基于CIWI模型的洞庭湖地区水体变化识别

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【摘 要】本研究使用混合水体指数模型对洞庭湖地区2003年至2013年的水体面积变化进行识别，并使用监督分类方法提取水体进行验证。研究结果表明，2008年洞庭湖地区水体面积最大，2003年次之，2013年水体面积最小。CIWI模型提取的水体变化趋势与监督分类提取的水体变化趋势一致，但面积明显小于监督分类的结果。使用CIWI水体指数可以有效实现大面积水体的提取。

【关键词】混合水体指数；监督分类；洞庭湖地区

【Abstract】In this study， combined index of NDVI and NIR for water body identification （CIWI） was used to identify the changes of water body in Dongting Lake region from 2003 to 2013， and supervised classification was used to validate the results. Results showed that water body in 2008 was the largest， and water body in 2013 was the smallest. Changes of water body identified by CIWI model were in accordance with the changes of water body identified by supervised classification with a smaller area. CIWI can be used to identify water bodies effectively.

【Key words】Combined index of NDVI and NIR for water body identification；Supervised classification；Dongting Lake

0 前言

洞庭湖位于长江中游南岸，地处湖南境内，是我国第二大淡水湖。由于其独特的地理环境和气候条件，适宜大量的水生动植物生长、繁殖，自然资源十分丰富。洞庭湖承纳湘、资、沅、澧四水而吞吐长江，是长江流域最重要的集水、蓄洪湖盆，是我国重要的湿地之一[1]。自2003年三峡水库的运行，荆江“三口”入湖流量大为减少，导致洞庭湖水位偏低[2]，使湖区原来稳定的水位涨落规律被打破，同时对洞庭湖区生态环境也产生了重大的影响。因此，研究洞庭湖的水体变化趋势意义深远。

近年来关于水体信息提取的研究方法主要有单波段、多波段和水体指数法等[3-8]。Barton等人利用AVHRR影像数据的第4波段识别水体，并对洪水进行昼夜监测[9]。陈静波等利用SPOT5多光谱影像构建了北京市水体提取的决策树[10]。刘建波等人利用TM遥感影像第4、5和7波段，结合密度分割法获得了北京密云水库面积的变化情况[11]。徐涵秋在分析Mcfeeters提出的归一化差异水体指数（Normalized Difference Water Index，NDWI）的基础上，提出了改进的归一化差异水体指数（Modified NDWI， MNDWI），并分别用该指数提取了湖泊、河流和海洋，提取效果较好[12]。丁凤利用水体在近红外和中红外具有强吸收这一特征，提出了新的水体指数（New Water Index，NWI），该模型可以实现水体的快速提取，且精度较高[13]。混合水体指数模型（Combined Index of NDVI and NIR for Water Body Identification，CIWI）利用近红外和红光波段的灰度比值构成无量纲数，再与归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）相结合，进而达到增强水体、城镇和植被等地物之间的差异[14]。该模型优于其他水体指数模型，能够实现区域水资源分布的快速调查与监测，精确提取区域水体的形状和分布特征[15]。

本研究以洞庭湖地区为研究对象，利用CIWI模型提取洞庭湖地区2003、2008和2013年水体信息，并结合监督分类方法对结果进行对比验证，分析近十年洞庭湖的水体变化趋势。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

洞庭湖位于湖南省东北部，整个洞庭湖包括东洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖、大通湖四个湖区。洞庭湖东滨岳阳、汨罗，西至澧县、常德，南抵益阳、湘阴，北近安乡、华容，周边各县市。本研究根据湘江、资江、沅江、澧水四条河流注入洞庭湖的位置选定研究区域，以各县市行政区为研究单元，选取洞庭湖区15个县市作为研究区，包括澧县、临澧、安乡、汉寿、华容、南县、湘阴、岳阳8个县，津市、沅江、汨罗、临湘4个县级市，常德市、益阳市、岳阳市3个地级市的市辖区，总面积约25800km2，约占湖南省总面积的12.2%。

