基于MODIS数据的曼谷洪水淹没区信息提取

潘继亚，王金亮（云南师范大学旅游与地理科学学院，云南 昆明650500）

基于MODIS数据的曼谷洪水淹没区信息提取

潘继亚，王金亮
（云南师范大学旅游与地理科学学院，云南 昆明650500）

选取2011年夏秋季3个时期的 MODIS图像数据，通过方法比选，选取单波段阈值法对泰国开展了洪水淹没区洪灾监测研究。结果表明：①单波段阈值法比多光谱混合分析法更适用于曼谷洪水淹没区水体信息提取。②曼谷洪水于2011年9月下旬明显爆发，淹没区面积逐渐扩大，尤其以市中心湄南河周围最为明显；10月下旬达到高峰，淹没面积达到最大，全市各地区均陷入洪水灾害中；11月下旬水势退去，淹没面积逐渐变小。提出了须进一步研究解决的问题。

MODIS；数据；处理；洪水；淹没区；信息；曼谷

0 引言

洪水灾害是当今世界上造成损失最大的自然灾害，据联合国统计，每年全世界在各种自然灾害中，洪涝造成的损失占了 40％［1］。在洪涝灾害发生时，快速、准确地提取水体信息，确定洪水淹没范围，为洪水的调度和防灾减灾决策提供依据，具有重要的意义［2］。

遥感技术在洪水监测应用中能克服监测点稀少、分散，监测过程费时、费力等缺点，在防洪救灾工作中正发挥越来越重要的作用［3］。洪水淹没区信息的提取是遥感监测中极为重要的方面。在防洪应用中，获得遥感数据后还有两个问题亟需解决：一是数据处理，主要是影像的校正；二是水体提取，主要是洪水淹没范围的提取。

目前我国可用于洪水监测的遥感资料主要有NOAA-AVHRR、TM、MODIS、SPOT和RADARSAT等。MODIS数据时间分辨率是0.5d，具有36个波段，覆盖光谱范围广，在防汛应用中具有广阔的前景，对应急处理有较大的实用价值［4］。

1 研究区概况

泰国位于亚洲大陆中南半岛中南部，与柬埔塞、老挝、缅甸、马来西亚接壤，东南临泰国湾，西南濒临安达曼海。泰国国土总面积51.4万km2，在东南亚国家中居第三位。

曼谷位于湄南河三角洲，湄南河下游，距暹罗湾40km，离入海口15km，全市面积1568km2。作为黄袍佛国泰国的首都，曼谷是全国政治、经济、文化、教育、交通运输中心，也是最大城市。曼谷城市地跨湄南河两岸，地势低洼，平均海拔不足2m。市内河道纵横，货运频繁，有“东方威尼斯”之称。曼谷港，是泰国和世界著名稻米输出港之一。此外，曼谷还与中国的许多城市建立友好关系，如广州、北京、上海，潮州等，跨国城际间的各种交往常年不断。与曼谷相邻的城市有佛统府、暖武里府、巴吞他尼府、龙仔厝府、北榄府、北柳府、坤西育府等。

泰国由于降水异常和地形排水不利等自然和人为因素频发洪灾，特别是2011年夏秋之际的曼谷特大洪涝灾害，给曼谷人民带来巨大的精神伤害和经济损失。利用MODIS数据提取曼谷洪水期间的淹没区范围，为洪水动态监测提供依据具有重要意义。

2 资料来源和研究方法

2.1 资料来源及数据特点

MODIS数据是美国国家航天局（NASA）免费提供的卫星遥感数据，光谱范围在0.4～14.4μm。数据有36个波段，其中2个波段的分辨率是250m，5个波段的分辨率是500m，其余29个波段的分辨率均是1000m。MODIS数据有较高的时空分辨率，是当前洪水监测极为有效的遥感数据。

