一种基于Landsat8遥感数据快速提取水体信息的新方法

倪衡　刘晓颖

摘 要：日益增多的不合理的围填海活动对海岸带环境造成了不可逆转的破坏。随着Landsat8的成功发射，我们需要一种针对海岸带附近的用海活动进行及时有效的监测的方法。根据围填海活动由海向陆硬化过程不同阶段代表地物的光谱特性，在如今大规模使用Landsat8遥感数据的条件下，根据其波段特性，提出新的水体指数NWI8对光谱进行处理并比较其区分水体、滩涂和人工填海地物的能力。结果发现，基于Landsat8特性提出的新型水体指数可以充分满足区分由海向路硬化过程的不同阶段的需求，高效的完成快速监测用海活动的任务。

关键词：水体指数 地物光谱 遥感 Landsat8

中图分类号：TP79 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0007-03

Abstract：Increasingly irrational reclamation activities are causing irreversible damage to the coastal environment.With the launch of Landsat8，we need a method to monitor the activities of using the sea quickly and effectively.According to the spectral characteristics of the objects which represent the various stages of the changing from sea to land in reclamation activities，we use a new method based on its bands which is called NWI8 to research the ability to distinguish water，bench and artificial reclamation features.Finally we find this new method can complete the task well.At the end，this new method based on the bands of Landsat8 can do the job which monitor the sea using.

Key Words：Water Index；Spectrum；Remote Sensing；Landsat8

在土地资源越发紧张的情况下，易开发的滨海地区成为了时下热门的新型开活动场所。滨海地区的海岸带资源是我国重要的自然资源，不合理的违法开发利用会对滨海地区的生态环境造成不可逆转的破坏。因此，为了保护海岸带生态系统的平衡，促进海岸带自然资源的合理高效利用，实现海洋资源的可持续发展，海洋管理部门就有必要准确、及时、高效地监视监测海岸带开发利用活动。而海岸带开发利用活动以围填海为主，围填海的过程也是由海向陆的硬化过程。对此，为了提取水体信息而创建的水体指数可以有效的反映这一硬化过程。目前常见的水体指数有：NDWI、MNDWI、EWI和NWI。在Landsat8遥感数据开始广泛应用的今天，该文基于其数据新的特性创建了New Water Index 8（NWI8），并针对由海向陆硬化过程不同阶段提出不同参考指标。

1 数据源

1.1 Landsat 8波段特性

2013年2月新一代的陆地资源卫星Landsat8成功发射并在随后开始向地面传输数据。Landsat8搭载的OLI传感器在改进了Landsat7卫星ETM+传感器的7个波段的基础上并增加了2个新的波段——观测海岸带气溶胶的波段1和观测卷云的波段9[1]。

1.2 样本数据

2012年7月，在连云港地区选取了多种地物进行地物光谱测定，该文选取水体、滩涂和填海地物等三种作为围填海活动由海向陆硬化过程的三个阶段。

该文所选取的地物光谱数据波段范围从330.48nm-2389.74nm共1560个波值，并且在可见光波段的分布密度大于1nm。

水体地物光谱包括普通海水、碱液和卤水三种类型，共41个样本，每种类型选取两个样本，其对应的地物光谱曲线见图1。

对于清水，在蓝绿波段反射率4%～5%，0.6以后的红光部分反射率降到2%～3%[6]。由于水体在近红外及随后的中红外波段内（740～2500nm）所具有的强吸收的特点，导致了清澈水在这一波长范围内几乎无反射率，因此，这一波长范围通常被用来研究水陆分界、圈定水体范围[7]。

滩涂地物光谱包括滩涂、淤泥和泥混合三种类型，共27个样本，每种类型选取两个样本，其对应的地物光谱曲线见图2。

如图所示，滩涂各样本的光谱曲线相似，反射率的高低主要是由于不同样本的含水量的差别。上图显示滩涂样本反射率曲线的“峰-谷”变化较弱，曲线的形态没有水体样本光谱曲线变化明显。[6]总体看来，在可见光和近红外波段，滩涂的反射率一般都是随着波长的增加而增加；在中红外波段范围内，滩涂的反射率会因为各自的组成成分与含水量的高低而发生不同程度的波动。

填海是围填海活动的最终阶段，是由海向陆硬化过程的最重要的一环，其标志性的地物就是各种人工地物及各种填海材料。该文选取的填海地物包括混凝土、沥青、砂石、土壤和岩石五种类型，共207个样本，在5种类型中选取一个样本，其对应的地物光谱曲线见图3。

