基于Landsat8 OLI影像的城市水體信息提取方法對(duì)比分析

□　朱春芳（山西中勤測繪有限責(zé)任公司，山西太原030001）

基于Landsat8 OLI影像的城市水體信息提取方法對(duì)比分析

□朱春芳
（山西中勤測繪有限責(zé)任公司，山西太原030001）

以山西省太原市水體信息提取為例，通過計(jì)算Landsat8OLI中分辨率遙感影像波段參數(shù)，進(jìn)行波譜分析，分別利用AWEI、MDNWI與閾值法對(duì)研究區(qū)水體信息進(jìn)行提取，將提取結(jié)果與人機(jī)交互解譯后的水體信息進(jìn)行對(duì)比，AWEI法在提取城市水體信息時(shí)精度最高。

landsat8；OLI；AWEI；MNDWI；閾值法；城市水體

0.引言

美國自1972年以來，共發(fā)射8顆陸地資源系列衛(wèi)星，英文為Landsat。美國陸地資源衛(wèi)星作為全球應(yīng)用最為廣泛的中分辨率衛(wèi)星，其數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水利、地質(zhì)、礦產(chǎn)、森林、大氣等各個(gè)行業(yè)。2013年2月，Landsat8衛(wèi)星成功發(fā)射，該衛(wèi)星攜帶的OLI（陸地成像儀）和TIRS（熱紅外傳感器）使得該衛(wèi)星在農(nóng)業(yè)、水利、林業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛[1]。

信息提取技術(shù)的研究一直是遙感技術(shù)與應(yīng)用的一個(gè)研究熱點(diǎn)，同時(shí)水體作為占據(jù)地球表面70%的地類，對(duì)社會(huì)發(fā)展及人類生活環(huán)境質(zhì)量起著重要的作用，城市是人類社會(huì)高度發(fā)展的體現(xiàn)，城市水體作為城市生態(tài)系統(tǒng)中重要的因素，在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性上具有至關(guān)重要的作用，所以城市水體信息的遙感提取成為遙感技術(shù)在信息提取領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[2]-[4]。在提取方法上，應(yīng)用最為廣泛的是徐涵秋的改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI），MNDWI比NDWI更能夠揭示水體微細(xì)特征,如懸浮沉積物的分布、水質(zhì)的變化。另外,MNDWI可以很容易地區(qū)分陰影和水體[5]。閾值法的簡單易操作，也常常作為提取水體信息的一種方法[6]。對(duì)于以往利用單波段閾值和多波段水體指數(shù)法在精度方面的問題，Gudina L.Feyisa等提出了一個(gè)新的自動(dòng)提取方法AWEI，在landsat5 TM影像上大大提高了水體信息的提取精度[7]。

本文選擇Landsat8OLI影像作為數(shù)據(jù)源，利用閾值法、MNDWI和AWEI法對(duì)研究區(qū)水體信息進(jìn)行了提取，對(duì)利用遙感技術(shù)快速提取城市水體信息具有一定的指導(dǎo)意義。

1.研究區(qū)概況

太原，山西省省會(huì)，位于山西省中北部的太原盆地，北接忻州市，東連陽泉市，西交呂梁市，南鄰晉中市。太原市境總面積6988平方千米。黃河第二大支流汾河自北向南流經(jīng)全市，三面環(huán)山，太原市共轄6個(gè)市轄區(qū)、3個(gè)縣，代管1個(gè)縣級(jí)市。市政府位于杏花嶺區(qū)新建路。太原地區(qū)位于東經(jīng)111°30′至113°09′和北緯 37° 27′至38°25′之間，市中心位于北緯37° 54′，東經(jīng)112°33′。

2.研究方法

2.1自動(dòng)提取水體指數(shù)法（AWEI）

Gudina L.Feyisa針對(duì)以往水體信息提取方法存在的分類精度低、閾值取值相對(duì)不固定等問題，利用Landsat5TM影像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提出了自動(dòng)提取水體指數(shù)法（AWI），其公式如下：

式中，ρ是遙感影像波譜反射率，band1、band2、band4、band5和band7分別是是landsat5 TM影像的藍(lán)、綠、近紅外、短波紅外和中紅外波段。此處對(duì)應(yīng)Landsat8OLI影像的band2、band3、band5、band6和band7。

AWEInsh為剔除非水體像元，包括建筑物等，AWEIsh為進(jìn)一步剔除AWEInsh提取結(jié)果中與水體信息混淆的地類，包括陰影等。

2.2改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）

Mcfeeters提出的歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）是基于遙感影像的綠波段和近紅外波段，通過比值運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)水體信息的提取，但NDWI法只考慮了植被因素，忽略了土壤/建筑物這一重要地類，通過NDWI法提取出來的水體信息因?yàn)榫G光反射率高于近紅外波段，往往造成土壤/建筑物與水體信息混淆[5]。徐涵秋在歸一化差異水體指數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)。

歸一化差異水體指數(shù)公式如下：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)式中，Green代表綠光波段；NIR代表近紅外波段。在Landsat8OLI影像中，分別為3，5波段。

改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)公式如下：

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

式中，Green代表綠光波段；MIR為中紅外波段。在Landsat8OLI影像中，分別為3，6波段。

2.3閾值法

圖像分割就是依據(jù)原則將影像分為多個(gè)區(qū)域，對(duì)于遙感影像，這些原則有影像的紋理、地類輪廓、形狀等。一個(gè)區(qū)域內(nèi)圖像特征相似，而不同區(qū)域內(nèi)圖像特征相差較遠(yuǎn)。本文通過統(tǒng)計(jì)研究區(qū)地物亮度均值，來獲取不同地物在影像波段上的分布關(guān)系。