MODIS数据的36个通道中，1、3、4、8～15波段在可见光范围内，水体到陆地的过渡性不明显。在2、5、6、7、16～19、26通道，处于近红外波段范围，是水汽的强吸收带，水体的反射率较低，对土壤、植被的反射率较高，所以在这些通道的单波段图像上水陆界线比通道1、3、4、8～15影像更为清晰可辨［5］。

表2中列出了MODIS数据的36个通道之中对水体敏感的通道参数。

表1 MODIS各波段分布特征

表2 MODIS遥感数据中对水体敏感的通道参数

综上，通道 2、5、6、7、16～19、26、27、28均为MODIS进行水体提取适用的波段，对较大的水域，通道16、18是较好的选取波段，原因是这两个通道的波段宽为0.01μm，能将极复杂的地物区分开；而对小水域范围的提取，通道2则为最佳波段，因为有着0.03μm的波段宽度与250m的空间分辨率。

研究选取的影像为2011年9月17日—2011年12月15日，曼谷洪灾区3个时期MODIS图像数据，共12幅。

2.2 水体识别方法遴选

本文对单波段阈值法和多光谱混合分析法进行分析来研究曼谷水体信息的提取，并对比分析两种方法的优缺点，以选用较合适的曼谷洪灾水体提取方法。

2.2.1 单波段阈值法

单波段阈值法为提取水体最简单易行的方法。基本原理是利用水体在近红外波段上反射率低，容易与其它地物区分开来的特点。这个方法的缺点是无法将水体与山区阴影区分开，以致提取的水体往往比实际要多。

对单波段阈值法进行运用，要对几类地物在几个波段中灰度特征有一定了解，以此为基础来反复检验，获得合适的阈值（表3）。

表3 水体、植被、土壤在单波段MODIS影像的灰度特征

2.2.2 多光谱混合分析法

多光谱混合分析法针对所选地区及周围的典型地物（比如林地、阴影、居民地等）进行分析，标出它们在各个波段上的光谱值，查找出同一波段各地物的异同，必要时可对各波段进行加、减、乘、除等运算，找出只有水体才满足的关系，以此来构建水体提取的模型。

2.2.3 两种方法的对比

本实验采用的250m分辨率MODIS影像只有两个波段：第一波段红光区，第二波段近红外区。如采用多光谱混合分析法，由于波段数目少，会有很大的局限性。

单波段阈值法虽存在无法把水体和山区阴影区分开以致提取的水体比实际要多的缺点，但对于非山区的特定时相和区域，特别像MODIS这样高光谱的遥感数据，用阈值法进行试验，若能够获得较满意的提取效果，则容易实现水体的自动提取。而且，近红外波段上水体反射率较低，也易与其它地物区分。

所以，单波段阈值法为曼谷洪水信息提取的首选方法。

3 结果与分析

3.1 淹没区信息提取

通过在ENVI中建立决策树，对几类地物在单波段MODIS影像的灰度特征有一定了解（表3）。由此为基础反复检验，获得合适的阈值。图1为利用MODIS数据第2波段即近红外波段的阈值为0.19的单波段阈值法提取的水体信息结果。

在ENVI中提取完水体信息后，把图导出，在Arcgis里面打开，建立属性表，计算面积。泰国曼谷面积为1568.737km2，图2所示为洪水淹没范围的面积时间图。

图1 洪水信息提取图

图2 淹没范围面积时间趋势图

从图2中可看出淹没范围面积的动态变化，可知曼谷洪水于2011年9月下旬明显爆发，淹没区面积逐渐扩大，尤其以市中心湄南河周围洪水面积最大且来势汹涌；10月下旬达到高峰，淹没面积达到最大，全市各地区均陷入洪水灾害中；11月下旬水势退去，淹没面积逐渐变小。

文中所用MODIS数据空间分辨率为250m，分辨率较低。故针对此缺点，下载了空间分辨率较高的级数为13级、空间分辨率为35m的数据，选取MODIS数据中洪灾后即2011年12月15日图和与2012年5月10日稻歌影像中曼谷同一块区域，比较提取的水体面积。2011年12月15日图水体面积用单波段阈值法提取，面积为81.5km2，2012年5月10日稻歌影像水体面积用监督分类提取，面积为75.95km2。面积相差5.55km2，但是基本吻合。

