基于Landsat8 OLI影像的城市水体信息提取方法对比分析

□　朱春芳（山西中勤测绘有限责任公司，山西太原030001）

基于Landsat8 OLI影像的城市水体信息提取方法对比分析

□朱春芳
（山西中勤测绘有限责任公司，山西太原030001）

以山西省太原市水体信息提取为例，通过计算Landsat8OLI中分辨率遥感影像波段参数，进行波谱分析，分别利用AWEI、MDNWI与阈值法对研究区水体信息进行提取，将提取结果与人机交互解译后的水体信息进行对比，AWEI法在提取城市水体信息时精度最高。

landsat8；OLI；AWEI；MNDWI；阈值法；城市水体

0.引言

美国自1972年以来，共发射8颗陆地资源系列卫星，英文为Landsat。美国陆地资源卫星作为全球应用最为广泛的中分辨率卫星，其数据被广泛应用于农业、水利、地质、矿产、森林、大气等各个行业。2013年2月，Landsat8卫星成功发射，该卫星携带的OLI（陆地成像仪）和TIRS（热红外传感器）使得该卫星在农业、水利、林业等领域的应用将更加广泛[1]。

信息提取技术的研究一直是遥感技术与应用的一个研究热点，同时水体作为占据地球表面70%的地类，对社会发展及人类生活环境质量起着重要的作用，城市是人类社会高度发展的体现，城市水体作为城市生态系统中重要的因素，在维持生态系统稳定性上具有至关重要的作用，所以城市水体信息的遥感提取成为遥感技术在信息提取领域的研究重点[2]-[4]。在提取方法上，应用最为广泛的是徐涵秋的改进的归一化差异水体指数（MNDWI），MNDWI比NDWI更能够揭示水体微细特征,如悬浮沉积物的分布、水质的变化。另外,MNDWI可以很容易地区分阴影和水体[5]。阈值法的简单易操作，也常常作为提取水体信息的一种方法[6]。对于以往利用单波段阈值和多波段水体指数法在精度方面的问题，Gudina L.Feyisa等提出了一个新的自动提取方法AWEI，在landsat5 TM影像上大大提高了水体信息的提取精度[7]。

本文选择Landsat8OLI影像作为数据源，利用阈值法、MNDWI和AWEI法对研究区水体信息进行了提取，对利用遥感技术快速提取城市水体信息具有一定的指导意义。

1.研究区概况

太原，山西省省会，位于山西省中北部的太原盆地，北接忻州市，东连阳泉市，西交吕梁市，南邻晋中市。太原市境总面积6988平方千米。黄河第二大支流汾河自北向南流经全市，三面环山，太原市共辖6个市辖区、3个县，代管1个县级市。市政府位于杏花岭区新建路。太原地区位于东经111°30′至113°09′和北纬 37° 27′至38°25′之间，市中心位于北纬37° 54′，东经112°33′。

2.研究方法

2.1自动提取水体指数法（AWEI）

Gudina L.Feyisa针对以往水体信息提取方法存在的分类精度低、阈值取值相对不固定等问题，利用Landsat5TM影像进行实验，提出了自动提取水体指数法（AWI），其公式如下：

式中，ρ是遥感影像波谱反射率，band1、band2、band4、band5和band7分别是是landsat5 TM影像的蓝、绿、近红外、短波红外和中红外波段。此处对应Landsat8OLI影像的band2、band3、band5、band6和band7。

AWEInsh为剔除非水体像元，包括建筑物等，AWEIsh为进一步剔除AWEInsh提取结果中与水体信息混淆的地类，包括阴影等。

2.2改进的归一化差异水体指数（MNDWI）

Mcfeeters提出的归一化差异水体指数（NDWI）是基于遥感影像的绿波段和近红外波段，通过比值运算，实现水体信息的提取，但NDWI法只考虑了植被因素，忽略了土壤/建筑物这一重要地类，通过NDWI法提取出来的水体信息因为绿光反射率高于近红外波段，往往造成土壤/建筑物与水体信息混淆[5]。徐涵秋在归一化差异水体指数的基础上，提出了改进的归一化差异水体指数。

归一化差异水体指数公式如下：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)式中，Green代表绿光波段；NIR代表近红外波段。在Landsat8OLI影像中，分别为3，5波段。

改进的归一化差异水体指数公式如下：

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

式中，Green代表绿光波段；MIR为中红外波段。在Landsat8OLI影像中，分别为3，6波段。

2.3阈值法

图像分割就是依据原则将影像分为多个区域，对于遥感影像，这些原则有影像的纹理、地类轮廓、形状等。一个区域内图像特征相似，而不同区域内图像特征相差较远。本文通过统计研究区地物亮度均值，来获取不同地物在影像波段上的分布关系。

