基于ETM+數據的水體識別方法對比研究

摘要：以湖北省應城市的ETM+數據為例，對3種水體識別方法進行了對比研究。結果表明，單波段閾值法對于較大水體的提取效果較好，而對細小水體則難以識別；水體指數法對于細小水體的提取效果較單波段閾值法好，但是應用范圍有局限，針對不同數據有不同的指數模型；K-T變換模型法精度最高，達到89.5%，對于較大水體和細小水體提取效果都較好，水體提取結果比較理想。

關鍵詞：ETM+影像；水體識別方法；K-T變換模型

中圖分類號：TP753 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）21-5326-03

Comparative Study on the Methods of Water Body Identification Based on ETM + Image

CHENG Wu-xue1，2，LI yue2，LI Hui-jun1，ZHOU Jie-ming1，YANG Cun-jian1

（1. Key Laboratory of the Evaluation and Monitoring of Southwest Land Resources， Ministry of Education， Chengdu 610068， China；

2. Sichuan Forestry Inventory and Planning Institute， Chengdu 610081， China）

Abstract： Taking the ETM+ image of Yingcheng city in Hubei province as an example， the methods of the water body identification were compared. The results showed that the effect was good by using the single-band threshold method for large water body extraction， while it was difficult to identify the small water body； Water index method’s extract effect was better than single-band threshold method， but the range of application had limitation， reguiring different index models for different data； K-T transformation model was the method，with highest indentification accuracy the method with highest identification accuracy， which reached up to 89.5%. The extraction effect of K-T transformation method was good both for large and small water bodies.

Key words： ETM+image； method of water body indentification； K-T transformation model

水體遙感識別的機理是水體與其他地類的光譜特性具有明顯的差異，即水體在近紅外和短（中）波紅外波段的反射能量很少，而植物、土壤在這兩個波段內的吸收能量較少，而且又具有較高的反射特性，這就使得水體在這兩個波段上與植被、土壤有明顯的區別。水體在這兩個波段上反射率低呈現出暗色調，而土壤、植被反射率高則呈現出相對較亮的色調。在可見光通道波長范圍內，水體的反射率高于植被，裸土的反射率高于植被；在近紅外通道，裸土的反射率高于水體、低于植被[1，2]。

目前，提取水體的方法主要有單波段閾值法、多波段增強閾值法（即譜間關系法）、水體指數提取法、K-T變換綜合提取法等。這些方法各有優勢，但對于具體區域來說，哪一種更適合需要經過實踐檢驗，為此以湖北省應城市為研究區域，對比不同水體識別方法的結果，尋找最佳的方法。

1 研究區概況及研究數據

文中所使用數據為湖北省應城市的一景ETM+影像，行列號為123/39，成像時間為2002年10月13日。應城市位于湖北省中部偏東，北部和中部屬大洪山余脈，丘陵、低崗面積大約占70%，坡度一般小于10°，起伏平緩。海拔高程41～80 m，南部屬江漢平原。河流東有涢水、漳水，中有大富水，南有漢北河。湖泊主要有東西汊湖、龍賽湖、大湖等。研究區內主要水體為東西汊湖、龍賽湖，并且有大量小湖泊、水塘；試驗區地勢較平緩，有大片的農田。研究區不存在地形陰影和云體陰影的影響。

2 研究方法

遙感影像中水體信息的提取方法主要是依據水體在不同波段上光譜的不同特征以及其他地物與水體的區別， 通過分析水體及背景地物的光譜特征，利用單個波段或多個波段組合來提取影像中的水體信息[3]。最常見的方法有最大似然法[4]、比值法、差值法、水體指數法[5]、歸一化差分水指數法和歸一化差分積雪指數法[6]、基于K-T變換或者LBV變換的信息綜合提取法等。研究以ETM+數據為基礎，采用單波段閾值法、水體指數法及K-T變換模型法分別進行試驗。

2.1 單波段閾值法

單波段閾值法[7]主要適用于水陸界限反映較好的影像，或者水體與背景地物相差較大的數據。TM影像中較常用的波段是第五波段，在該波段水體反射率低，呈現灰黑色，灰度值小，經過光譜采樣確定閾值進行水體的提取。提取模型見公式（1），其中TM5表示第五波段的灰度值，T為灰度閾值：

