基于高分六号的水库水体信息提取方法研究<br/>——以山东省为例

基于高分六号的水库水体信息提取方法研究
——以山东省为例

2022-11-23杨凤荣葛召华李志鹏

中国防汛抗旱 2022年11期

杨凤荣葛召华苏宁杨鑫李志鹏卢克

（1.宁夏回族自治区青铜峡市水务局，青铜峡 751600；2.山东省水利综合事业服务中心，济南 250014；3.山东锋士信息技术有限公司，济南 250101）

0 引言

水库作为重要的水利工程设施，在拦蓄洪水、径流调控等方面发挥着积极的作用[1]。水库水面面积是水库信息监测的重要参数之一，长期的动态监测是研究水库蓄水量变化，充分发挥水库作用的重要技术手段[2]。遥感作为动态监测常用的技术手段，具有探测范围大、获取数据速度快、周期短、受地面条件限制少、经济效益高的特点[3]，在水库面积提取监测方面发挥了重要的作用[4]。随着光学遥感技术在水体提取方法的广泛应用，出现了多种提取方法。如基于深度学习的水体提取法、基于分类器的水体提取法、基于光谱角匹配的水体提取法以及基于模型分类的水体提取法（阈值法）等。光学遥感影像波谱信息较丰富，模型分类构建简单、适用范围广，因此仍具有较为广泛的应用。基于模型分类的水体提取法主要包括单波段阈值法、多光谱波段法、水体指数法、改进水体指数法4类。①单波段阈值法，通过设置单个遥感波段的灰度值阈值，实现对水体和非水体的区分。②多光谱波段法，利用多光谱遥感数据不同的差值、比值、密度分割等波段的组合运算，增强水体信息，实现水体提取，可有效抑制植被等地物干扰。③水体指数法（NDWI），根据水体在红、绿波段的光谱差异，采用归一化比值运算提取水体信息，最早由McFeeters 提出[5]，在此基础上陆续有学者提出了新型水体指数（NWI）[6]、增强型水体指数（EWI）[7]、混合水体指数（CIWI）[8]等。④改进水体指数法，通过单个波段或波段组合代替水体指数中的部分波段信息，获取更好的水体提取效果。有研究者提出了改进的水体指数（MNDWI）[9]、基于MODIS的改进型组合水体指数（MCIWI）[10]、高斯归一化水体指数（GNDWI）[11]、伪归一化差异水体指数（FNDWI）[12]、加权归一化差异水体指数（WNDWI）[13]等多个改进水体指数。

高分六号卫星（GF6-WFV）是一颗低轨光学遥感卫星，增加了红边波段，具有高分辨率、宽覆盖、高质量和高效成像等特点[14]。国内学者也开展了少量基于GF6-WFV数据的水体提取研究：郑泰皓等[15]基于高GF6-PMS 影像，构建全卷积神经网络（FCN-8s）、U-Net及U-Net优化（VGGUnet1、VGGUnet2）等4种神经网络进行了水体提取研究，基于水体提取结果对比分析，确定优选模型为VGGUnet1，说明全卷积神经网络在GF6-WFV遥感影像水体提取方面具有可行性，为后续该领域的进一步研究应用提供了参考；王仁军等[16]基于卓乃湖的GF6-WFV数据，构建了一种新的水体指数——红边水体指数（Read Side Water Index，RSWI），对可可西里地区不同类型面积大于100 km2的6个典型湖泊进行普适性分析，结果表明，RSWI和近红外波段构成的决策树模型有效消除了湖底沉积物对水体的影响，更完整地提取浅水区水体，总体精度达93.78%，Kappa 系数为0.87，对不同类型的湖泊具有较好的稳定性和普适性。综上，使用GF6-WFV 对于高精度提取水库水体信息，精细化管理水库具有极大的潜力。

本文以峡山水库、岸堤水库为水库样例数据，进行水体、非水体光谱分析，筛选、构建多个水体参数，对峡山水库、岸堤水库进行水体提取，通过精度分析，选择最优水体指数，作为山东省水库水体信息提取的水体指数。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

峡山水库坐落于山东半岛，位于潍坊市区东南25 km，在潍坊市潍河中游的昌邑、高密、诸城、安丘4县（市）交界处，水库控制流域面积4 210 km2，总库容14.05 亿m3，是山东省第一大水库，素有“齐鲁第一库”之称。岸堤水库位于蒙阴县重山乡圈里村西、沂河支流东汶河上，控制流域面积1 690 km2，总库容7.36亿m3，兴利库容4.51亿m3。

1.2 数据来源与数据预处理

本研究所使用的GF6-WFV16 m多光谱中分辨率宽幅相机获取的遥感影像，数据来自中国资源卫星应用中心，影像获取时间为2019年5月1日。影像包括8个波段，具体见表1，裁切后的GF6-WFV 山东省影像如图1 所示，峡山水库遥感影像如图2所示，岸堤水库遥感影像如图3所示。

