基于Landsat遥感影像的鄱阳湖水体信息提取与分析

李 岳，王毓乾,2,3*

(1.东华理工大学测绘工程学院，330013，南昌；2.自然资源部环鄱阳湖区域矿山环境监测与治理重点实验室，330013，南昌；3.东华理工大学江西省数字国土重点实验室，330013，南昌)

0 引言

鄱阳湖是中国最大的淡水湖，鄱阳湖水体平均21 d左右更新一次，作为吞吐型过水湖泊，频繁的水体交换使得湖泊水环境特征变化较快。对鄱阳湖水域进行长时间序列的动态监测和时空变化趋势分析对于鄱阳湖及周边区域的水资源调查、灾害监测和预防、生态环境保护和可持续发展都具有重要的意义。遥感技术具有探测范围广、数据获取快、信息量丰富等特点，同时卫星遥感观测已经积累了丰富的历史数据资源，这为鄱阳湖的水资源动态监测以及时序分析提供可能。

水体遥感信息提取的实质就是将水体信息和其余信息区分开来，很多学者利用不同类型的传感器及水体提取的方法来实现对湖泊的提取。McFetters(1996)提出了一种归一化差异水体指数(Normalize Difference Water Index, NDWI)，可以较好地消除山体阴影对水体提取的影响。杨存建[1]等提出一种谱间关系法，认为在绿光和红光波段的反射率和大于近红外和短波红外反射率和的地表覆盖应该是水体。徐涵秋[2]提出一种改进的归一化差异水体指数(Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI)，以TM第5波段代替NDWI中的近红外波段。由于水体指数法和谱间关系法提取水体关键在于如何确定一个恰当的阈值将水体与非水体区分开来。目前遥感影像阈值分割常用的算法有最大熵法、最大类间方差法(OTSU)等[3]。OTSU法获取的阈值是阈值分割后前景和背景类灰度均值的平均值，目前被认为是阈值选取的最优方法之一。大部分水体提取方法受阈值选择的影响，为了改善这一情况，Feyisa[4]通过TM数据处理分析提出了自动的水体提取指数(AWEI)模型，使水体与背景阴影之间更容易区分，该模型包括AWEInsh、AWEIsh2种指数。万建鹏[5]等提出综合权重水体指数(CWWI)在鄱阳湖水域提取上取得了一定的效果。

通过以上水体提取方法，众多学者利用时序遥感影像对鄱阳湖水域进行了变化监测。张克祥[6]等利用MODIS影像监测研究得出鄱阳湖季节性变化明显的结论。李鹏[7]利用Landsat TM/ETM+影像数据，采用指数法提取了鄱阳湖水域面积，并深入挖掘了鄱阳湖水域面积与水位之间的相互关系。研究表明鄱阳湖水域季节性变化明显，不同季节鄱阳湖水体的水位、成分含量都有较大的变化，其水体光谱也产生了较大的变化。但是目前的研究都趋向于用同一种方法去提取时序影像中的水体信息，没有考虑不同季节下不同水体提取方法的适用性。本文将利用Landsat的TM、ETM+、OLI影像，考虑鄱阳湖水体在丰水期和枯水期NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和谱间关系法5种常用水体指数法的水体提取性能，在不同的季节分别选择最佳的水体提取方法对2009—2018年间的鄱阳湖水体进行信息提取，最后对鄱阳湖水域面积的动态变化进行了季节性分析和年际分析。

1 研究区域及数据

本文的研究区域鄱阳湖位于长江中下游，江西省的北部。所使用的数据包括：1)TM、ETM+、OLI数据，本文使用的是NASA提供的2009—2018年的鄱阳湖Landsat卫星遥感影像数据；2)鄱阳湖矢量边界数据集，该数据集由国家地球系统科学数据共享平台湖泊-流域科学数据中心提供。

