基于ETM+数据的水体信息提取

王永丽++宋希磊

摘要：以丹江口水库流域水体为研究对象，根据其Landsat ETM+影像数据，利用ENVI4.7对其进行了处理分析。根据丹江口水库库区的水体特征，对单波段阈值法、谱间关系法、改进归一化指数法等3种方法提取水体的优缺点进行了比较和分析，最后选取适合大面积水体信息提取的谱间关系法进行提取。实践表明：此方法不仅避免了阈值确定的麻烦，而且解决了阴影对水体提取的限制影响，实现了丹江口水库大面积水体的精确提取。

关键词：水体提取；阴影；单波段阈值法；谱间关系法；丹江口水库

中图分类号：TP722.6

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10020803

1 引言

进入21世纪以来，数字流域的建设已逐渐成为我国水利现代化的重要组成部分[1]。遥感影像数据是自动提取水体的基础，可大面积周期性实时地获取水体信息数據，通过影像数据就可对研究区进行判读和分析，大大提高了工作效率；在近20年的卫星遥感发展过程中，利用卫星遥感数据对资源和环境的调查研究得到了广泛的应用，特别是在对水资源的研究。卫星遥感影像记载了地物对电磁波的反射信息及地物本身的热辐射信息，而由于不同的地物其自身的结构属性的不同，导致其对电磁波的反射及本身的热辐射存在着差异[2]。与其他地物不同，水体在整个光谱范围内都呈现出较弱的反射率[3]；恰是因为这种特征，才能够提取水体等其他地物的信息。

对丹江口水库流域信息的提取研究最重要的是区别出水体和非水体的过程，即提取水体与其他地物的分界线，并对其水体面积进行统计；单波段阈值法和多波段法是现在通用的两种水体提取方法，根据对研究的需求利用不同的提取方法。

单波段法主要选取对水陆界反应较好的Landsat-7的ETM+的第四或第五波段，即近红外和中红外波段，利用阈值法对水体进行提取[3]。多波段法根据不同波段的综合特点进行影像的叠加和波段运算来实现水体信息的提取，由此可分为谱间关系法和水体指数法。以丹江口水库的水体信息为例，选取2014年3月份LandsatETM+影像为数据源，用上述两种方法对丹江口水库的水体信息举行提取，并对其提取成果展开分析，以选取适合该研究区的水体提取方法。

2 研究区概况和方法

2.1 研究区概况

丹江口水库位于北纬32°36′～33°48′，东经110°59′～111°49′之间；丹江口横跨湖北和河南两省，其主要流域位于河南省淅川县和湖北省丹江口市，是国家南水北调工程的水源地，丹江口水库大坝建成以后，蓄水以后库容可达339.1亿m3，丹江口水库水域面积将达600 km2，其水域面积广阔且较为连续，丹江口水库是以供水、防洪、发电为主，兼具灌溉、养殖等功能的大型人工水库。庞大的水域面积使其形成了自身的独立的生态系统，使其周边气候适宜，良好的空气质量，达到饮用标准的水质，周边的地区以丹江口水库独特的性质，建立了生态旅游、种植、养殖等多种经济社会功能；其是国家重点大型水利工程南水北调的水源地；该工程贯通后，将把丹江口水库的水输送到华北地区以供饮用，满足用水需求。

2.2 数据来源

为了尽量减少天气对遥感影像数据的影响，根据研究区天气预报情况及当天的云量分布情况，选用了2014-3-17条带为WRS2 125/37的影像数据，该研究区的影像不存在地形阴影和云体阴影的影响。

2.3 研究方法

2.3.1 水体的影像特征

水体自身的属性决定了水体的光谱特征，但不同的水态也会具有不同的光谱特征，使其与真实水体存在着一定的差异；相对于其他地物而言，水体在整个光谱范围内对入射的太阳能量具有强吸收性，在整个光谱范围内遥感都呈现出较弱的反射率，特别是在近红外、中红外及短红外部分，水体几乎吸收全部的入射能量，因此，水体在这些波段的反射能量很少[3]。而土壤、建筑物和植被等地物正好相反，具有较高的反射率，这使得水体与其他地物有明显的区别。图1所示为不同地物的光谱曲线。

2.3.2 单波段阈值法

单波段阈值法是比较简单的一种水体自动提取方法，可以快速的提取水体，其跟据水体在整个光谱范围内具有较强的吸收能量，水体表现出较弱的反射率，特别是水体在近红外和中红外波段反射率几乎为零，而非水体（如：植被、土壤、建筑物等地物）正好相反，具有较高反射率，这使得水体与其他地物有明显的差异。利用水体信息和其他地物信息在遥感影像上的灰度值不同来确定阈值。阈值的确定很关键，必须经过反复试验得到，其大小都会影响水体提取的精度。

