基于遥感影像常见水提取方法比较

巩凌君

摘 要： 地理国情监测是综合利用全球卫星导航定位技术（GNSS）、航空航天遥感技术（RS）、地理信息系统技术（GIS）等现代测绘技术，综合各时期已有测绘成果档案，对地形、水系、交通、地表覆盖等要素进行动态和定量化、空间化的监测，并统计分析其变化量、变化频率、分布特征、地域差异、变化趋势等，形成反映各类资源、环境、生态、经济要素的空间分布及其发展变化规律的监测数据、地图图形和研究报告。地理国情监测通过对地理国情进行动态地测绘、统计，从地理的角度来综合分析和研究国情，为政府、企业和社会各方面提供真实可靠和准确权威的地理国情信息。作为重要的地理国情，水体批量提取的工作，十分必要。针对几种基于遥感影像的常见提取方法进行对比分析，寻找较为完善的方案。

关键词： ENVI;Landsat;  水体提取

【中图分类号】TP79 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.41.052

数据来源：

1、Landsat 8 是美国陆地卫星计划（Landsat）的第八颗卫星，于2013年2月11号发射成功。Landsat 8上携带陆地成像仪（Operational Land Imager，OLI）和热红外传感器（Thermal Infrared Sensor，TIRS）。OLI陆地成像仪共有9个波段，空间分辨率为30米。其中的短波红外波段，通常应用于分辨道路，裸露土壤，水，还能在不同植被之间有较好的对比度，并有较好的大气、云雾分辨能力。

2、TM影像是指美国陆地卫星Landsat4和Landsat5 携带的专题制图仪（thematic mapper）所获取的多波段扫描影像，包含7个波段。主要特点是具有较高空间分辨率、波谱分辨率、极為丰富的信息量和较高定位精度。美国的USGS网站提供最新的Landsat数据下载，产品几何精度比较高，不需要再进行几何校正，但仍需要辐射定标和大气校正。

1 数据预处理

1.1 在ENVI中通过data manager 工具查看影像的相关属性，确定研究区范围，确定选择的多光谱波段和区域平均高程。

1.2 辐射校正Radiometric Calibration

通过ENVI中的Toolboxs-Radiometric Correction-Radiometric Calibration。

1.3 大气校正Atmospheric Correction

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

2 数据处理

利用单波段阈值法、谱间关系分析法、水体指数法对水体进行提取。

2.1 单波段阈值法：

依据水体在不同波段光谱上的不同特征，以及其他地物与水体的区别，利用 landsat8OLI陆地成像仪的band 6 SWIR1短波红外波段进行水体的提取。具体步骤：

a）利用ENVI加载 band 6波段的全色图像后，在Cursor Value中查看水体的dn值，发现基本都在700以内，所以设置阈值为700。

b）利用 band math 添加公式：b1<700，并将b1赋以band 6波段。提取后黑色部分是水体提取的结果，白色高亮部分则是非水区域，其dn值统一为700。

2.2 谱间关系分析法：根据水体的（TM2+TM3）>（TM4+TM5）的特征，利用landsat8OLI陆地成像仪的band 3（green），band 4（red），band 5（near infrared），band 6（SWIR1）之间的波段计算，进行水体提取。具体步骤：

a）ENVI-Basic Tools-band math-b1+b2>b3+b4;分别对应TM3、TM4、TM5、TM6波段。

为了更好地提取水体，增加阈值，将公式修改为b1+b2-b3-b4>100。

2.3 水体指数法

水体指数法的基本原理是通过波段之间的比值运算增强某些地物之间的反差。根据水体在TM2具有较强的透射性，TM5属于水的吸收带内，归一化水体指数（NDWI）的计算式为，NDWI =（TM2- TM5）/（TM2+TM5），当满足NDWI>C 时所提取的地物为水体。具体步骤：

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

b）确定水体的NDWI范围： ENVI-Overlay-Region of Interest-ROI Tool-选择样本-确定范围;max=0.49 min=0.22。

c）波段运算输出提取图像：ENVI-Basic Tools-Band Math-b1<0.49，b1>0.22-NDWI的图像。

3 统计分析

3.1 根据影像，绘制出各种地物的反射波谱曲线。

ENVI——Spectral——Spectral Libraries——Spectral Library Builder（工具构建光谱库）。

3.2 分析比较

（1）单波段阈值法方法简单直接，但是无法区分阴影和水体，在山区密集地区，提取效果不佳。

（2）谱间关系分析法是国内较为常用的的提取办法，稳定性强。相对于单波段阈值法，谱间关系分析法改进了阴影区域的误提取，但是还是会有少许阴影区域被误提取，在城区附近，对于居民地也会存在一定的误提取。

（3）水体指数法（NDWI）提取时，像建筑物阴影这些信息与水体在绿光波段和近红外波段的特征较为相似，提取时会被误提取，干扰水体提取效果。在山区提取水体时，也不容易区分山体阴影和水体。但是在实际操作时，可以通过用中红外波段替换近红外波段，计算出的明显反差指数，降低阴影和居民地的影响，提高水提取的正确率，即改进的归一化差异水体指数（MNDWI）：MNDWI=（Green-MIR）/（Green+MIR）。

4 总结

单一的方法各有利弊，在实际操作中，针对各类问题，可以将各种方法有机结合，多次提取，提高水体的提取效果。例如在城市地区，可以利用改进的归一化差异水体指数（MNDWI）降低建筑居民地对水体的干扰，也可以先进行提取，但是利用光谱特征曲线查看居民地的亮度值，通过阈值设置，降低居民地影响。对于阴影问题，可以利用谱间关系分析法降低阴影区域的影响，再通过阈值提高提取精度，或者先分类，在提取初步结果后，再聚类，增强效果。在复杂区域，可以分块进行提取，在非山区的植被区域用NDWI指数提取，在建筑居民区用MNDWI指数提取，唉喊去和农林区域用谱间关系分析法，可以通过设置有效阈值来增强提取效果，真的注意的是，部分细小的水体不易区分，设置阈值时，较为困难，阈值过高会丢失细小水体，阈值过低，会误提非水体信息。

参考文献

[1] 吴文渊，沈晓华，雏乐君等.基于Landsat ETM+影像的水体信息综合提取方法[J].科技通报，2008.3.

[2] 杜培军.遥感原理与应用[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006.