航空影像水体提取在地理国情监测中的应用

彭树标，尹 凡，卢 刚，张 汛，熊鹏波

（1.江苏省测绘工程院，江苏 南京210013；2.卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室，江苏南京 210013；3.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉430079）

航空影像水体提取在地理国情监测中的应用

彭树标1,2,3，尹 凡1,2，卢 刚1,2，张 汛1,2，熊鹏波1,2

（1.江苏省测绘工程院，江苏 南京210013；2.卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室，江苏南京 210013；3.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉430079）

为提高实际生产中地表覆盖水体采集的工作效率，研究以四波段航空影像为基础，结合已有的DLG数据，采用归一化水体指数（NDWI）识别水体，利用均值差探查水体边界，通过分块处理的方法规避了航空影像各区域光谱差异的问题，最终得到与DOM套合较好的水体解译成果。为满足批量生产的需求，运用了统计学的方法实现各阈值的自动提取。该方法可提升工作效率30%～40%。

地理国情监测；航空影像；水体自动提取；遥感

地理国情，即以地球表层自然、生物和人文现象的空间变化和它们之间的相互关系、特征等为基本内容，对构成国家物质基础的各种条件因素进行宏观性、整体性、综合性的调查、分析和描述[1]。地表覆盖是地理国情监测的基础，目前一般采用人工判读绘制的方法，效率较低。特别是在江南地区，水体覆盖采集的工作量很大，研究较为可靠的水体自动提取方法有着较大的实际意义。

对于水体信息的提取，国内外学者使用不同方法进行了大量而深入的研究[2,3]，其常用的方法有单波段阈值法[4]、波段组合比值法[5]、NDWI[6,7]。针对水体指数，徐涵秋在NDWI的基础上提出了改进的归一化水体指数（MNDWI），其水体信息提取精度明显提高[8]。沈占锋[9]等利用高斯NDWI对伊犁河试验区河流信息进行提取，实现对复杂河流水体信息进行自动提取。针对地理国情地表覆盖的水体提取，曹子荣[10]应用卫星影像进行了相关研究，其最终解译结果未能与DOM较好地套合，但可作为生产过程中重要的参考资料。

本研究以四波段航空影像为基础，结合已有DLG数据，采用NDWI识别水体，利用均值差探查水体边界，通过分块处理的方法规避了航空影像各区域光谱差异的问题，最终得到与DOM套合较好的水体解译成果。为满足批量生产的需要，还运用统计学的方法实现各阈值的自动提取。利用本方法的水体提取成果，结合人工编辑后可提升工作效率30%～40%。

1 研究区与研究数据

江苏省位于中国东部沿海地区，东经116°18'~ 121°57'、北纬30°45'~35°20'之间，属于温带向亚热带的过渡性。江苏跨江滨海，河湖众多，水网密布，素有“水乡江苏”之称。

试验所用航空影像为2012-04采用UltraCam-Xp WA型数字航摄仪拍摄的四波段影像拼接而成的数字正射影像影像，航摄仪光谱波段参数如表1所示。体，道路及房屋层）。影像平面坐标系为2000国家大地坐标系，高程基准采用1985国家高程基准，高程系统为正常高。分幅DOM数据采用高斯-克吕格投影，按3°分带。本研究对灌南县、江阴市、张家港市、太仓市、昆山市、常熟市、吴江市进行了实验研究。

表1 UltraCam-Xp WA型数字航摄仪波段参数

2 研究方法

2.1 NDWI

根据水体的遥感光谱特征：水体在可见光波段吸收少、反射率低、大量透射，而在近红外、中红外波段几乎吸收全部的入射能量[11]。根据水体的这一光谱特征，许多水体指数模型被提出，其中最经典的为NDWI，其计算公式为：

式中，BandGreen代表绿波段；BandNir代表近红外波段。NDWI的计算，抑制了陆地植被等信息而突出了水体信息；同时，在NDWI的计算过程中，统一对NDWI数值进行拉伸，可使不同传感器、不同成像条件的影像也可获得具有可比较的、相近统计特性的NDWI 影像波段，便于区分影像中的水体信息。

2.2 分块处理与阈值自动计算

航空影像每幅因拍摄时气象等各条件的不同而产生一定的差异，且同一幅图各区域的光谱特征也难以完全相同。在批量数据处理时，阈值的设置及方法的适用性是一大难题，因此，根据当前影像的相关信息获得合适的识别阈值是解译精度是否良好的关键因素。阈值自动提取主要采用统计的方法，通过统计区域均值与标准差，并利用均值与标准差的关系建立合适的阈值。阈值的自动提取在本研究中体现为2个方面：①在一个图幅内，通过阈值选择ROI；②在对ROI分块处理时，根据每一块区域设定不同的阈值，从而提升识别精度。

2.3 边界提取

地理国情地表覆盖对绘图精度要求较为严格，影像上分界明显的地表覆盖分类界线和地理国情要素的边界以及定位点的采集精度应控制在5个像素以内。因此，水体边界的准确提取是本研究的重点和难点。

水体指数的使用在一定程度上放大了水体的光谱特征，但有时因噪声干扰等因素难以取得一个较好的阈值而使得水体各边界都能较好地提取。在提取了水体种子后，使用平均差计算某一像元与其邻近的被识别为水体的像元的关系向外增长至水体边缘。

2.4 提取水体处理流程

1）利用Ecognition软件进行100尺度的多尺度分割，对全图进行统计后，计算各对象的NDWI，根据NDWI寻找水体的感兴趣区（region of interest,ROI）。