3.2 曼谷洪灾分析

2011年夏秋季曼谷发生半个世纪以来最严重的洪灾，除去全球气候变化和国家抗灾能力等原因外，曼谷独特地理位置和过度城市化也是主要原因：①泰国处于北部高原山区的迎风坡，受到西南季风的影响，来自海洋的水汽大量进入，水汽主要在迎风坡成云致雨，造成大量的雨降水。②泰国南部低洼的三角洲地区和中北部的低洼河谷由于排水不畅，可能出现水灾。③降水季节分配不均匀，主要集中于夏季而且多暴雨。④2011年副热带高压比往年位置偏北，强度偏大，移动缓慢，导致泰国雨季持续。⑤泰国人口稠密，成灾损失大。

4 结语

MODIS是一个全新的遥感平台，它的特点使得它在洪灾、水质监测中有广阔的发展前景。本文只是从理论上对利用MODIS遥感数据提取水体的方法进行了初步探讨并应用于曼谷洪灾淹没区信息提取中，尽管只是理论探讨，但这是进行洪灾、水质监测的重要前提。

研究中还有很多需要进一步解决的问题：①洪水期间获得的影像很多都是有薄云覆盖的，去除云的影响，可以提高信息提取的精度；②在克服MODIS数据空间分辨率不是很高的问题时，可以采取多遥感数据融合的方法，综合运用MODIS数据高时间分辨率和SPOT、TM等数据的高时间分辨率；③还应研究如何利用新的MODIS遥感数据，建立水体提取模型。

［1］刘猛，张金存，魏文秋，等.洪灾的遥感调查方法研究［J］.长江职工大学学报，2001，18（l）：18-20.

［2］冯锐.洪涝淹没范围的遥感监测研究［J］.辽宁气象，2002（4）：26-27.

［3］周红妹，朱永，杨星卫，等.应用NOAA-AVHRR资料动态监测洪涝灾害的研究［J］.遥感技术与应用，1999，11（2）：26-31.

［4］彭定志，徐高洪，胡彩虹，等.基于MODIS的洞庭湖面积变化对洪水位的影响［J］.人民长江，2004，35（4）：14-16.

［5］吴赛，张秋文.基于MODIS遥感数据的水体提取方法及模型研究［J］.计算机与数字工程，2005（7）：1-4.

InformationExtractionoftheFloodedAreainBangkok BasedontheMODISData

PANJi-ya，WANGJin-liang
（CollegeofTourism＆GeographicalSciences，YunnanNormalUniversity，KunmingYunnan650500，China）

Flooddisastercausesoneoftheworld＇sgreatestlossesinallnaturaldisasters.Whentheflooddisasteroccurs，extractingwaterbodyinformationquicklyandaccuratelycouldidentifythescopeofthefloodtoprovideascientificbasisfordisasterreliefandpost-disasterreconstruction.TheMODISimagedatainthreetimeperiodsofthe summerandfallof2011wereselected.Asinglebandthresholdmethodandmultispectralmixtureanalysismethod wereappliedtoconductthefloodmonitoringresearch.Theresultsshowedthatasinglebandthresholdwasmore suitableforinformationextractionthanspectralmixtureanalysismethod.Thefloodin2011inBangkokoccurredin lateSeptember.Thesubmergedareaexpandedgradually，especiallyaroundthecenteroftheChaoPhrayaRiver.ThefloodedareareachedthemaximumwhenthefloodingwasatthepeakinthelateOctober.Thefloodreceded untilthelateNovember.Then，thefloodedareagraduallybecamesmaller.

MODIS；dataprocessing；threesolidphaseextraction；flood；floodedarea；information；Bangkok

X87

A

1673-9655（2015）03-0116-05

2014-10-16