五种填海地物的反射率整体上随着波长的增加而变大。其中，沥青、混凝土和砂石等人工地物的光谱曲线较为平缓，而土壤和岩石等填海材料的光谱曲线在中红外波段处有较大波动。这是因为其他三类地物的含水量很低，而土壤和岩石在填海过程中会附着一定程度的水分，所以在中红外波段上有较大波动。

2 水体指数

2.1 常见水体指数

目前，区分水体与其他地物信息的方法主要有单波段阈值法、谱间关系法、指数模型法、监督分类法和决策树法，其中水体指数法结合阈值分割提取水体较为快捷可靠，且已经成为最普遍的提取水体的方法。因为水体指数是利用各地物在不同波段的反射率不同的特性所组成的归一化差值方法，而各遥感器的波段特性不一，所以目前存在着多种水体指数，常见的几种水体指数如下：

（1）McFeeters（1996）借鉴NDVI的构思，提出了归一化差异水体指数NDWI（Normalized Difference Water Index）[2]：

（2）徐涵秋（2005）在针对TM数据中城市、水体及其背景地物的反射特点分析的基础上，提出了改进归一化差异水体指数MNDWI（Modified NDWI）[3]：

（3）闫霈利用ETM+影像的Green、NIR和MIR构建了增强型水体指数EWI（Enhanced Water Index）[4]：

（4）丁凤（2009）结合水体在NIR和MIR波段同时具有强吸收的特点，提出了新型水体指数NWI（New Water Index）[5]：

2.2 新型水体指数

通过仔细分析水体与其它地物的光谱特征发现，水体尚有以下2个在以往研究中未被充分挖掘和利用的光谱特征：（1）水体在蓝光波段（Band 1）的反射要高于绿光波段（Band 2），以EWI水体指数构建为例，若采用蓝光波段代替绿光波段，可以进一步扩大水体与其它地物的反差，且使得大部分水体的亮度值为正；（2）在众多地物类型中，唯有水体具有如下特点，即水体在OLI影像的第6、7波段同时具有强烈的吸收，而植被、干土壤和建筑物等非水体地物在这几个波段范围内的反射则均高于水体。引入水体的上述两个典型特征，本文提出了一种可用于提取水体信息的新型水体指数NWI8，其公式如下：

3 数据处理分析

为了测试新型水体指数对由海向陆硬化过程不同阶段的区分能力，将41个水体样本、27个滩涂样本和207个人工填海地物样本的地物光谱数据按照不同水体指数方法求值。这些求得的水体指数值在一定范围内有集中分布的趋势，在（-1，1）的区间上，以0.02为组距，分布频率为纵坐标，各地物光谱经水体指数求出的值呈现出图4的分布形式。这些水体指数值的总体特征参数取四位有效数字见表2。将地物值域相交区域的样本个数与各自样本总数相比可得到表2中的样本混合比例。

从上图和上表中，可以看出在新型水体指数方法下，按照Landsat 8波段特性计算出来的水体指数值，水体显著区别于滩涂和人工填海地物，说明可以通过在设定一定的阈值下，有效地将水体信息提取出来。

对于滩涂和人工填海地物，新型水体指数都无法将它们完全区分开，NWI8对于它们的区分能力较好，分别达到了62.97%和54.11%。

4 结语

按照Landsat8波段特性，提出的新型水体指数NWI8在对实测地物光谱处理后，发现其可以较好地提取海岸带地物信息，对于由海向陆硬化过程不同阶段代表地物类型水体、滩涂和人工填海地物的区分也能到达较好水平，所以在Landsat8遥感数据条件下对海岸带的围填海活动进行监测时，可以选用NWI8。

参考文献

[1] 徐涵秋，唐菲.新一代Landsat系列卫星：Landsat 8遥感影像新增特征及其生态环境意义[J].生态学报，2013，33（11）：3249-3257.

[2] McFeeters S K.The Use of Normalized Difference Water Index（NDWI）in the Delineation of Open Water Features [J].International Journal of Remote Sensing，1996，17（7）：1425-1432.

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

[4] 闫霈，张友静，张元.利用增强型水体指数（EWI）和GIS去噪音技术提取半干旱地区水体信息的研究[J].遥感信息，2007（6）：62-67.

[5] 丁凤.基于新型水体指数（NWI）进行水体信息提取的实验研究[J].测绘科学，2009，39（4）：155-157.

[6] 赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京：科学出版社，2003.

[7] Jensen J R. Introductory Digital Image Processing： A Remote Sensing Perspective 3rd [M]. New Jersey： Prentice Hall，2004.

[8] 徐涵秋.从增强型水体指数分析遥感水体指数的创建[J]. 地球信息科学，2008，10（6） ：776-780.

[9] 王志辉，易善桢.不同指数模型法在水体遥感提取中的比较研究[J].科学技术与工程，2007，7（4）：534-537.