3.城市水体信息提取

3.1数据预处理

本次研究选择数据有2015年6月30日的Landsat8OLI影像，行带号位125/34，根据研究精度要求，对遥感影像进行了辐射校正、几何校正与配准，几何校正的误差在0.5个像元之内；同时对遥感影像各个波段进行参数统计，为城市水体信息的提取进行参数准备。图1为本次研究的技术流程图，数据进行预处理，包括几何校正、裁剪、配准、重采样、波段组合、匀色等。

3.2波段参数统计

对于多光谱波段，通过分析波段间的最大值、最小值、标准差等参数值，表1为资源一号星与Landsat8多光谱影像的相关参数。

表1　Landsat8多光谱影像参数(Table1 Multispectral imaging parameters of Landsat8 satellite）

3.3典型地物波谱分析

提取研究区的城市水体信息，首先，要了解城市水体信息的光谱特征，以及容易与城市水体信息相混淆的地类，本研究通过目视判读方法，分别对道路、居民地、其他、草地、水体5种类型进行了取样（取样数均为200个），统计各自的灰度均值（如表2），得到相应的地物光谱特征曲线（如图1）。

由不同地物亮度均值曲线可以看出，城市水体信息与阴影相混淆，利用阈值法来进行信息提取。

表2　地类亮度均值表

图1　研究区波谱关系图

3.4城市水体信息提取

（1）阈值法

由3.3典型地物波谱分析可知，水体信息在第5、6和7波段与其他地类区分明显，其中水体信息在第7波段与其他地类均值差最大。所以利用公式band7<15对研究区水体信息进行提取。

（2）MNDWI

利用ENVI5.0软件的Band Math功能，通过公式（b3-b6）/（b3+b6）计算得到研究区水体指数，见图2。

图2　研究区遥感影像图及城市水体信息提取结果图

（3）AWEI

同样，利用ENVI5.0软件的BandMath功能，通过公式（b3-b6）/（b3+b6）计算得到研究区水体指数，见图2。a:543波段组合图；b:阈值法提取水体信息图；c:MNDWI法提取水体信息图；d:AWEI法提取水体信息图。

4.精度验证

利用阈值法、改进的归一化差异水体指数（MNDWI）和自动提取水体指数法（AWEI）对研究区的水体信息进行了提取，选取68个样点实地对信息提取精度进行了验证。(结果见表3)

表3　城市水体信息提取精度

5.结论

（1）本文利用Landsat8OLI影像，通过计算各个波段的最大值、最小值、均值、标准差等参数，分析波段间的波谱间关系，获得地类在不同波段的区分度，利用AWEI法、MNDWI法和阈值法分别对研究区的水体信息进行了提取。

（2）通过计算地类亮度均值，发现在第5、6和7波段水体与其他地类区分度大，特别在第7波段，水体信息与其他地类亮度均值差值最大，利用阈值法易于提取水体信息。

（3）利用阈值法在第7波段提取水体信息，大面积的水体信息提取效果较好，但丢失了面积较小的水体信息。

（4）利用AWEI法提取研究区水体信息，效果欠佳，提取结果中不仅有水体信息，还混淆了部分道路和居民地信息。

（5）利用MNDWI法提取水体信息结果最好，不仅提取出了大面积的水体信息，对于小面积的水体提取效果也较好，同时与水体混淆的地类信息较少，对比三种方法，该方法效果最佳。

【1】FrequentlyAskedQuestionsabouttheLandsatMissions[EB/OL].http://landsat.usgs.gov/band_designations_landsat_satellites.php,2013.5.30.

【2】殷亚秋，李家国，余涛，等.基于高分辨率遥感影像的面向对象水体提取方法研究［J］.测绘通报，2015(1)：81-85.

【3】李艳华，丁建丽，闫人华.基于国产GF-1遥感影像的山区细小水体提取方法研究[J].资源科学，2015，37（2）：408-416.

【4】张毅，陈成忠，吴桂平，等.遥感影像空间分辨率变化对湖泊水体提取精度的影响[J].湖泊科学，2015，27（2）：335-342.

【5】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.

【6】刘桂林，张落成，刘剑,等.基于LandsatTM影像的水体信息提取[J].中国科学院大学学报，2013，30（5）：644-649.

【7】Gudina L.Feyisa,Henrik Meilby,Rasmus Fensholt,Simon R.Proud.Automated Water Extraction Index:A new technique for surface watermapping using Landsat imagery[J],Remote Sensing of Environment 140(2014)23 35.

TP751.1

A

2095-7319（2015）06-0060-05

朱春芳（1987-），女，山西运城人，本科，2009年毕业于太原理工大学测绘工程专业，现从事基础地形图测绘工作。