GF-2影像中不同水體指數(shù)模型提取精度及穩(wěn)定性分析

劉雙童，王明孝，楊樹(shù)文，楊明澤，楊立華

(1. 蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070； 3. 蘭州精準(zhǔn)地形沙盤(pán)模型智能制造有限公司,甘肅 蘭州 730020;4. 68029部隊(duì)博士后科研工作站,甘肅 蘭州 730020)

2014年8月19日，高分二號(hào)(GF- 2)衛(wèi)星的成功發(fā)射實(shí)現(xiàn)了亞米級(jí)空間分辨率、多光譜綜合光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的獲取，成為我國(guó)遙感事業(yè)的里程碑。充分利用高分辨率遙感影像及時(shí)、精確獲取水體信息有利于水利規(guī)劃、水資源保護(hù)與監(jiān)測(cè)、洪澇災(zāi)害應(yīng)急救助等。目前常用的水體提取方法主要有單波段閾值法、歸一化差分植被指數(shù)法(NDVI)及各種水體提取指數(shù)法等，上述方法在中、低分辨率遙感影像上具有很好的適用性。

在高分影像研究中，文獻(xiàn)[1]以GF- 2影像為數(shù)據(jù)源，采用基于面向?qū)ο蠓治黾夹g(shù)，提出了一種選取最佳分割尺度和特征規(guī)則的方法，提取了杭嘉湖水網(wǎng)平原的水體。文獻(xiàn)[2]基于GF- 1衛(wèi)星影像對(duì)比分析了水體指數(shù)模型法、單波段閾值法、譜間關(guān)系法在河流水域面積提取上的差異，結(jié)果顯示水體指數(shù)閾值法對(duì)大型的河流、湖泊提取效果較好。文獻(xiàn)[3]利用GF- 2衛(wèi)星融合影像很好地識(shí)別了城鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)寬度較窄的河道岸線，并判定水面浮萍的存在。文獻(xiàn)[4]提出了基于LBV變換的水體提取方法。首先通過(guò)對(duì)GF- 2影像的LBV變換及其歸一化，得到了物理意義明確的L、B、V變換分量；然后利用這3個(gè)分量計(jì)算特征分量BL、BV，構(gòu)建了完整的水體提取方案。文獻(xiàn)[5]通過(guò)分形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化算法實(shí)現(xiàn)影像分割并借助ESP尺度分割工具選取特定地物的最優(yōu)分割尺度，隨后使用基于規(guī)則的面向?qū)ο蠓椒▽?shí)現(xiàn)了水體信息的精確提取。文獻(xiàn)[6]基于GF- 1、GF- 2遙感影像提出了一種基于面向?qū)ο蠛腿斯し淙旱牡乇硭w提取方法。該方法首先對(duì)遙感圖像進(jìn)行分割以獲取分割對(duì)象的光譜、比率、幾何形狀等統(tǒng)計(jì)特征，然后借助人工蜂群算法在解決復(fù)雜問(wèn)題最優(yōu)化方面的優(yōu)勢(shì)，選取水體同陰影二值分類(lèi)的幾何平均正確率作為算法的適應(yīng)度函數(shù)，最終獲取地表水體的最優(yōu)化提取規(guī)則。

本文以GF- 2影像為數(shù)據(jù)源，針對(duì)GF- 2影像波段的特點(diǎn)，利用不同的水體提取指數(shù)模型對(duì)兩個(gè)不同的研究區(qū)進(jìn)行水體試驗(yàn)，分析比較不同地區(qū)、不同水體提取模型及閾值對(duì)水體提取精度和穩(wěn)定性的影響，為后續(xù)利用GF- 2影像進(jìn)行水體提取試驗(yàn)提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

