基于MODIS數(shù)據(jù)的曼谷洪水淹沒區(qū)信息提取

潘繼亞，王金亮（云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明650500）

基于MODIS數(shù)據(jù)的曼谷洪水淹沒區(qū)信息提取

潘繼亞，王金亮
（云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明650500）

選取2011年夏秋季3個時期的 MODIS圖像數(shù)據(jù)，通過方法比選，選取單波段閾值法對泰國開展了洪水淹沒區(qū)洪災(zāi)監(jiān)測研究。結(jié)果表明：①單波段閾值法比多光譜混合分析法更適用于曼谷洪水淹沒區(qū)水體信息提取。②曼谷洪水于2011年9月下旬明顯爆發(fā)，淹沒區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，尤其以市中心湄南河周圍最為明顯；10月下旬達(dá)到高峰，淹沒面積達(dá)到最大，全市各地區(qū)均陷入洪水災(zāi)害中；11月下旬水勢退去，淹沒面積逐漸變小。提出了須進(jìn)一步研究解決的問題。

MODIS；數(shù)據(jù)；處理；洪水；淹沒區(qū)；信息；曼谷

0 引言

洪水災(zāi)害是當(dāng)今世界上造成損失最大的自然災(zāi)害，據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)，每年全世界在各種自然災(zāi)害中，洪澇造成的損失占了 40％［1］。在洪澇災(zāi)害發(fā)生時，快速、準(zhǔn)確地提取水體信息，確定洪水淹沒范圍，為洪水的調(diào)度和防災(zāi)減災(zāi)決策提供依據(jù)，具有重要的意義［2］。

遙感技術(shù)在洪水監(jiān)測應(yīng)用中能克服監(jiān)測點(diǎn)稀少、分散，監(jiān)測過程費(fèi)時、費(fèi)力等缺點(diǎn)，在防洪救災(zāi)工作中正發(fā)揮越來越重要的作用［3］。洪水淹沒區(qū)信息的提取是遙感監(jiān)測中極為重要的方面。在防洪應(yīng)用中，獲得遙感數(shù)據(jù)后還有兩個問題亟需解決：一是數(shù)據(jù)處理，主要是影像的校正；二是水體提取，主要是洪水淹沒范圍的提取。

目前我國可用于洪水監(jiān)測的遙感資料主要有NOAA-AVHRR、TM、MODIS、SPOT和RADARSAT等。MODIS數(shù)據(jù)時間分辨率是0.5d，具有36個波段，覆蓋光譜范圍廣，在防汛應(yīng)用中具有廣闊的前景，對應(yīng)急處理有較大的實(shí)用價(jià)值［4］。

1 研究區(qū)概況

泰國位于亞洲大陸中南半島中南部，與柬埔塞、老撾、緬甸、馬來西亞接壤，東南臨泰國灣，西南瀕臨安達(dá)曼海。泰國國土總面積51.4萬km2，在東南亞國家中居第三位。

曼谷位于湄南河三角洲，湄南河下游，距暹羅灣40km，離入海口15km，全市面積1568km2。作為黃袍佛國泰國的首都，曼谷是全國政治、經(jīng)濟(jì)、文化、教育、交通運(yùn)輸中心，也是最大城市。曼谷城市地跨湄南河兩岸，地勢低洼，平均海拔不足2m。市內(nèi)河道縱橫，貨運(yùn)頻繁，有“東方威尼斯”之稱。曼谷港，是泰國和世界著名稻米輸出港之一。此外，曼谷還與中國的許多城市建立友好關(guān)系，如廣州、北京、上海，潮州等，跨國城際間的各種交往常年不斷。與曼谷相鄰的城市有佛統(tǒng)府、暖武里府、巴吞他尼府、龍仔厝府、北欖府、北柳府、坤西育府等。

泰國由于降水異常和地形排水不利等自然和人為因素頻發(fā)洪災(zāi)，特別是2011年夏秋之際的曼谷特大洪澇災(zāi)害，給曼谷人民帶來巨大的精神傷害和經(jīng)濟(jì)損失。利用MODIS數(shù)據(jù)提取曼谷洪水期間的淹沒區(qū)范圍，為洪水動態(tài)監(jiān)測提供依據(jù)具有重要意義。

2 資料來源和研究方法

2.1 資料來源及數(shù)據(jù)特點(diǎn)

MODIS數(shù)據(jù)是美國國家航天局（NASA）免費(fèi)提供的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，光譜范圍在0.4～14.4μm。數(shù)據(jù)有36個波段，其中2個波段的分辨率是250m，5個波段的分辨率是500m，其余29個波段的分辨率均是1000m。MODIS數(shù)據(jù)有較高的時空分辨率，是當(dāng)前洪水監(jiān)測極為有效的遙感數(shù)據(jù)。

