基于遙感影像常見水提取方法比較

鞏凌君

摘?要： 地理國情監測是綜合利用全球衛星導航定位技術（GNSS）、航空航天遙感技術（RS）、地理信息系統技術（GIS）等現代測繪技術，綜合各時期已有測繪成果檔案，對地形、水系、交通、地表覆蓋等要素進行動態和定量化、空間化的監測，并統計分析其變化量、變化頻率、分布特征、地域差異、變化趨勢等，形成反映各類資源、環境、生態、經濟要素的空間分布及其發展變化規律的監測數據、地圖圖形和研究報告。地理國情監測通過對地理國情進行動態地測繪、統計，從地理的角度來綜合分析和研究國情，為政府、企業和社會各方面提供真實可靠和準確權威的地理國情信息。作為重要的地理國情，水體批量提取的工作，十分必要。針對幾種基于遙感影像的常見提取方法進行對比分析，尋找較為完善的方案。

關鍵詞： ENVI;Landsat; ?水體提取

【中圖分類號】TP79?【文獻標識碼】A?【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.41.052

數據來源：

1、Landsat 8 是美國陸地衛星計劃（Landsat）的第八顆衛星，于2013年2月11號發射成功。Landsat 8上攜帶陸地成像儀（Operational Land Imager，OLI）和熱紅外傳感器（Thermal Infrared Sensor，TIRS）。OLI陸地成像儀共有9個波段，空間分辨率為30米。其中的短波紅外波段，通常應用于分辨道路，裸露土壤，水，還能在不同植被之間有較好的對比度，并有較好的大氣、云霧分辨能力。

2、TM影像是指美國陸地衛星Landsat4和Landsat5 攜帶的專題制圖儀（thematic mapper）所獲取的多波段掃描影像，包含7個波段。主要特點是具有較高空間分辨率、波譜分辨率、極為豐富的信息量和較高定位精度。美國的USGS網站提供最新的Landsat數據下載，產品幾何精度比較高，不需要再進行幾何校正，但仍需要輻射定標和大氣校正。

1?數據預處理

1.1?在ENVI中通過data manager 工具查看影像的相關屬性，確定研究區范圍，確定選擇的多光譜波段和區域平均高程。

1.2?輻射校正Radiometric Calibration

通過ENVI中的Toolboxs-Radiometric Correction-Radiometric Calibration。

1.3?大氣校正Atmospheric Correction

Toolboxs-Radiometric Correction-Atmospheric Correction Module-FLAASH Atmospheric Correction。

2?數據處理

利用單波段閾值法、譜間關系分析法、水體指數法對水體進行提取。

2.1?單波段閾值法：

依據水體在不同波段光譜上的不同特征，以及其他地物與水體的區別，利用 landsat8OLI陸地成像儀的band 6 SWIR1短波紅外波段進行水體的提取。具體步驟：

a）利用ENVI加載 band 6波段的全色圖像后，在Cursor Value中查看水體的dn值，發現基本都在700以內，所以設置閾值為700。

b）利用 band math 添加公式：b1<700，并將b1賦以band 6波段。提取后黑色部分是水體提取的結果，白色高亮部分則是非水區域，其dn值統一為700。

2.2?譜間關系分析法：根據水體的（TM2+TM3）>（TM4+TM5）的特征，利用landsat8OLI陸地成像儀的band 3（green），band 4（red），band 5（near infrared），band 6（SWIR1）之間的波段計算，進行水體提取。具體步驟：

a）ENVI-Basic Tools-band math-b1+b2>b3+b4;分別對應TM3、TM4、TM5、TM6波段。

為了更好地提取水體，增加閾值，將公式修改為b1+b2-b3-b4>100。

2.3?水體指數法

水體指數法的基本原理是通過波段之間的比值運算增強某些地物之間的反差。根據水體在TM2具有較強的透射性，TM5屬于水的吸收帶內，歸一化水體指數（NDWI）的計算式為，NDWI =（TM2- TM5）/（TM2+TM5），當滿足NDWI>C 時所提取的地物為水體。具體步驟：

a）ENVI-Basic Tools-band math-（b2-b4）/（b2+b4）-NDWI圖像。

b）確定水體的NDWI范圍： ENVI-Overlay-Region of Interest-ROI Tool-選擇樣本-確定范圍;max=0.49 min=0.22。

c）波段運算輸出提取圖像：ENVI-Basic Tools-Band Math-b1<0.49，b1>0.22-NDWI的圖像。

3?統計分析

3.1?根據影像，繪制出各種地物的反射波譜曲線。

ENVI——Spectral——Spectral Libraries——Spectral Library Builder（工具構建光譜庫）。

3.2?分析比較

（1）單波段閾值法方法簡單直接，但是無法區分陰影和水體，在山區密集地區，提取效果不佳。

（2）譜間關系分析法是國內較為常用的的提取辦法，穩定性強。相對于單波段閾值法，譜間關系分析法改進了陰影區域的誤提取，但是還是會有少許陰影區域被誤提取，在城區附近，對于居民地也會存在一定的誤提取。

（3）水體指數法（NDWI）提取時，像建筑物陰影這些信息與水體在綠光波段和近紅外波段的特征較為相似，提取時會被誤提取，干擾水體提取效果。在山區提取水體時，也不容易區分山體陰影和水體。但是在實際操作時，可以通過用中紅外波段替換近紅外波段，計算出的明顯反差指數，降低陰影和居民地的影響，提高水提取的正確率，即改進的歸一化差異水體指數（MNDWI）：MNDWI=（Green-MIR）/（Green+MIR）。

4?總結

單一的方法各有利弊，在實際操作中，針對各類問題，可以將各種方法有機結合，多次提取，提高水體的提取效果。例如在城市地區，可以利用改進的歸一化差異水體指數（MNDWI）降低建筑居民地對水體的干擾，也可以先進行提取，但是利用光譜特征曲線查看居民地的亮度值，通過閾值設置，降低居民地影響。對于陰影問題，可以利用譜間關系分析法降低陰影區域的影響，再通過閾值提高提取精度，或者先分類，在提取初步結果后，再聚類，增強效果。在復雜區域，可以分塊進行提取，在非山區的植被區域用NDWI指數提取，在建筑居民區用MNDWI指數提取，唉喊去和農林區域用譜間關系分析法，可以通過設置有效閾值來增強提取效果，真的注意的是，部分細小的水體不易區分，設置閾值時，較為困難，閾值過高會丟失細小水體，閾值過低，會誤提非水體信息。

參考文獻

[1]?吳文淵，沈曉華，雛樂君等.基于Landsat ETM+影像的水體信息綜合提取方法[J].科技通報，2008.3.

[2]?杜培軍.遙感原理與應用[M].徐州：中國礦業大學出版社，2006.