2 研究方法

水体指数法的构建思路为首先分析水体的光谱特征，找到水体在不同波段反射率的差异，通过波段运算增强水体信息而抑制其他地物信息。本文采用NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和谱间关系法5种水体指数法进行水体提取。鄱阳湖时序水体信息提取技术总路线如图1所示。首先对鄱阳湖2018年1月枯水期和2016年7月丰水期Landsat影像数据分别采用NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和谱间关系法5种水体指数法对其进行水体信息提取。同时根据OTSU法计算阈值获取水体信息结果图。再根据该月份高精度最大似然法监督分类结果进行精度评定。得出鄱阳湖水域枯水期和丰水期的最优水体提取方法。通过获取的2009—2018近10年鄱阳湖遥感影像数据，分别在枯水期和丰水期采用对应的最优水体提取方法，得出各月水体范围，然后对鄱阳湖面积进行年际及季节性的时序分析。

图1 技术路线图

3 实验与分析

3.1 鄱阳湖水体信息提取

鄱阳湖是一个季节性变化较大的水域，可以将整个年份分为枯水期和丰水期。每年4—9月为鄱阳湖丰水期，10—3月为枯水期(如图5所示)。为了在不同时期选取更好的水体提取方法，本文选用数据质量较好，云量小于1%的2018年1月Landsat7枯水期影像和2016年7月Landsat8丰水期影像对以上所介绍的各种水体提取方法进行对比分析，从而得出不同时期所应选用的最优水体提取方法。

人工目视判读分类的精度最高，本文将其作为精度检验图验证指数法水体提取的精度。精度检验图制作的具体过程为首先对影像进行目视判读，大体了解研究区的地物类别。然后通过ISODATA非监督法进行初分类，再结合与原始影像的对比分析，对初分类结果进一步目视解译确定研究区地物的类别为水体、植被、城区及其他4类。再选取高精度样本，通过最大似然法获得监督分类结果，样本之间的可分离程度均大于1.9。最后在影像上叠加最大似然监督分类结果，对分类结果进行人工检查和修订得到最终的分类图作为精度检验图。

3.1.1 枯水期对比分析 对鄱阳湖2018年1月Landsat7 数据进行水体提取处理，结果如图2所示，从对比图目视解译可以看出，NDWI存在明显的漏提现象，谱间关系法提取的水体十分破碎，其余水体提取方法结果比较近似。利用最大似然分类结果作为精度检验图进行定量评价，如表1所示。通过表1可以看出，MNDWI水体提取方法不论是从总体精度还是Kappa系数来看都是最高，而NDWI对水体存在较大的漏提现象，谱间关系法、AWEInsh和AWEIsh对水体存在较大的多分现象。因此本文在枯水期选用MNDWI水体提取方法。

图2 枯水期各种方法水体提取对比图

表1 枯水期各水体提取方法精度

3.1.2 丰水期对比分析 对鄱阳湖流域2016年7月Landsat8 数据进行水体提取，结果如图3所示。从对比图上目视解译可以看出，MNDWI和AWEInsh相比其他方法存在严重的多提现象，谱间关系法和AWEIsh也存在一定的多提现象。定量精度评价如表2，AWEIsh水体提取方法不论是从总体精度还是Kappa系数来看都是最高的，而NDWI与MNDWI对水体存在较大的漏提现象，其他2种方法对非水体存在一定程度的多分及漏分现象。因此本文在丰水期选用AWEIsh水体提取方法。

图3 丰水期各种方法水体提取对比图

表2 丰水期各水体提取方法精度

3.2 鄱阳湖水域面积变化时序分析

3.2.1 鄱阳湖水域面积季节性变化分析 利用上节确定的水体提取方法提取水体信息，然后利用鄱阳湖矢量边界数据集对其进行裁剪，得到鄱阳湖的水体信息，并统计鄱阳湖水域面积。图4显示了2009—2018年鄱阳湖水体面积的季节性变化，可以看出鄱阳湖水域面积季节性变化非常大，在夏季和秋季水量较高，春季和冬季水量较少。通过各年每月份的水体提取结果(图5以2016年为例)可以得到枯水期的鄱阳湖会形成一南北窄长的线条湖泊体，鄱阳湖被其周围的湿地分割成多个、连续和不连续的子湖区域，甚至在个别月份鄱阳湖的主体湖泊会成为全裸露地；而每年5月份随着梅雨季节的到来，降雨量剧增，引起鄱阳湖水体面积的急剧增加，湖泊形态在6月、7月份趋于稳定，整个湖面基本上连成一片。即使在丰水期较小的水体面积2011年7月及2018年7月，鄱阳湖北边的入江水道以及湖区主体约65%以上也被水覆盖；丰水期会一直持续到每年的10月左右，之后进入枯水期，水体面积发生陡降。因此，鄱阳湖存在明显的季节性变化，进一步证明了丰水期为4—9月，枯水期为10—3月，其中枯水期的水体面积波动较小，而丰水期受降雨量、气候等的影响波动较大，水位变化也受五河来水和长江干流水位的影响，从而形成了“高水成湖，低水成河”“洪水成片，枯水一线”的特有景观。