臨夏回族自治州位于甘肅省中部西南面，黃河上游，北與蘭州接壤，東臨洮河與定西相望,西倚積石山與青海省海東地區(qū)毗鄰，南靠太子山與甘南藏族自治州搭界。臨夏回族自治州是黃河上游重要的水源補(bǔ)給區(qū)，州內(nèi)河流都屬黃河水系。黃河流經(jīng)臨夏州境內(nèi)約103 km，一級(jí)支流有洮河、大夏河、湟水河等，有黃河三級(jí)以上支流30多條[7]。文中選取兩個(gè)不同區(qū)域的水體，研究區(qū)1為城市區(qū)域水體，研究區(qū)2為山區(qū)水體，如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本文采用的GF- 2數(shù)據(jù)源為2017年11月11日獲取的PMS2、LEVEL1A級(jí)別影像，影像無(wú)云覆蓋且成像質(zhì)量良好。在ENVI 5.3軟件中對(duì)GF- 2影像進(jìn)行預(yù)處理，主要包括輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、正射校正及圖像融合。其中圖像融合采用NNDiffuse Pan Sharpening方式，該方式獲取的融合結(jié)果對(duì)于色彩、紋理和光譜信息，能夠得到很好的保留[8- 11]。

2 水體提取方法與結(jié)果

2.1 水體提取指數(shù)模型

(1) 單波段閾值法(NIR)。在近紅外波段水體與其他地物的灰度值差距最大，使水體能夠與非水體信息較好地分離。因此，單波段閾值法主要利用對(duì)水陸界線反映較好的近紅外波段，根據(jù)影像的灰度特征經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采樣確定閾值進(jìn)行水體的提取。GF- 2影像提取模型如下

B4

(1)

式中，B4表示近紅外波段的灰度值；T為水體提取的灰度閾值。

(2) NDVI法與NDWI法。許多學(xué)者利用歸一化植被指數(shù)法(NDVI)來(lái)提取水體信息，在GF- 2衛(wèi)星影像中，即第4波段與第3波段灰度值的差與和的比值，即

NDVI=(B4-B3)/(B4+B3)

(2)

歸一化水體差異指數(shù)(NDWI)的構(gòu)建，是依據(jù)水體信息在綠光波段及近紅外波段有較強(qiáng)的反射和吸收的特性，建立的水體信息提取方法[12]。即第2波段與第4波段灰度值差與和的比值，以GF- 2影像數(shù)據(jù)為例，其式如下

NDWI=(B2-B4)/(B2+B4)

(3)

(3) SWI法和MSWI法。陰影水體指數(shù)法(SWI)是在文獻(xiàn)[13]中提出的。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，水體反射率總體較低，一般為4%～5%，且有著隨波長(zhǎng)增大而降低的特點(diǎn)。水體反射率在綠波段與藍(lán)波段表現(xiàn)最高，近紅外波段最低，幾乎被完全吸收，依據(jù)此特點(diǎn)構(gòu)建了SWI法，即

SWI=B1+B2-B4

(4)

改進(jìn)的陰影水體指數(shù)法(MSWI)由王瑾杰等在陰影水體指數(shù)法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)[14]。根據(jù)GF- 2影像4個(gè)波段對(duì)水體反射率表現(xiàn)出的不同特性，反射率最高的藍(lán)波段與反射率最低的近紅外波段灰度值之差，再除以近紅外波段，能夠加大水體與陰影之間的區(qū)分，結(jié)合單波段閾值法構(gòu)成決策樹(shù)能夠取得更好的水體提取結(jié)果。MSWI法如下

MSWI=(B1-B4)/B4

(5)

式中,B1、B2、B4分別表示GF- 2影像中的藍(lán)色波段、綠色波段和近紅外波段。上述兩種方法一定程度上能夠區(qū)分陰影和水體，提高水體提取的精度。

2.2 水體提取結(jié)果

分別采用上述5種方法對(duì)2個(gè)研究區(qū)進(jìn)行水體信息提取，提取結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

從圖2可知，研究區(qū)1范圍內(nèi)有建筑物等地物及陰影，在提取水體時(shí)效果受到一定程度的影響，其中NDWI法提取效果最好。圖3對(duì)于山區(qū)中水體，5種方法都能得到較好的提取效果。由此可知同一種提取方法在不同的區(qū)域具有不同的適用性，選擇水體提取方法時(shí)應(yīng)有針對(duì)性。

