基于ETM+数据的水体识别方法对比研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于ETM+数据的水体识别方法对比研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：以湖北省应城市的ETM+数据为例，对3种水体识别方法进行了对比研究。结果表明，单波段阈值法对于较大水体的提取效果较好，而对细小水体则难以识别；水体指数法对于细小水体的提取效果较单波段阈值法好，但是应用范围有局限，针对不同数据有不同的指数模型；K-T变换模型法精度最高，达到89.5%，对于较大水体和细小水体提取效果都较好，水体提取结果比较理想。

关键词：ETM+影像；水体识别方法；K-T变换模型

中图分类号：TP753 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）21-5326-03

Comparative Study on the Methods of Water Body Identification Based on ETM + Image

CHENG Wu-xue1，2，LI yue2，LI Hui-jun1，ZHOU Jie-ming1，YANG Cun-jian1

（1. Key Laboratory of the Evaluation and Monitoring of Southwest Land Resources， Ministry of Education， Chengdu 610068， China；

2. Sichuan Forestry Inventory and Planning Institute， Chengdu 610081， China）

Abstract： Taking the ETM+ image of Yingcheng city in Hubei province as an example， the methods of the water body identification were compared. The results showed that the effect was good by using the single-band threshold method for large water body extraction， while it was difficult to identify the small water body； Water index method’s extract effect was better than single-band threshold method， but the range of application had limitation， reguiring different index models for different data； K-T transformation model was the method，with highest indentification accuracy the method with highest identification accuracy， which reached up to 89.5%. The extraction effect of K-T transformation method was good both for large and small water bodies.

Key words： ETM+image； method of water body indentification； K-T transformation model

水体遥感识别的机理是水体与其他地类的光谱特性具有明显的差异，即水体在近红外和短（中）波红外波段的反射能量很少，而植物、土壤在这两个波段内的吸收能量较少，而且又具有较高的反射特性，这就使得水体在这两个波段上与植被、土壤有明显的区别。水体在这两个波段上反射率低呈现出暗色调，而土壤、植被反射率高则呈现出相对较亮的色调。在可见光通道波长范围内，水体的反射率高于植被，裸土的反射率高于植被；在近红外通道，裸土的反射率高于水体、低于植被[1，2]。

目前，提取水体的方法主要有单波段阈值法、多波段增强阈值法（即谱间关系法）、水体指数提取法、K-T变换综合提取法等。这些方法各有优势，但对于具体区域来说，哪一种更适合需要经过实践检验，为此以湖北省应城市为研究区域，对比不同水体识别方法的结果，寻找最佳的方法。

1 研究区概况及研究数据

文中所使用数据为湖北省应城市的一景ETM+影像，行列号为123/39，成像时间为2002年10月13日。应城市位于湖北省中部偏东，北部和中部属大洪山余脉，丘陵、低岗面积大约占70%，坡度一般小于10°，起伏平缓。海拔高程41～80 m，南部属江汉平原。河流东有涢水、漳水，中有大富水，南有汉北河。湖泊主要有东西汊湖、龙赛湖、大湖等。研究区内主要水体为东西汊湖、龙赛湖，并且有大量小湖泊、水塘；试验区地势较平缓，有大片的农田。研究区不存在地形阴影和云体阴影的影响。

2 研究方法

遥感影像中水体信息的提取方法主要是依据水体在不同波段上光谱的不同特征以及其他地物与水体的区别， 通过分析水体及背景地物的光谱特征，利用单个波段或多个波段组合来提取影像中的水体信息[3]。最常见的方法有最大似然法[4]、比值法、差值法、水体指数法[5]、归一化差分水指数法和归一化差分积雪指数法[6]、基于K-T变换或者LBV变换的信息综合提取法等。研究以etm+数据为基础，采用单波段阈值法、水体指数法及K-T变换模型法分别进行试验。

2.1 单波段阈值法

单波段阈值法[7]主要适用于水陆界限反映较好的影像，或者水体与背景地物相差较大的数据。TM影像中较常用的波段是第五波段，在该波段水体反射率低，呈现灰黑色，灰度值小，经过光谱采样确定阈值进行水体的提取。提取模型见公式（1），其中TM5表示第五波段的灰度值，T为灰度阈值：