MODIS數(shù)據(jù)的36個通道中，1、3、4、8～15波段在可見光范圍內(nèi)，水體到陸地的過渡性不明顯。在2、5、6、7、16～19、26通道，處于近紅外波段范圍，是水汽的強(qiáng)吸收帶，水體的反射率較低，對土壤、植被的反射率較高，所以在這些通道的單波段圖像上水陸界線比通道1、3、4、8～15影像更為清晰可辨［5］。

表2中列出了MODIS數(shù)據(jù)的36個通道之中對水體敏感的通道參數(shù)。

表1 MODIS各波段分布特征

表2 MODIS遙感數(shù)據(jù)中對水體敏感的通道參數(shù)

綜上，通道 2、5、6、7、16～19、26、27、28均為MODIS進(jìn)行水體提取適用的波段，對較大的水域，通道16、18是較好的選取波段，原因是這兩個通道的波段寬為0.01μm，能將極復(fù)雜的地物區(qū)分開；而對小水域范圍的提取，通道2則為最佳波段，因?yàn)橛兄?.03μm的波段寬度與250m的空間分辨率。

研究選取的影像為2011年9月17日—2011年12月15日，曼谷洪災(zāi)區(qū)3個時期MODIS圖像數(shù)據(jù)，共12幅。

2.2 水體識別方法遴選

本文對單波段閾值法和多光譜混合分析法進(jìn)行分析來研究曼谷水體信息的提取，并對比分析兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以選用較合適的曼谷洪災(zāi)水體提取方法。

2.2.1 單波段閾值法

單波段閾值法為提取水體最簡單易行的方法。基本原理是利用水體在近紅外波段上反射率低，容易與其它地物區(qū)分開來的特點(diǎn)。這個方法的缺點(diǎn)是無法將水體與山區(qū)陰影區(qū)分開，以致提取的水體往往比實(shí)際要多。

對單波段閾值法進(jìn)行運(yùn)用，要對幾類地物在幾個波段中灰度特征有一定了解，以此為基礎(chǔ)來反復(fù)檢驗(yàn)，獲得合適的閾值（表3）。

表3 水體、植被、土壤在單波段MODIS影像的灰度特征

2.2.2 多光譜混合分析法

多光譜混合分析法針對所選地區(qū)及周圍的典型地物（比如林地、陰影、居民地等）進(jìn)行分析，標(biāo)出它們在各個波段上的光譜值，查找出同一波段各地物的異同，必要時可對各波段進(jìn)行加、減、乘、除等運(yùn)算，找出只有水體才滿足的關(guān)系，以此來構(gòu)建水體提取的模型。

2.2.3 兩種方法的對比

本實(shí)驗(yàn)采用的250m分辨率MODIS影像只有兩個波段：第一波段紅光區(qū)，第二波段近紅外區(qū)。如采用多光譜混合分析法，由于波段數(shù)目少，會有很大的局限性。

單波段閾值法雖存在無法把水體和山區(qū)陰影區(qū)分開以致提取的水體比實(shí)際要多的缺點(diǎn)，但對于非山區(qū)的特定時相和區(qū)域，特別像MODIS這樣高光譜的遙感數(shù)據(jù)，用閾值法進(jìn)行試驗(yàn)，若能夠獲得較滿意的提取效果，則容易實(shí)現(xiàn)水體的自動提取。而且，近紅外波段上水體反射率較低，也易與其它地物區(qū)分。

所以，單波段閾值法為曼谷洪水信息提取的首選方法。

3 結(jié)果與分析

3.1 淹沒區(qū)信息提取

通過在ENVI中建立決策樹，對幾類地物在單波段MODIS影像的灰度特征有一定了解（表3）。由此為基礎(chǔ)反復(fù)檢驗(yàn)，獲得合適的閾值。圖1為利用MODIS數(shù)據(jù)第2波段即近紅外波段的閾值為0.19的單波段閾值法提取的水體信息結(jié)果。

在ENVI中提取完水體信息后，把圖導(dǎo)出，在Arcgis里面打開，建立屬性表，計(jì)算面積。泰國曼谷面積為1568.737km2，圖2所示為洪水淹沒范圍的面積時間圖。

圖1 洪水信息提取圖

圖2 淹沒范圍面積時間趨勢圖

從圖2中可看出淹沒范圍面積的動態(tài)變化，可知曼谷洪水于2011年9月下旬明顯爆發(fā)，淹沒區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，尤其以市中心湄南河周圍洪水面積最大且來勢洶涌；10月下旬達(dá)到高峰，淹沒面積達(dá)到最大，全市各地區(qū)均陷入洪水災(zāi)害中；11月下旬水勢退去，淹沒面積逐漸變小。