3 不同指數(shù)模型水體提取精度分析

為比較不同水體提取模型提取水體的精度和穩(wěn)定性，分別計(jì)算研究區(qū)1和研究區(qū)2水體采樣區(qū)內(nèi)各指數(shù)模型的最小值、最大值和平均值，見(jiàn)表1、表2。

表1 研究區(qū)1不同提取指數(shù)模型水體區(qū)域數(shù)值

表2 研究區(qū)2不同提取指數(shù)模型水體區(qū)域數(shù)值

將最大值和最小值的差值100等分，記為d；分別以平均值m、m+d、m-d、m+2d和m-2d作為分割的閾值，計(jì)算各指數(shù)模型的總體精度和Kappa系數(shù)所能達(dá)到的最大值。最后以目視解譯的水體真值做為參考，將各指數(shù)提取結(jié)果與其建立誤差矩陣，從而利用Kappa系數(shù)和總體精度2個(gè)指標(biāo)分析比較2個(gè)不同研究區(qū)水體提取模型的提取精度和穩(wěn)定性[16]。研究區(qū)1和研究區(qū)2閾值對(duì)不同水體提取模型的提取精度影響見(jiàn)表3、表4。

表3 研究區(qū)1閾值對(duì)不同水體提取模型的提取精度影響

表4 研究區(qū)2閾值對(duì)不同水體提取模型的提取精度影響

從表3中可以看出，當(dāng)選用一定的閾值時(shí)，上述5種模型水體提取所能達(dá)到的精度由高到低依次為NIR、SWI、MSWI、NDWI、NDVI。相同的閾值變化程度下，閾值對(duì)精度穩(wěn)定性影響最大的是SWI法，即在用SWI法對(duì)水體提取時(shí)，只要閾值稍微有波動(dòng)，就會(huì)對(duì)精度造成較大的影響。穩(wěn)定性最好的為NIR單波段閾值法。

表4中可以發(fā)現(xiàn)，5種模型水體提取所能達(dá)到的精度由高到低依次為MSWI、NDWI、NDVI、SWI、NIR。相同的閾值變化程度下，閾值對(duì)精度穩(wěn)定性影響最大的為NDVI法。當(dāng)閾值發(fā)生5個(gè)相同的變化程度時(shí)，總體精度相差值為13.93。穩(wěn)定性最好的為NIR單波段閾值法。

綜合分析表3和表4可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的研究區(qū)域，相同的提取模型所能達(dá)到的提取精度不同，閾值對(duì)精度的影響程度也不同。研究區(qū)1中當(dāng)選用一定的閾值時(shí)NIR法精度最高，閾值對(duì)其精度的穩(wěn)定性影響最小；NDVI法提取精度最低，閾值對(duì)SWI法精度的影響程度最高。研究區(qū)2中MSWI法提取精度最高，NIR法提取精度最低；閾值對(duì)NDVI法提取精度影響最大，對(duì)NIR影響最小。

4 結(jié) 論

(1) 本文選用了5種不同的水體提取方法，對(duì)2個(gè)不同研究區(qū)進(jìn)行了水體信息提取，并分析比較了提取結(jié)果。在對(duì)城區(qū)中的水體進(jìn)行提取時(shí)，受城區(qū)建筑物、陰影等因素的影響，5種方法提取效果大不相同，在研究區(qū)1中NDWI法水體提取效果最好。研究區(qū)2中由于沒(méi)有建筑物等地物因素的影響，5種方法的提取效果相當(dāng)，并沒(méi)有太大的差距。

(2) 利用水體指數(shù)模型提取水體時(shí)，閾值的選取影響著水體提取的精度。通過(guò)計(jì)算各指數(shù)模型相同變化幅度下的總體精度和Kappa系數(shù)所能達(dá)到的最大值，分析了閾值在2個(gè)研究區(qū)內(nèi)對(duì)于不同的指數(shù)模型的水體提取精度及穩(wěn)定性。結(jié)果顯示相同閾值變化范圍內(nèi)，不同指數(shù)模型在同一研究區(qū)內(nèi)閾值對(duì)水體提取精度的影響程度不同；相同水體指數(shù)模型在不同研究區(qū)內(nèi)閾值對(duì)水體提取精度影響程度也不同。