2.3.3 多波段法

（1）归一化差异水体指数（NDWI）法。此研究方法是比较特殊的比值运算方法，在基本的比值运算中，如果分母中的波段的值比较小（特别是小于1的情况下），那么，比值的结果将夸大差异，使用归一化指数可以避免这个问题，归一化指数中像素值的变化是有约束的[4]。水体归一化比值运算的原理就是在多光谱波段内，把水体最强的反射率波段放在分子上，最弱的放在分母，通过两者的相比运算从而进一步扩大两者的差异，使水体的亮度达到最大值，而其他非水体地物则基本上都被抑制，从而突出研究水体信息的目的，即抑制建筑物、植物和土壤的信息提取水体[5]。考虑水体的波谱特征是在绿光波段具有较强的透射性，在近红外波段吸收性较强，可以更好地反应水体信息，因此Mcfeeters在1996年提出了归一化差异水体指数NDWI[6]。

（2）谱间关系法。此研究方法利用水体具有独特的谱间关系特征：（b2+b3）>（b4+b5），这一构建模型来进行水体提取能将水体与阴影区分开来，特别适合山区水体的提取[7]。由图1可知，只有水体的2、3波段相加大于其4、5波段之和，按照这种特性对水体进行提取。

3 研究结果

3.1 数据处理与分析

3.1.1 单波段阈值法

利用单波段阈值法对丹江口水库进行水体信息的提取难点在于最佳阈值的确定，阈值大小的确定关系到了水体提取的精度；由于丹江口水库库区水陆界限清晰，范围比较广，因此为了避免选取阈值的麻烦，并不采用此方法进行水体提取。

3.1.2 多波段法

（1） 归一化差异水体指数（NDWI）法。此方法最大程度地改善了误提植被、建筑物和居民地等信息提取的问题，使水体信息得到了更好体现，提高了水体提取的准确度。但此指数研究方法在提取水体的时候忽略了山体、裸地以及山体阴影等信息对水体提取时候的影响，对提取结果的精确性造成了限制。

（2） 谱间关系法。依据丹江口水库各波段的影像特征，选取了第2、3、4、5波段进行了波段运算，输入运算公式（b2+b3）>（b4+b5）。利用此方法可以较为准确地提取丹江口流域的所有水体信息，包括影像中比较小的水体和流域，与上述方法相比，阴影对水体信息提取的限制也得到了很大的改善，但對于建筑物和居民地没有更好的识别，存在着误提的问题。

3.2 谱间关系法提取结果与分析

上述3种水体提取方法，都有各自的不足之处；单波段阈值法不能有效地精确提取细小的水体和流域，并且其水体的精确率在于阈值的确定，而阈值的确定到目前为止都是一个难点；NDWI法虽然改善了植被、建筑物和居民地等信息误提的问题，但存在着误把阴影和裸地提为水体的问题，直接限制了水体提取的精度。而研究范围是丹江口水库库区，水域面积较大且连续性强，因此，选取谱间关系法来对研究区水体进行提取；此提取方法不仅可以对丹江口水库库区大面积水体进行有效提取，也对阴影的误提有了很大的改进[7～10]；不用对阈值的确定进行反复试验，避免了繁琐的工作，实现水体快速有效的自动提取，提高了工作效率。采用谱间关系法对丹江口影像进行水体信息的提取，得到如图2所示的利用谱间关系法提取水体的效果图[11～13]。

4 结论与讨论

4.1 主要结论

（1） 不同于上述两种方法，谱间关系法不用进行阈值的确定，避免了最佳阈值选择所带来的误差和麻烦，相比之下能更好地提取水体信息。

（2） 为了减少由于地形坡度、阴影等自然环境条件的限制，宜采用波段之间的比值运算进行水体信息的提取，从而提高水体识别的精确性。

（3） 通过几种方法的比较和分析，最终根据丹江口水库库区本身的特征选取了谱间关系法提取水体信息，从得到的提取效果图1中可以发现，阴影和建筑物基本上消除，水体轮廓清晰。

（4）丹江口水库水体面积随着季节而发生变化，受到降雨量、降水强度及降水时间的巨大影响。通常丹江口水库水体面积在600 km2左右。通过对谱间关系法的提取效果图进行判读和分析，借助GIS相关软件对丹江口水库水体信息的提取面积进行计算为599.89 km2，同丹江口水库实际水体面积相比，具有较高的提取率。

（5）最后采用谱间关系法对丹江口水库进行了水体信息的提取，虽然有细小水体和水流的漏提，但相对于丹江口库区大面积水体而言没有影响，保证了对此研究区水体提取的精度。

4.2 问题探讨

（1）通过对几种水体信息提取方法的比较和分析发现，对于目前对水体提取的技术上，建筑物、阴影的误提对水体信息提取有很大的干扰，因此今后应针对这两个问题进行更深入的研究和分析，以找到更好、更精确的水体提取方法。

（2）要根据实地情况和需求，将遥感影像特征和研究区地域自然环境特征相结合，进而建立起适合不同地域环境的提取模型，以实现简单快速精确的水体提取。

（3）波段阈值的确定一直是一个难点，它限制了水体提取的准确性，因此，应在阈值范围选取及确定这方面加以深入研究，从而提高阈值确定的准确性。

（4）在遥感影像上，有些阴影与水体的光谱特征比较相似，这在遥感上称为“异物同谱”现象；这种现象降低了提取水体的精度，因此，如何消除异物同谱现象是今后研究的重点。

此外，由于细小水体的面积小，光谱特征不明显，容易漏提，因此，细小水体的精确提取也将成为今后的研究重点之一。

参考文献：

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