文中所用MODIS數(shù)據(jù)空間分辨率為250m，分辨率較低。故針對此缺點(diǎn)，下載了空間分辨率較高的級數(shù)為13級、空間分辨率為35m的數(shù)據(jù)，選取MODIS數(shù)據(jù)中洪災(zāi)后即2011年12月15日圖和與2012年5月10日稻歌影像中曼谷同一塊區(qū)域，比較提取的水體面積。2011年12月15日圖水體面積用單波段閾值法提取，面積為81.5km2，2012年5月10日稻歌影像水體面積用監(jiān)督分類提取，面積為75.95km2。面積相差5.55km2，但是基本吻合。

3.2 曼谷洪災(zāi)分析

2011年夏秋季曼谷發(fā)生半個世紀(jì)以來最嚴(yán)重的洪災(zāi)，除去全球氣候變化和國家抗災(zāi)能力等原因外，曼谷獨(dú)特地理位置和過度城市化也是主要原因：①泰國處于北部高原山區(qū)的迎風(fēng)坡，受到西南季風(fēng)的影響，來自海洋的水汽大量進(jìn)入，水汽主要在迎風(fēng)坡成云致雨，造成大量的雨降水。②泰國南部低洼的三角洲地區(qū)和中北部的低洼河谷由于排水不暢，可能出現(xiàn)水災(zāi)。③降水季節(jié)分配不均勻，主要集中于夏季而且多暴雨。④2011年副熱帶高壓比往年位置偏北，強(qiáng)度偏大，移動緩慢，導(dǎo)致泰國雨季持續(xù)。⑤泰國人口稠密，成災(zāi)損失大。

4 結(jié)語

MODIS是一個全新的遙感平臺，它的特點(diǎn)使得它在洪災(zāi)、水質(zhì)監(jiān)測中有廣闊的發(fā)展前景。本文只是從理論上對利用MODIS遙感數(shù)據(jù)提取水體的方法進(jìn)行了初步探討并應(yīng)用于曼谷洪災(zāi)淹沒區(qū)信息提取中，盡管只是理論探討，但這是進(jìn)行洪災(zāi)、水質(zhì)監(jiān)測的重要前提。

研究中還有很多需要進(jìn)一步解決的問題：①洪水期間獲得的影像很多都是有薄云覆蓋的，去除云的影響，可以提高信息提取的精度；②在克服MODIS數(shù)據(jù)空間分辨率不是很高的問題時，可以采取多遙感數(shù)據(jù)融合的方法，綜合運(yùn)用MODIS數(shù)據(jù)高時間分辨率和SPOT、TM等數(shù)據(jù)的高時間分辨率；③還應(yīng)研究如何利用新的MODIS遙感數(shù)據(jù)，建立水體提取模型。

［1］劉猛，張金存，魏文秋，等.洪災(zāi)的遙感調(diào)查方法研究［J］.長江職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，18（l）：18-20.

［2］馮銳.洪澇淹沒范圍的遙感監(jiān)測研究［J］.遼寧氣象，2002（4）：26-27.

［3］周紅妹，朱永，楊星衛(wèi)，等.應(yīng)用NOAA-AVHRR資料動態(tài)監(jiān)測洪澇災(zāi)害的研究［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，1999，11（2）：26-31.

［4］彭定志，徐高洪，胡彩虹，等.基于MODIS的洞庭湖面積變化對洪水位的影響［J］.人民長江，2004，35（4）：14-16.

［5］吳賽，張秋文.基于MODIS遙感數(shù)據(jù)的水體提取方法及模型研究［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2005（7）：1-4.

InformationExtractionoftheFloodedAreainBangkok BasedontheMODISData

PANJi-ya，WANGJin-liang
（CollegeofTourism＆GeographicalSciences，YunnanNormalUniversity，KunmingYunnan650500，China）

Flooddisastercausesoneoftheworld＇sgreatestlossesinallnaturaldisasters.Whentheflooddisasteroccurs，extractingwaterbodyinformationquicklyandaccuratelycouldidentifythescopeofthefloodtoprovideascientificbasisfordisasterreliefandpost-disasterreconstruction.TheMODISimagedatainthreetimeperiodsofthe summerandfallof2011wereselected.Asinglebandthresholdmethodandmultispectralmixtureanalysismethod wereappliedtoconductthefloodmonitoringresearch.Theresultsshowedthatasinglebandthresholdwasmore suitableforinformationextractionthanspectralmixtureanalysismethod.Thefloodin2011inBangkokoccurredin lateSeptember.Thesubmergedareaexpandedgradually，especiallyaroundthecenteroftheChaoPhrayaRiver.ThefloodedareareachedthemaximumwhenthefloodingwasatthepeakinthelateOctober.Thefloodreceded untilthelateNovember.Then，thefloodedareagraduallybecamesmaller.

MODIS；dataprocessing；threesolidphaseextraction；flood；floodedarea；information；Bangkok

X87

A

1673-9655（2015）03-0116-05

2014-10-16