基于多波段dn值比較法的博斯騰湖水體信息提取

基于多波段dn值比較法的博斯騰湖水體信息提取

干旱地區(qū)湖泊是自然和人類經(jīng)濟活動體系中的一個最終環(huán)節(jié)，它們以流域為單位進(jìn)行水循環(huán)。這不僅是干旱地區(qū)氣候的象征，而且對內(nèi)陸河流域生態(tài)氣候和環(huán)境條件的變化極為敏感。其生物和生態(tài)系統(tǒng)可以盡快干擾人類活動。人類與湖泊水體和諧共處,是干旱區(qū)經(jīng)濟社會和人的全面發(fā)展不可缺失的重要條件之一。當(dāng)前,對內(nèi)陸干旱區(qū)資源與環(huán)境變化進(jìn)行研究的一個熱點與重點就是湖泊水體的動態(tài)監(jiān)測。目前,隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,人們對湖泊水體的監(jiān)測已從傳統(tǒng)水文觀測站網(wǎng)監(jiān)測發(fā)展到結(jié)合遙感影像的綜合監(jiān)測階段。采用獲取信息周期較短、監(jiān)測范圍廣泛的遙感技術(shù),能快速、準(zhǔn)確地提取湖泊水體信息,從而對水資源進(jìn)行宏觀監(jiān)測,該技術(shù)已在洪水淹沒范圍調(diào)查、濕地保護(hù)、海岸線變化等方面得到了廣泛運用。在利用衛(wèi)星遙感影像提取湖泊水體信息方面,國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。利用Landsat遙感數(shù)據(jù)提取水體信息的方法大致可以分為2類:單波段閾值法和多波段譜間關(guān)系法。單波段閾值法即利用水體影像數(shù)據(jù)在某單個波段的光譜特征來設(shè)定閾值,提取水體信息,是早期使用的方法。1985年,Juppd等通過分析影像直方圖,在TM7波段使用閾值法提取出水體信息。1990年,Moller-Jensen通過對TM4、TM5設(shè)定經(jīng)驗閾值,識別水體。1992年,陸家駒等利用TM5設(shè)定閾值,采用密度分割法識別水體,但效果不佳,只能識別面積大于4000m2的水體。1998年,Braud等在對路易斯安娜海岸線的研究中,對各種波段閾值分割方法進(jìn)行了評估,并提出對TM5進(jìn)行閾值劃分是最適合的方法。2000年,Frazier等在探測澳大利亞Wagga湖泊區(qū)域工作中指出,相對于TM4和TM7來說,TM5閾值分割提取水體信息的精度較高,但是卻不能精確地提取細(xì)小的水體信息。這類方法均是根據(jù)影像單個波段中水體值低于或高于其他地物值來設(shè)定閾值,提取出水體信息,其缺點是水體與非水體之間的過渡區(qū)會被忽略,無法滿足提取細(xì)小水體的要求。多波段譜間關(guān)系法是近年來國內(nèi)外使用較多的方法。1996年,McFeeters利用歸一化水體指數(shù)(NDWI)抑制植被和土壤信息,以提取水體。2005年,徐涵秋認(rèn)為,NDWI難以抑制土壤和建筑物信息,提出了改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)(MNDWI),并建議在部分城區(qū)建筑區(qū)域用MNDWI>k(k為下限閾值)來提取水體信息。1998年,楊存建等發(fā)現(xiàn),在TM各波段影像中,水體具有綠色波段(Green)+紅色波段(Red)>近紅色波段(NIR)+紅外波段(SWIR)的特征。2006年,Ouma等在描繪東非裂谷內(nèi)的湖泊岸線時,認(rèn)為歸一化差異水體指數(shù)(NDWI3)和纓帽變換的濕度分量(TCW)能較其他水體指數(shù)更好地劃分岸線,于是將兩者結(jié)合進(jìn)行水體邊界識別。