一種基于Landsat8遙感數據快速提取水體信息的新方法

倪衡　劉曉穎

摘 要：日益增多的不合理的圍填海活動對海岸帶環境造成了不可逆轉的破壞。隨著Landsat8的成功發射，我們需要一種針對海岸帶附近的用海活動進行及時有效的監測的方法。根據圍填海活動由海向陸硬化過程不同階段代表地物的光譜特性，在如今大規模使用Landsat8遙感數據的條件下，根據其波段特性，提出新的水體指數NWI8對光譜進行處理并比較其區分水體、灘涂和人工填海地物的能力。結果發現，基于Landsat8特性提出的新型水體指數可以充分滿足區分由海向路硬化過程的不同階段的需求，高效的完成快速監測用海活動的任務。

關鍵詞：水體指數 地物光譜 遙感 Landsat8

中圖分類號：TP79 文獻標識碼：A 文章編號：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

在土地資源越發緊張的情況下，易開發的濱海地區成為了時下熱門的新型開活動場所。濱海地區的海岸帶資源是我國重要的自然資源，不合理的違法開發利用會對濱海地區的生態環境造成不可逆轉的破壞。因此，為了保護海岸帶生態系統的平衡，促進海岸帶自然資源的合理高效利用，實現海洋資源的可持續發展，海洋管理部門就有必要準確、及時、高效地監視監測海岸帶開發利用活動。而海岸帶開發利用活動以圍填海為主，圍填海的過程也是由海向陸的硬化過程。對此，為了提取水體信息而創建的水體指數可以有效的反映這一硬化過程。目前常見的水體指數有：NDWI、MNDWI、EWI和NWI。在Landsat8遙感數據開始廣泛應用的今天，該文基于其數據新的特性創建了New Water Index 8（NWI8），并針對由海向陸硬化過程不同階段提出不同參考指標。

1 數據源

1.1 Landsat 8波段特性

2013年2月新一代的陸地資源衛星Landsat8成功發射并在隨后開始向地面傳輸數據。Landsat8搭載的OLI傳感器在改進了Landsat7衛星ETM+傳感器的7個波段的基礎上并增加了2個新的波段——觀測海岸帶氣溶膠的波段1和觀測卷云的波段9[1]。

1.2 樣本數據

2012年7月，在連云港地區選取了多種地物進行地物光譜測定，該文選取水體、灘涂和填海地物等三種作為圍填海活動由海向陸硬化過程的三個階段。

該文所選取的地物光譜數據波段范圍從330.48nm-2389.74nm共1560個波值，并且在可見光波段的分布密度大于1nm。

水體地物光譜包括普通海水、堿液和鹵水三種類型，共41個樣本，每種類型選取兩個樣本，其對應的地物光譜曲線見圖1。

對于清水，在藍綠波段反射率4%～5%，0.6以后的紅光部分反射率降到2%～3%[6]。由于水體在近紅外及隨后的中紅外波段內（740～2500nm）所具有的強吸收的特點，導致了清澈水在這一波長范圍內幾乎無反射率，因此，這一波長范圍通常被用來研究水陸分界、圈定水體范圍[7]。

灘涂地物光譜包括灘涂、淤泥和泥混合三種類型，共27個樣本，每種類型選取兩個樣本，其對應的地物光譜曲線見圖2。

如圖所示，灘涂各樣本的光譜曲線相似，反射率的高低主要是由于不同樣本的含水量的差別。上圖顯示灘涂樣本反射率曲線的“峰-谷”變化較弱，曲線的形態沒有水體樣本光譜曲線變化明顯。[6]總體看來，在可見光和近紅外波段，灘涂的反射率一般都是隨著波長的增加而增加；在中紅外波段范圍內，灘涂的反射率會因為各自的組成成分與含水量的高低而發生不同程度的波動。

填海是圍填海活動的最終階段，是由海向陸硬化過程的最重要的一環，其標志性的地物就是各種人工地物及各種填海材料。該文選取的填海地物包括混凝土、瀝青、砂石、土壤和巖石五種類型，共207個樣本，在5種類型中選取一個樣本，其對應的地物光譜曲線見圖3。

五種填海地物的反射率整體上隨著波長的增加而變大。其中，瀝青、混凝土和砂石等人工地物的光譜曲線較為平緩，而土壤和巖石等填海材料的光譜曲線在中紅外波段處有較大波動。這是因為其他三類地物的含水量很低，而土壤和巖石在填海過程中會附著一定程度的水分，所以在中紅外波段上有較大波動。

