状山地以及丘陵高程在500m以下，因此，水域提取受阴影影响可以忽略。因此这里采用归一化植被指数(NDWI)法进行水域的补充提取。

3.2.1 NDWI计算

归一化水体指数模型计算，在ERDAS IMGINE 9.2下建模计算(Modeler模块)，分以下几步:

1)进行源影像裁剪，得到洞庭湖区域的Tm2波段文件和TM5波段文件;

2)用Modeler模块的function函数集计算Tm2-TM5和Tm2+TM5，并将结果暂存;

3)用Either If函数判断每个像素的除数Tm2+TM5是否为零，若为零则赋值-1，若不为零，则赋值为(Tm2-TM5)/(Tm2+TM5)，并将结果保存到临时储存器中;

4)使用(DN-min)*255/(max-min)函数计算每一个像素的NDWI值(DN为步骤3的临时储存值)。

最终可得到研究区域的NDWI图像，其取值区间从0到255，与TM原始数据具有同样的灰度级。

3.2.2 图像的二值分割

所得研究区的NDWI值图像只是一个灰度图，若要提取水域，仍需要做灰度分割，此处的灰度分割算法实质是图像的二值化，方法同上述的单波段阈值法。首先用不同选区的感兴趣区AOI(Area of interest)，对NDWI图像进行裁剪，统计各个区域的平均值(图1-b)，根据多次实验，最终确定图像分割的阈值为170，按该阈值二值化后的水域提取效果图2-b所示。NDWI法可以准确的将较宽的水体准确的提取出来，没有多提取的现象。单波段阈值法无法提取的影像上部水域也可以准确提取，而且影像中部的鱼塘养殖水面提取量也比单波段法有所增加，但对较小的水体提取仍然有一些局限性。

3.3 综合提取法

本方法结合单波段阈值提取法和多波段增强阈值法，运用遥感图像处理技术，将两种方法提取结果叠合起来。综合提取法模型计算，仍然在ERDAS IMGINE 9.2下建模计算(Modeler模块)，具体采用对两幅结果影像进行“与”运算，运算过程中:“0＆＆0”=“0”，“0＆＆0”=0，“0＆＆1”=“0”，“1＆＆1”=“1”，该运算可最大限度的利用两种方法提取的结果(见图2-c)。由于这两种方法单独使用均不会出现多提取水域的现象，因而叠加方法可以有效的提高水域提取的精度。

4 结语

本文针对TM影像中水体的独特辐射特性，对常用的单波段阈值法和多波段增强图阈值法提取水体进行了实验分析，并以湖南省洞庭湖为实验区，结果发现单波段阈值法对水体和非水体的过渡区域，很难确定单一阈值来区分，多波段增强阈值法对较小的水体提取仍然有一些局限性。针对该试验区的具体情况，提出了一种综合提取法，获得了较好的提取效果。即综合利用上述两种方法的结果，对提取水域图像进行“与运算”，可充分发挥两种方法的优点，而又不多提水域的现象，可有效的提高水域提取的精度。

［1］徐涵秋.利用改进的归一化差异水体指数(MNDWI)提取水体信息的研究［J］.遥感学报，2005，9(5):589-595.

［2］吴文渊，沈晓华，邹乐君等.基于Landsat ETM+影像的水体信息综合提取方法［J］.科技通报，2008，24(2):252 ～ 259.

［3］梅安新，彭望琭，秦齐明等.遥感导论［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［4］杜云艳，周成虎.水体的遥感信息自动提取方法［J］.遥感学报［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］杨存建，徐美等.遥感信息机理的水体提取方法的探讨［J］.地理研究，1998，17(增刊):86 ～ 89.

［7］徐涵秋，利用改进的归一化差异水体指数(MNDWI)提取水体信息的研究［J］.遥感学报，2005，9(5)，589-595.