多波段譜間關(guān)系法是利用水體在不同波段的波譜特性,通過多波段運算來增強影像中的水體信息,使得在增強圖中水體值高于非水體地物值,從而設(shè)定下限閾值,進(jìn)而提取水體信息。但是,這類方法存在2個問題:第一,由于部分細(xì)小水體在影像中以混合像元的形態(tài)存在,而且存在水體和非水體地物過渡區(qū),閾值難取,如果閾值過高將丟失細(xì)小水體信息;而閾值過低,會將其他地物信息提取出來。第二,各種方法增強效果均有區(qū)域局限性,如在地類復(fù)雜的區(qū)域中,NDWI只在非山地的植被區(qū)域較好,而MNDWI、TCW、NDWI3在建筑居民用地區(qū)域提取效果較好,但卻難以區(qū)分部分山體陰影和水體。為了有效地提取內(nèi)陸湖泊水體信息,本研究以我國最大的內(nèi)陸淡水湖———博斯騰湖為例,以LandsatETM+影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將其與GPS定位數(shù)據(jù)相結(jié)合,通過多波段像元值(Digitalnumber,DN)比較方法提取水體信息,旨在提出一種適合于內(nèi)陸湖泊水體信息提取的方法。1研究區(qū)域的概況和數(shù)據(jù)來源1.1博斯騰湖大湖博斯騰湖位于天山東段南坡焉耆盆地南側(cè)最低洼處,地理坐標(biāo)為東徑86°40′~87°56′,北緯41°56′~42°14′,它既是開都河的尾閭,又是孔雀河的發(fā)源地,是我國最大的內(nèi)陸淡水湖,也是新疆最大的湖泊,在水位為1048.75m時,水域面積為1002.4km2,容積為88×108m3。博斯騰湖分大、小2個湖區(qū),大湖區(qū)是湖體的主要部分,在大湖區(qū)的西南部還有一連串的淺泊,由蜿蜒的孔雀河所貫穿,周圍為葦湖區(qū),習(xí)稱小湖葦區(qū)。小湖葦區(qū)面積363.94km2,其中水域面積44.54km2,葦沼面積39.22km2,相間的鹽堿地和牧地等39.22km2。此外,在大湖西北部和黃水灣一帶,由于農(nóng)田排水散流到這一片低洼地,此區(qū)曾逐漸形成了獨立的蘆葦、沼澤區(qū),總面積達(dá)131.94km2,其中水面17.03km2,葦沼107.76km2,相間堿地和荒地7.15km2。但近年來,經(jīng)人為控制后,這部分葦沼面積已大為減少。1.2wrs214/331的影像特征為了盡量減少天氣對遙感影像數(shù)據(jù)的影響,根據(jù)研究區(qū)天氣預(yù)報情況分別選用了LandsatETM+的2012-09-02條帶WRS2143/031和2012-09-11條帶WRS2142/031的影像數(shù)據(jù)。并在遙感影像數(shù)據(jù)被拍攝的同一天用OREGON550GPS接收器進(jìn)行樣點采集。1.2.1遙感圖像數(shù)據(jù)1.2.2采樣點組成的虛線湖水水體信息的提取主要是判別出非水體與水體。為了判別博斯騰湖水體和非水體,通過研究區(qū)的假彩色合成圖像,采用目視判讀法采集了142個水體采樣點和858個非水體采樣點(圖1)。在博斯騰湖水體和非水體之間的湖岸線上,于ETM+影像圖被拍攝的當(dāng)日,分別在博斯騰湖的金沙灘旅游區(qū)附近、黃水溝流入大湖處東部、開都河?xùn)|支流入大湖處東部、大湖和小湖水壩的東部、揚水站附近、白鷺洲附近和大湖最東端部分等地,在水體和非水體之間的邊界線上采集了1216個定位數(shù)據(jù)。這些采樣點組成的虛線代表實際湖岸線,其主要用于水體信息提取結(jié)果的檢驗。湖岸線采樣點的分布情況如圖1所示。2提取不同水體的信息的方法、結(jié)果的比較2.1圖像數(shù)據(jù)dn因為波段的增加不僅會造成數(shù)據(jù)量增大,使計算復(fù)雜化,而且波段信息間存在很大的相關(guān)性,導(dǎo)致有用信息和噪聲誤差同步增加。