2 水體指數

2.1 常見水體指數

目前，區分水體與其他地物信息的方法主要有單波段閾值法、譜間關系法、指數模型法、監督分類法和決策樹法，其中水體指數法結合閾值分割提取水體較為快捷可靠，且已經成為最普遍的提取水體的方法。因為水體指數是利用各地物在不同波段的反射率不同的特性所組成的歸一化差值方法，而各遙感器的波段特性不一，所以目前存在著多種水體指數，常見的幾種水體指數如下：

（1）McFeeters（1996）借鑒NDVI的構思，提出了歸一化差異水體指數NDWI（Normalized Difference Water Index）[2]：

（2）徐涵秋（2005）在針對TM數據中城市、水體及其背景地物的反射特點分析的基礎上，提出了改進歸一化差異水體指數MNDWI（Modified NDWI）[3]：

（3）閆霈利用ETM+影像的Green、NIR和MIR構建了增強型水體指數EWI（Enhanced Water Index）[4]：

（4）丁鳳（2009）結合水體在NIR和MIR波段同時具有強吸收的特點，提出了新型水體指數NWI（New Water Index）[5]：

2.2 新型水體指數

通過仔細分析水體與其它地物的光譜特征發現，水體尚有以下2個在以往研究中未被充分挖掘和利用的光譜特征：（1）水體在藍光波段（Band 1）的反射要高于綠光波段（Band 2），以EWI水體指數構建為例，若采用藍光波段代替綠光波段，可以進一步擴大水體與其它地物的反差，且使得大部分水體的亮度值為正；（2）在眾多地物類型中，唯有水體具有如下特點，即水體在OLI影像的第6、7波段同時具有強烈的吸收，而植被、干土壤和建筑物等非水體地物在這幾個波段范圍內的反射則均高于水體。引入水體的上述兩個典型特征，本文提出了一種可用于提取水體信息的新型水體指數NWI8，其公式如下：

3 數據處理分析

為了測試新型水體指數對由海向陸硬化過程不同階段的區分能力，將41個水體樣本、27個灘涂樣本和207個人工填海地物樣本的地物光譜數據按照不同水體指數方法求值。這些求得的水體指數值在一定范圍內有集中分布的趨勢，在（-1，1）的區間上，以0.02為組距，分布頻率為縱坐標，各地物光譜經水體指數求出的值呈現出圖4的分布形式。這些水體指數值的總體特征參數取四位有效數字見表2。將地物值域相交區域的樣本個數與各自樣本總數相比可得到表2中的樣本混合比例。

從上圖和上表中，可以看出在新型水體指數方法下，按照Landsat 8波段特性計算出來的水體指數值，水體顯著區別于灘涂和人工填海地物，說明可以通過在設定一定的閾值下，有效地將水體信息提取出來。

對于灘涂和人工填海地物，新型水體指數都無法將它們完全區分開，NWI8對于它們的區分能力較好，分別達到了62.97%和54.11%。

4 結語

按照Landsat8波段特性，提出的新型水體指數NWI8在對實測地物光譜處理后，發現其可以較好地提取海岸帶地物信息，對于由海向陸硬化過程不同階段代表地物類型水體、灘涂和人工填海地物的區分也能到達較好水平，所以在Landsat8遙感數據條件下對海岸帶的圍填海活動進行監測時，可以選用NWI8。

參考文獻

[1] 徐涵秋，唐菲.新一代Landsat系列衛星：Landsat 8遙感影像新增特征及其生態環境意義[J].生態學報，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.利用改進的歸一化差異水體指數（MNDWI）提取水體信息[J]. 遙感學報，2005，9（5）：589-595.

[4] 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體信息的研究[J].遙感信息，2007（6）：62-67.

[5] 丁鳳.基于新型水體指數（NWI）進行水體信息提取的實驗研究[J].測繪科學，2009，39（4）：155-157.

[6] 趙英時.遙感應用分析原理與方法[M].北京：科學出版社，2003.

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

[8] 徐涵秋.從增強型水體指數分析遙感水體指數的創建[J]. 地球信息科學，2008，10（6） ：776-780.

[9] 王志輝，易善楨.不同指數模型法在水體遙感提取中的比較研究[J].科學技術與工程，2007，7（4）：534-537.