TM5

2.2 水體指數法

目前，常用的水體指數包括歸一化水體指數（NDWI）和改進歸一化水體指數（MNDWI）[8]。經過試驗驗證，以上兩種指數對于本文所涉及的研究區的水體提取效果均不好。另外，由閆霈等[9]提出的增強型水體指數（EWI）在本研究區的水體提取效果亦不是很好。故根據本文所使用的數據特征，對EWI指數模型進行了改進，結果如下式所示：

EWI=（Green-MIR1-MIR）/（Green+MIR1+MIR）

（2）

其中，Green代表綠光波段，MIR1代表短波紅外波段（1.55～1.75 μm），MIR代表短波紅外波段（2.08～2.35 μm）。Green、MIR1、MIR分別代表ETM+的2、5、7波段。

2.3 K-T變換模型法

為了對水體進行精確提取并消除各種陰影的影響，張景奇等[10]在傳統的譜間關系法基礎上對圖像先進行了K-T變換（櫻帽變換）。K-T變換后，只有水體變換后的波譜均值折線圖具有W型特征，即只有水體具有GreenessFourth的特征，然后再應用決策樹分類法進行水體自動提取。該方法簡便易行，避免了閾值法中的人工找閾值的過程，有效消除了山體陰影以及云體陰影的影響，但仍然受混合像元的影響。

3 水體識別分析

3.1 水體提取

分別應用以上3種方法對試驗數據進行水體提取。

1）單波段閾值法中選取第五波段，對數據進行光譜分析得到水體的光譜反應曲線，再經過反復試驗，最終選取水體提取閾值為40，提取結果見圖1。

2）水體指數法則應用公式（2）得到水體信息增強的灰度圖，再通過閾值來進行水體的提取。經過反復試驗確定水體提取閾值為-17.26，提取結果見圖2。

3）K-T變換模型法中首先對原始圖像進行纓帽變換，得到變換后的波譜均值折線圖如圖3所示。其中，波段1、2、3、4、5、6分別代表纓帽變換后的明度波段、綠度波段、濕度波段、第四波段、第五波段、第六波段。

從圖3可以看出研究區數據部分水體具有W特征，而區域中的較細河流卻不符合該特征，如果僅依據W特征來提取水體，那么這條較細的河流則提取不完整，這樣得到的水體精度則會很低（圖4）。故在進行水體提取時就不能只依靠該判斷方法來進行水體提取，而應加入其他方法綜合提取。試驗中除了利用水體的W特征外，還加入了閾值法進行水體的提取，如圖5所示。由圖5可以看出，盡管部分河流不具備Wetness>Fourth這個條件，但是在Wetness波段水體的濕度值均大于其他地物。所以在進行決策樹分類時加入了一個閾值條件，輸入公式為：

（{tascap[2]} lt {tascap[3]}） and （{tascap[3]} gt {tascap[4]}） or （{tascap[3]} gt -10.12）

最后參照ETM+的全色波段，采用目視判讀的方法，通過隨機采樣對3種方法的水體提取精度進行分析。首先在全色波段圖上采200個水體樣點，然后導入到水體提取圖中，通過目視判讀得到水體提取精度如表1所示。

3.2 結果與分析

研究結果表明，單波段閾值法簡單易行，對于水體與背景地物亮度相差較大且水體面積較大時提取效果良好，對細小水體的提取則會出現多分現象。水體指數法存在一些區域性限制，且該方法也存在人工確定閾值所引起的誤差，但其總的分類精度較單波段閾值法高。K-T變換操作簡單易行，且提取的大、小水體如河流、湖泊、小水塘等，提取結果比較完整，總體精度為三者中最高。

4 小結與討論

以湖北省應城市為研究區域，以ETM+數據為數據源，對比分析了單波段閾值法、水體指數法和K-T變換模型法等3種水體識別的方法與結果。各方法均有利弊，但從總體上看K-T變換法精度達到了89.5%，為最高；其次為水體指數法，為85.0%，單波段閾值法最低，為80.5%。在研究過程當中，本文只用了ETM+數據，而沒有用其他精度更高的數據，在以后的研究中應使用多元遙感數據，這樣對比更加多元化。另外，本研究只選取了3種常見的方法，并只做了簡單的分析，在以后的研究中應對比更多的方法，而且要對一些方法進行相應的改進。

參考文獻：

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[9] 閆 霈，張友靜，張 元.利用增強型水體指數（EWI）和GIS去噪音技術提取半干旱地區水系信息的研究[J].遙感應用，2007（6）：62-67.

[10] 張景奇，關 威，孫 萍，等.基于K-T變換的地表水體信息遙感自動提取模型[J].中國水土保持科學，2011，9（3）：88-92.