在LandsatETM+的8個波段中,考慮到分辨率和大氣干擾問題,本文只對研究區(qū)LandsatETM+數(shù)據(jù)的前5個波段遙感圖像進(jìn)行光譜特征DN值統(tǒng)計分析,結(jié)果如表1所示。從表1可以看出,研究區(qū)LandsatETM+的前5個波段遙感影像DN值不僅能滿足水體DN≤非水體DN,而且水體的DN值還能滿足條件:Blue>Green>Red>NIR>SWIR。2.2采樣點優(yōu)選的多譜間關(guān)系法通過實地考察,將博斯騰湖水體與非水體之間的過渡帶分為水體、湖濱濕地、蘆葦為主的植被、紅柳為主的植被、鹽漬化地等類型。湖水水體信息的提取主要是判別出水體與非水體的過程。在博斯騰湖過渡帶水體、湖濱濕地、蘆葦為主的植被、紅柳為主的植被和鹽漬化地等地上隨機抽取10個采樣點,對這些采樣點在LandsatETM+遙感影像前4個波段的DN值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)水體和過渡帶不同非水體物的DN值分布情況存在比較明顯的差異,即水體和非水體的DN值曲線不僅排列循序不同,而且其取值范圍也有較大的差距(圖2)。通過ArcGIS的柵格計算(Rastercalculator)功能,多次進(jìn)行試驗,將提取的水體與非水體之間的邊界線逼近已定位獲取的1216個湖岸線上的采樣點,發(fā)現(xiàn)前4個波段的譜間關(guān)系效果為:Blue≥Green>Red≥NIR。因這種水體信息提取的多波段譜間關(guān)系表達(dá)式及結(jié)果與已有的多光譜譜間關(guān)系法NDWI、MNDWI、楊存建等提出的方法和NDWI3等具有明顯的差別,并且它主要通過比較各波段的DN值來提取水體信息,故將其命名為多波段DN值比較法(Comparisonofbandsdigitalnumber,CBDN)。該法對博斯騰湖水體信息的提取結(jié)果如圖3-A所示。2.3提取其他一般水域信息的結(jié)果2.3.1閥值法有利于根據(jù)所具有的反射特征實現(xiàn)水體的信息提取由于水體幾乎吸收了NIR和SWIR波段的全部入射能量,所以其在這2個波段的反射能量很少,而植被和土壤在這2個波段內(nèi)的吸收能量很少,而且有較高的反射特征,這使得水體和非水體有明顯區(qū)別。閥值法就是基于這種反射特征的差異而完成水體信息提取的。單波段閥值法的關(guān)鍵是閥值的確定,而閥值的確定至今都是一個難點,最佳閥值是經(jīng)過反復(fù)試驗得到的。本研究利用SWIR波段(LandsatTM+的第5波段)影像,通過閥值法提取的湖岸線逼近湖岸線樣點確定閥值,其值為SWIR≤31。圖3-B為單波段閥值法提取博斯騰湖水體信息的結(jié)果。2.3.2博斯騰湖水體信息的提取(1)NDWI方法。NDWI的計算公式為:NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)。由于水體的反射從可見光到中紅外波段逐漸減弱,在NIR和SWIR波長范圍內(nèi)吸收性最強,幾乎無反射;另外由于植被在NIR波段的反射率一般最強,因此采用Green波段與NIR波段的比值可以最大程度地抑制植被的信息,從而達(dá)到突出水體信息的目的。采用此方法提取博斯騰湖的水體信息,結(jié)果見圖3-C。從圖3-C可以看出,該方法提取了幾乎所有的水體區(qū)域。但是,此方法存在將山地、戈壁灘和大部分的沙漠地誤提為水體的問題。(2)MNDWI方法。徐涵秋通過分析Landsat影像波段特征,提出改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)法(MNDWI),以達(dá)到弱化建筑物和土壤影響,增強水體信息的目的。其計算公式為:MNDWI=(Green-SWIR)/(Green+SWIR)。