图1 GF6-WFV山东省卫星影像

图2 GF6-WFV峡山水库及周边影像

图3 GF6-WFV岸堤水库及周边影像

表1 GF6-WFV波段参数

首先在ENVI5.3 下对遥感影像利用中国国产卫星支持工具对GF6-WFV 数据进行读取，其次依次进行辐射定标、大气校正和正射校正。其中辐射定标采用中国资源卫星应用中心提供的绝对定标系数，大气校正采用FLAASH（Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes）模型，正射校正采用有理多项式函数模型参数（Rational Polynomial Coefficient，RPC）和地面高程数。预处理后的影像进行镶嵌，再对镶嵌后的图像进行区域范围的裁切。

2 水体信息提取方法

2.1 水体提取的原理

遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线等，对目标进行远距离探测和识别的技术。太阳辐射经过大气到达地物表面时，会发生3种相互作用：一部分到达物体表面后被反射回大气，一部分被地物及地物中的成分吸收，另一部分被透射到地物内部。不同地物因结构、组分等因素差异对太阳辐射的反射、吸收、投射能力也有所不同。不同地物在不同遥感波段上表现的灰度值也各不相同，这就是利用遥感可以进行水体和其他地物提取的基本原理。通过分析影像各个波段对水体和其他背景地物的光谱信息、纹理信息以及空间结构信息等，通过波段运算突出水体与背景地物的差异，从而提取某一区域的水体信息[17]。

2.2 光谱分析

在GF6-WFV峡山水库、岸堤水库影像中，选择纯像元进行光谱特征分析，分别选择水体30 组、植被15 组、建筑物15组、陆地15组，采样点分布如图4所示。再将各类地物的光谱值进行均值计算，得到如图5、图6所示峡山水库典型地物光谱曲线。

图4 典型地物采样点分布图

图5 峡山水库典型地物光谱曲线图

图6 岸堤水库典型地物光谱曲线图

水体的光谱曲线遥感反射率值总体较低，在750 nm和830 nm处明显低于其他地物，是区分水体与其他地物的特征波段。水体的光谱曲线明显低于建筑物的光谱曲线，通过单波段或水体指数均易区别。水体的光谱曲线在660 nm后明显低于裸露土地的光谱曲线值，也易于区分。水体与植被在近红外范围内差异明显。综上，需要找到水体指数能够区分水体与其他地物，且该水体指数的普适性、可移植性较高，能够用于其他水库的水面提取，实现水库面积动态监测。

2.3 水体指数构建

本文选择的水体提取方法主要有：单波段（B750、B830）、波段差值（B830-B610）、波段比值（B660/B710）和归一化水指数（NDWI）、红边水体指数（RSWI）。

单波段水体提取选第6波段（B750）和第4波段（B830），波段差值通过计算第4波段（B830）与第8波段的差值，波段比值通过计算第3波段（B660）与中第5波段的比值。NDWI、RSWI按照式（1）、式（2）计算：

式中：B555为第2 波段数据；B830为第4 波段数据；B485为第1波段数据；B750为第6波段数据。

3 结果分析及精度验证

3.1 结果分析

根据2.3节中构建的指数，利用表2所示的阈值提取峡山水库、岸堤水库的水面面积。遥感影像采用2019 年5 月1日16 m分辨率的GF6-WFV数据，峡山水库、岸堤水库的水体提取结果如图7、图8所示。

图7 峡山水库水体提取结果

图8 岸堤水库水体提取结果

峡山水库水体提取中波段差值（B830-B610）在水库东北区域出现明显水体漏提，波段比值（B660/B710）在水库周边提取大量碎图斑，影响提取效果，但水库主体区域提取效果较好。NDWI、RSWI和单波段（B750、B830）总体提取效果较好。岸堤水库波段比值（B660/B710）在水库西南部区域提取效果明显低于其余提取方法。综合分析，红边水体指数和单波段（B750、B830）在峡山水库和岸堤水库的提取效果较好。为进一步确定哪种指数效果最佳，需进一步进行精度评价。

3.2 精度验证

验证点以均匀选点和适度点位调整相结合的原则进行选取。峡山水库库区形状相对规则，共选择80个验证点；岸堤水库库区形状狭长曲折，共选择100个验证点。验证点分布如图9所示。

图9 验证点分布图

参照同期其他卫星数据，对峡山水库和岸堤水库进行目视解译，根据目视解译结果对指数提取的结果进行精度验证，精度对比结果如表3所示。

表3 水体提取精度对比

综合分析，选择RSWI，阈值为0 时，分类精度最高，作为GF6-WFV 提取山东省典型水库水体的指数和阈值。利用GF6-WFV 数据覆盖范围广的特性，选择2019 年5 月1 日影像，对山东省典型水库进行水体面积提取，根据提取结果（表4）可以实现对山东典型水库水体面积的常态化监测和动态分析，为水库安全、水资源调度提供技术支撑。