3.城市水體信息提取

3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次研究選擇數(shù)據(jù)有2015年6月30日的Landsat8OLI影像，行帶號(hào)位125/34，根據(jù)研究精度要求，對(duì)遙感影像進(jìn)行了輻射校正、幾何校正與配準(zhǔn)，幾何校正的誤差在0.5個(gè)像元之內(nèi)；同時(shí)對(duì)遙感影像各個(gè)波段進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)，為城市水體信息的提取進(jìn)行參數(shù)準(zhǔn)備。圖1為本次研究的技術(shù)流程圖，數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括幾何校正、裁剪、配準(zhǔn)、重采樣、波段組合、勻色等。

3.2波段參數(shù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)于多光譜波段，通過分析波段間的最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)值，表1為資源一號(hào)星與Landsat8多光譜影像的相關(guān)參數(shù)。

表1　Landsat8多光譜影像參數(shù)(Table1 Multispectral imaging parameters of Landsat8 satellite）

3.3典型地物波譜分析

提取研究區(qū)的城市水體信息，首先，要了解城市水體信息的光譜特征，以及容易與城市水體信息相混淆的地類，本研究通過目視判讀方法，分別對(duì)道路、居民地、其他、草地、水體5種類型進(jìn)行了取樣（取樣數(shù)均為200個(gè)），統(tǒng)計(jì)各自的灰度均值（如表2），得到相應(yīng)的地物光譜特征曲線（如圖1）。

由不同地物亮度均值曲線可以看出，城市水體信息與陰影相混淆，利用閾值法來進(jìn)行信息提取。

表2　地類亮度均值表

圖1　研究區(qū)波譜關(guān)系圖

3.4城市水體信息提取

（1）閾值法

由3.3典型地物波譜分析可知，水體信息在第5、6和7波段與其他地類區(qū)分明顯，其中水體信息在第7波段與其他地類均值差最大。所以利用公式band7<15對(duì)研究區(qū)水體信息進(jìn)行提取。

（2）MNDWI

利用ENVI5.0軟件的Band Math功能，通過公式（b3-b6）/（b3+b6）計(jì)算得到研究區(qū)水體指數(shù)，見圖2。

圖2　研究區(qū)遙感影像圖及城市水體信息提取結(jié)果圖

（3）AWEI

同樣，利用ENVI5.0軟件的BandMath功能，通過公式（b3-b6）/（b3+b6）計(jì)算得到研究區(qū)水體指數(shù)，見圖2。a:543波段組合圖；b:閾值法提取水體信息圖；c:MNDWI法提取水體信息圖；d:AWEI法提取水體信息圖。

4.精度驗(yàn)證

利用閾值法、改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）和自動(dòng)提取水體指數(shù)法（AWEI）對(duì)研究區(qū)的水體信息進(jìn)行了提取，選取68個(gè)樣點(diǎn)實(shí)地對(duì)信息提取精度進(jìn)行了驗(yàn)證。(結(jié)果見表3)

表3　城市水體信息提取精度

5.結(jié)論

（1）本文利用Landsat8OLI影像，通過計(jì)算各個(gè)波段的最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)，分析波段間的波譜間關(guān)系，獲得地類在不同波段的區(qū)分度，利用AWEI法、MNDWI法和閾值法分別對(duì)研究區(qū)的水體信息進(jìn)行了提取。

（2）通過計(jì)算地類亮度均值，發(fā)現(xiàn)在第5、6和7波段水體與其他地類區(qū)分度大，特別在第7波段，水體信息與其他地類亮度均值差值最大，利用閾值法易于提取水體信息。

（3）利用閾值法在第7波段提取水體信息，大面積的水體信息提取效果較好，但丟失了面積較小的水體信息。

（4）利用AWEI法提取研究區(qū)水體信息，效果欠佳，提取結(jié)果中不僅有水體信息，還混淆了部分道路和居民地信息。

（5）利用MNDWI法提取水體信息結(jié)果最好，不僅提取出了大面積的水體信息，對(duì)于小面積的水體提取效果也較好，同時(shí)與水體混淆的地類信息較少，對(duì)比三種方法，該方法效果最佳。

【1】FrequentlyAskedQuestionsabouttheLandsatMissions[EB/OL].http://landsat.usgs.gov/band_designations_landsat_satellites.php,2013.5.30.

【2】殷亞秋，李家國，余濤，等.基于高分辨率遙感影像的面向?qū)ο笏w提取方法研究［J］.測繪通報(bào)，2015(1)：81-85.

【3】李艷華，丁建麗，閆人華.基于國產(chǎn)GF-1遙感影像的山區(qū)細(xì)小水體提取方法研究[J].資源科學(xué)，2015，37（2）：408-416.

【4】張毅，陳成忠，吳桂平，等.遙感影像空間分辨率變化對(duì)湖泊水體提取精度的影響[J].湖泊科學(xué)，2015，27（2）：335-342.

【5】徐涵秋.利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)提取水體信息的研究[J].遙感學(xué)報(bào)，2005，9 (5):589-595.

【6】劉桂林，張落成，劉劍,等.基于LandsatTM影像的水體信息提取[J].中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30（5）：644-649.

【7】Gudina L.Feyisa,Henrik Meilby,Rasmus Fensholt,Simon R.Proud.Automated Water Extraction Index:A new technique for surface watermapping using Landsat imagery[J],Remote Sensing of Environment 140(2014)23 35.

TP751.1

A

2095-7319（2015）06-0060-05

朱春芳（1987-），女，山西運(yùn)城人，本科，2009年畢業(yè)于太原理工大學(xué)測繪工程專業(yè)，現(xiàn)從事基礎(chǔ)地形圖測繪工作。