图4 2009—2018年鄱阳湖水体面积季节性变化

图5 鄱阳湖2016年每月份的水体信息

3.2.2 鄱阳湖水域面积年际性变化分析 进一步分析鄱阳湖水体面积年际变化，表3为2009—2018年近10 年鄱阳湖水体面积的最大值、最小值及各年的平均值及标准差。水体面积的最大值基本出现在6—8月份，其中6月份占到50%；水体面积的最小值基本出现在12—2月，其中2月份占到50%。10年间鄱阳湖水体面积的最大值、最小值、平均值变化趋势大体上是一致的，同时年际间最大水体面积也为最小水体面积的2倍以上，这也充分体现了鄱阳湖年际变化的显著特征。

表3 2009—2018年各年鄱阳湖面积最值、平均值、标准差

鄱阳湖区域降雨主要集中在该年的3—8月，期间占全年降雨量的73.74%。鄱阳湖区域在3月份前后因气温回升及降雨量的增加导致水体面积逐月增加，而后随季节变化导致水体面积发生一系列变化。2011年出现了10年内最小的水体面积，根据查阅新闻及资料得知，该年鄱阳湖出现了罕见的干旱；2015年12月鄱阳湖水体面积明显增大，根据历史记载，该年鄱阳湖受到厄尔尼诺事件的影响，冬季出现罕见汛情，全省降雨量高达303.5 mm，是同期的2.1倍，此时鄱阳湖的水体面积达到2 243.75 km2；2016年水体面积标准差为近10年最高，同时该年有10年内最大水体面积的最大值；2018年出现10年内最大水体面积的最小值，根据新闻记载，本年的平均降雨量相较往年的平均值减少了22%，长时间的高温少雨天气使鄱阳湖流域周围水位持续下降。由此可见降雨量是鄱阳湖水域面积的显著性变化的主要影响因素之一。

图6显示了10年间鄱阳湖每个月份的水体面积。从图6可以看出，在每年11—2月鄱阳湖的水体面积达到最小值，并且10年来面积相对稳定(2015年除外)。但其他不同月份，鄱阳湖水体面积的年际变化较为显著，如在每年9月，水体面积的变化差值高达1 556.30 km2。

图6 2009—2018年鄱阳湖每月的水体面积

4 结论

本文利用2009—2018年Landsat时序遥感影像数据，研究了鄱阳湖不同季节下的最优水体提取方法，同时分析了其季节性及年际变化规律，结论如下。

1)鄱阳湖水体具有明显的季节性变化特征，通过对单波段阈值法、NDWI、MNDWI、AWEInsh、AWEIsh和谱间关系法的对比分析，本文认为，在枯水期选择MNDWI水体指数模型，在丰水期选择AWEIsh水体提取模型可以最有效识别鄱阳湖水体信息，获得较为准确的水体面积。

2)鄱阳湖水体面积随季节变化，并存在明显规律，每年4—9月为丰水期，10—3月为枯水期，丰水期面积接近枯水期面积的2倍。

3)鄱阳湖面积的最大值、最小值和平均值年际变化趋势一致。在枯水期各个月份，鄱阳湖面积年际变化较小，但是在丰水期各个月份，鄱阳湖面积年际变化较大。2009—2018年的10年鄱阳湖水域面积并没有明显增大或减小的趋势，鄱阳湖水域处于稳定期。