1.2 数据和方法

2003年2月、2008年3月和2013年2月18天合成的500m分辨率陆地表面反射率产品MOD09A1和16天合成的250m分辨率植被指数产品MOD13Q1下载于美国国家航空航天局。2003年2月和2008年3月的30m分辨率遥感数据来自美国陆地卫星七号（Landsat-7）ETM+传感器，下载于国际科学数据服务平台。2013年2月30 m分辨率遥感数据来自环境与灾害监测预报卫星（HJ-1A星）CCD传感器，下载于中国资源卫星应用中心。

图1 研究区地理位置示意图

表1 遥感影像数据说明

NDVI能够反映地表植被的覆盖程度[16]，可以将水体与植被信息分离；城镇和水体在MODIS第七通道近红外上反射率差异最大，可以将水体与城镇信息分离。因此将两者相结合构建CIWI水体指数模型[14]。CIWI模型可以表示为：

CIWI=NDVI+NIR+C（1）

NDVI=■（2）

NIR=■（3）

式中RED为红光波段反射率，NIR为近红外波段反射率，NIR为近红外波段反射率的均值。C为常数，本文取值范围为0.85～1。

首先，对MODIS数据进行预处理，利用ENVI 4.8对植被指数和地表反射率进行合成、镶嵌、投影和裁剪研究区等操作，然后在ArcGIS 10.0中构建CIWI模型，并反复试验阈值提取水体。监督分类使用ENVI软件中最大似然法，并在后期结合人工目视解译对水体提取结果进行修改。

2 结果和讨论

2.1 结果

CIWI模型提取水体结果表明，2003年水体面积为1471.50km2，2008年水体面积为1920.88km2，2013年水体面积为1236.88km2。监督分类结果表明，2003年水体面积为2217.64 km2，2008年水体面积为2349.99km2，2013年水体面积为1959.45km2。对比分析发现，CIWI模型提取的水体面积明显比监督分类的水体面积小，但总体变化趋势一致，均为2008年面积最大，2003年次之，2013年水体面积最小。相较于监督分类对水体的提取，CIWI模型提取的水体轮廓不明显，特别是细小河流以及坑塘等小面积水体的提取不完整（图3）。

图2 洞庭湖地区2003年-2013年水体面积变化

图3 洞庭湖地区CIWI模型和监督分类提取的水体

2.2 讨论

本研究使用CIWI模型，对洞庭湖地区近十年水体面积进行提取，并结合监督分类方法对结果进行验证。研究发现，2008年3月洞庭湖地区水体面积最大，2003年2月水体次之，2013年2月水体面积最小。使用CIWI模型提取的水体面积和使用监督分类提取的水体面积变化趋势一致，表明CIWI可以有效的提取区域水体面积。相关研究表明，洞庭湖水体面积整体在不断减少，调蓄洪水能力在不断减弱[2，17]。三峡工程运行后，受三峡水库蓄水和清水下泄河道冲刷的影响，干流水位下降，加之三口洪道淤积，减少了三口洪道的分流作用，从而影响洞庭湖水位变化[18]。湖体面积变化与降水量也有着密切的联系[19]，本研究发现2008年3月水体面积较2003年2月水体面积大，这可能是受到2008年降水的影响。

研究中CIWI模型提取的水体面积整体小于监督分类提取的水体面积，这可能是受数据分辨率的影响。监督分类的遥感数据分辨率分别为30m，而CIWI使用的遥感数据分辨率分别为250m和500m，会导致很多小面积的水体不能被提取。监督分类虽然提取的水体较准确，但受主观因素影响较多，且消耗时间较长。CIWI则可以实现水体快速的提取，而且方便对水体的时序变化进行研究。但是，本研究使用CIWI模型提取水体也还存在一定的不足。一方面，实验使用的是2月～3月的遥感数据，如果能使用5月～9月水体植被等地物反应更明显的遥感数据将更有利于水体的提取。另一方面，如何确定CIWI模型适当的阈值来有效的提取水体也有待进一步研究。

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