2）分别将每一个ROI复制到新的图层，对每一块区域进行单独处理，先对区域内的ROI区域进行棋盘分割，再运用统计学相关方法自动计算各区域的阈值，搜索水体种子。

3）通过对水体种子内的像元进行统计，利用正态分布均值与标准差的关系设置均值差的阈值，再以此阈值为容差向外逐像元增长寻找水体边缘。

4）对提取结果再次进行统计分析，利用正态部分中均值与标准差的关系剔除错误的像元，合并整理得到最终成果（图1）。

图1 水体边缘处理流程

3 结果与分析

3.1 实验结果

通过自动运算，得到与DOM水体套合较好的水体数据。为了统计提取成果对生产作业的帮助，根据其需要修改的幅度分为直接可用、简单修改、较多修改、无法使用4种。其典型代表示例如图2所示。

图2 水体提取结果评价典型示例

直接可用，指解译结果与DOM套合较好，可直接使用，此种类型可较大地提升工作效率；简单修改，指解译结果与DOM套合基本较好，但部分位置需人工编辑，修改量较小。较大修改指解译结果不完全准确，需要较多的人工修改。无法使用指解译结果因影像质量、噪声干扰或其他因素影响，错误较多，修改费时较多，建议不使用。

本研究以测绘部门已有DLG数据为参考，旨在传统地图绘制的基础上提升工作效率。因此，对精度的分析主要体现在水体识别精度与边缘准确度2个方面。由于有较近时期的DLG数据为参考，水体定性识别精度较高。对于水体边界精度的考量主要体现在提升原有工作效率上，为此随机选取了7个测区的1∶ 1 万图幅进行测试，并对所有结果进行人工统计，如表2所示。

表2 试验结果评价统计/%

3.2 分 析

本方法采取先提取ROI再分块进行处理的主要原因在于，测绘对成果精度的较高要求。由于航空影像自身特点，较卫片难以保证各区域光谱特性一致，进行分块并各自计算其阈值进行处理，每幅影像阈值均根据其自身进行统计计算，且分块处理可将处理尺度变小，从而规避其光谱特性不稳定的影响，对于各区域、不同条件下拍摄的航片均有一定的普适性。另外，分辨率较高的航空影像在大面处理过程中经常会要求计算机性能较高的问题，分块计算减轻了计算机特别是内存的运行压力。

通过对结果的统计得出，约1/6的水体提取成果可直接使用，这部分将很大地提高原有的工作效率；约1/3的水体提取成果需要简单修改，这一部分也将较好地提升工作效率；较多修改的部分有较大的修改量，我们在实际试生产过程中发现，其是否使用主要取决于各绘图作业人员的习惯，但其亦能对作业人员判读影像提供参考。

根据以上结果及综合绘图作业人员的实际生产反馈，此方法对原有方法的效率提升约为30%～40%。

4 结 语

DLG数据，采用NDWI识别水体，利用均值差探查水体边界，通过分块处理的方法规避了航空影像各区域光谱差异的问题，最终得到与DOM套合较好的水体解译成果，并结合人工编辑，有效提升了原有工作效率。

由于此方法运算过程中所有阈值均根据图幅内的数据进行自动统计运算，批量处理时无需人工干预，因此具有较好的适用性。利用分块处理的思想，根据各区域自动计算的阈值进行水体提取，经过多区域的生产试验均有较好的效果，说明此方法有一定的普适性。另外，此方法为基于已有数据的自动提取，在未来地理国情监测数据更新中将更有应用前景。

[1] 徐德明.监测地理国情服务科学发展[EB/OL].http://chzt. sbsm.gov.cn/article/zxgz/dlgqjc/ttxw/201104/20110400081302. shtml,2011-04-08

[2] 杨树文,薛重生,刘涛.一种利用TM影像自动提取细小水体的方法[J].测绘学报,2010,39(6):611-617

[3] 窦建方,陈鹰,翁玉坤.基于序列非线性滤波SAR影像水体自动提取[J].测绘通报,2008(9):37-45

[4] Juppd L B, Mayo K K,Kuchler D A, et al. Landsat Based Interpretation of the Cairns Section of the Great Barrier Reef Marine Park[C]. Division of Water and Land Resources, Australia,1985

[5] 杨存建，徐美.遥感信息机理的水体提取方法的探讨[J].地理研究，1998,17 (增刊)：86-89

[6] Mcfeeters S K. The Use of the Normalized DifferenceWater Index (NDWI) in the Delineation of Open Water Features [J]. International Journal of Remote Sensing, 1996, 17(7):1 425-1 432

[7] 丁凤.一种基于遥感数据快速提取水体信息的新方法[J].遥感技术与应用，2009,24(2):167-171

[8] 徐涵秋.利用改进的归一化差异水体指数(MNDWI)提取水体信息的研究[J].遥感学报，2005,9(5):589-595

[9] 沈占锋，夏列钢，李均力，等. 采用高斯归一化水体指数实现遥感影像河流的精确提取[J].中国图像图形学报,2013,18 (4):421-428

[10] 曹子荣.地理国情监测地表覆盖数据的两种采集方法比较[J].测绘技术装备,2013,15(2):22-24

[11] 赵英时. 遥感应用分析原理[M].北京:科学出版社,2003

P237.9

B

1672-4623（2015）03-0012-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.004

彭树标，博士，工程师，研究方向为摄影测量与遥感。

2014-05-19。

项目来源：国家科技支撑计划资助项目（2012BAH28B04）；江苏省测绘科研基金资助项目（JSCHKY201216）；对地观测技术国家测绘地理信息局开放基金资助项目（k201211）。

本文研究以四波段航空影像为基础，结合已有