圖3-D為MNDWI法對博斯騰湖水體信息提取結(jié)果。從圖3-D可以看出,該方法在提取大部分水體信息的同時,還將土壤濕度較高的鹽漬化地也誤提為水體。(3)譜間關(guān)系法。根據(jù)水體具有Green+Red>NIR+SWIR的特征,楊存建等提出了新的譜間關(guān)系法,這種方法易操作且穩(wěn)定性好。本研究采用此方法對博斯騰湖水體信息進(jìn)行提取,提取結(jié)果見圖3-E。從圖3-E可以看出,該方法提取的結(jié)果與NDWI方法相似,不同的是它誤提的沙漠和戈壁灘范圍比NDWI小。(4)NDWI3方法。2006年,Ouma等在描繪東非裂谷內(nèi)的湖泊岸線時,認(rèn)為NDWI3((NIR-SWIR)/(NIR+SWIR))和TCW較其他水體指數(shù)更好地劃分岸線,于是將兩者結(jié)合起來識別水體邊界。圖3-F為NDWI3提取的博斯騰湖水體信息的結(jié)果。從圖3-F可以看出,這種方法不僅提取了全部水體信息,而且將大部分灌溉區(qū)和濕地區(qū)也誤提為湖水范圍。2.4水體和非水體邊界線用GPS接收器分別在博斯騰湖的金沙灘旅游區(qū)附近、黃水溝流入大湖處東部、開都河?xùn)|支流入大湖處東部、大湖和小湖水壩的東部、揚水站附近、白鷺洲附近和大湖最東端部分等地,在水體和非水體之間的邊界線上采集1216個定位數(shù)據(jù),將這些定位數(shù)據(jù)組成的虛線作為實際水體和非水體邊界線,驗證對比CBDN方法、單波段閥值法、NDWI方法、MNDWI方法、譜間關(guān)系法和NDWI3方法的結(jié)果。圖4是用以上6種方法分別提取的博斯騰湖金沙灘旅游區(qū)東南部湖岸同一區(qū)域的水體信息的結(jié)果。從圖4可以看出,采用CBDN方法提取的水體和非水體邊界線基本上與實際湖水邊界線一致,能將比較復(fù)雜的湖水岸線曲折情況反映出來,可比較完美地判別出水體和非水體(圖4-a)。其次,單波段閥值法的結(jié)果也是比較理想的。但存在將一些非水體誤提為水體或?qū)⒁恍┧w誤提為非水體的的現(xiàn)象(圖4-b)。在NDWI方法和譜間關(guān)系法提取結(jié)果中,許多非水體被誤提為水體(圖4-c,d)。MNDWI方法和NDWI3方法的提取結(jié)果比較好(圖4-e,f),它們提取的水體輪廓線比較接近實際水體和非水體之間的邊界線,但也有部分非水體被包含在水體范圍之內(nèi)。3種方法提取的非水體精度的比較通過假彩色合成圖像采用目視判讀法,并結(jié)合野外GPS定位,在水體上采樣142個點,在非水體上采樣858個點,用ArcGIS的采樣(Sample)功能將這些采樣點疊加在6種提取方法的提取結(jié)果圖上,進(jìn)行精度分析,其結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,NDWI、MNDWI和NDWI3方法的水體信息提取精度均比CBDN、單波段閥值法和譜間關(guān)系法高。其原因是這3種方法提取的水體范圍比實際水體范圍大,不僅將過渡帶上僅有小塊水體區(qū)的30m×30m的像元全部誤提為水體,還將部分或大部分湖濱濕地、蘆葦為主的植被區(qū)、紅柳為主的植被區(qū)、鹽漬化地等非水體也判別為水體,從而使得大部分非水體采樣點落在水體采樣點范圍內(nèi)。而NDWI、MNDWI、譜間關(guān)系法、NDWI3方法提取的非水體精度都比CBDN方法和單波段閥值法低。從總體精度來看,最高的是CBDN提取方法,為99.29%,其次為單波段閥值法,其精度為97.65%。因此,在內(nèi)陸湖泊的水體信息提取方面,CBDN和單波段閥值法提取效果最佳,特別是CBDN法,它不僅能比較正確地提取水體信息,而且提取的水體與非水體之間的邊界線非常接近實際湖岸邊界線,能滿足當(dāng)今內(nèi)陸干旱區(qū)資源與環(huán)境變化研究的熱點與重點—