TM5

2.2 水体指数法

目前，常用的水体指数包括归一化水体指数（NDWI）和改进归一化水体指数（MNDWI）[8]。经过试验验证，以上两种指数对于本文所涉及的研究区的水体提取效果均不好。另外，由闫霈等[9]提出的增强型水体指数（EWI）在本研究区的水体提取效果亦不是很好。故根据本文所使用的数据特征，对EWI指数模型进行了改进，结果如下式所示：

EWI=（Green-MIR1-MIR）/（Green+MIR1+MIR）

（2）

其中，Green代表绿光波段，MIR1代表短波红外波段（1.55～1.75 μm），MIR代表短波红外波段（2.08～2.35 μm）。Green、MIR1、MIR分别代表ETM+的2、5、7波段。

2.3 K-T变换模型法

为了对水体进行精确提取并消除各种阴影的影响，张景奇等[10]在传统的谱间关系法基础上对图像先进行了K-T变换（樱帽变换）。K-T变换后，只有水体变换后的波谱均值折线图具有W型特征，即只有水体具有GreenessFourth的特征，然后再应用决策树分类法进行水体自动提取。该方法简便易行，避免了阈值法中的人工找阈值的过程，有效消除了山体阴影以及云体阴影的影响，但仍然受混合像元的影响。

3 水体识别分析

3.1 水体提取

分别应用以上3种方法对试验数据进行水体提取。

1）单波段阈值法中选取第五波段，对数据进行光谱分析得到水体的光谱反应曲线，再经过反复试验，最终选取水体提取阈值为40，提取结果见图1。

2）水体指数法则应用公式（2）得到水体信息增强的灰度图，再通过阈值来进行水体的提取。经过反复试验确定水体提取阈值为-17.26，提取结果见图2。

3）K-T变换模型法中首先对原始图像进行缨帽变换，得到变换后的波谱均值折线图如图3所示。其中，波段1、2、3、4、5、6分别代表缨帽变换后的明度波段、绿度波段、湿度波段、第四波段、第五波段、第六波段。

从图3可以看出研究区数据部分水体具有W特征，而区域中的较细河流却不符合该特征，如果仅依据W特征来提取水体，那么这条较细的河流则提取不完整，这样得到的水体精度则会很低（图4）。故在进行水体提取时就不能只依靠该判断方法来进行水体提取，而应加入其他方法综合提取。试验中除了利用水体的W特征外，还加入了阈值法进行水体的提取，如图5所示。由图5可以看出，尽管部分河流不具备Wetness>Fourth这个条件，但是在Wetness波段水体的湿度值均大于其他地物。所以在进行决策树分类时加入了一个阈值条件，输入公式为：

（{tascap[2]} lt {tascap[3]}） and （{tascap[3]} gt {tascap[4]}） or （{tascap[3]} gt -10.12）

最后参照ETM+的全色波段，采用目视判读的方法，通过随机采样对3种方法的水体提取精度进行分析。首先在全色波段图上采200个水体样点，然后导入到水体提取图中，通过目视判读得到水体提取精度如表1所示。

3.2 结果与分析

研究结果表明，单波段阈值法简单易行，对于水体与背景地物亮度相差较大且水体面积较大时提取效果良好，对细小水体的提取则会出现多分现象。水体指数法存在一些区域性限制，且该方法也存在人工确定阈值所引起的误差，但其总的分类精度较单波段阈值法高。K-T变换操作简单易行，且提取的大、小水体如河流、湖泊、小水塘等，提取结果比较完整，总体精度为三者中最高。

4 小结与讨论

以湖北省应城市为研究区域，以ETM+数据为数据源，对比分析了单波段阈值法、水体指数法和K-T变换模型法等3种水体识别的方法与结果。各方法均有利弊，但从总体上看K-T变换法精度达到了89.5%，为最高；其次为水体指数法，为85.0%，单波段阈值法最低，为80.5%。在研究过程当中，本文只用了ETM+数据，而没有用其他精度更高的数据，在以后的研究中应使用多元遥感数据，这样对比更加多元化。另外，本研究只选取了3种常见的方法，并只做了简单的分析，在以后的研究中应对比更多的方法，而且要对一些方法进行相应的改进。

参考文献：

[1] 徐金鸿，陈淑娟.基于TM影像的水体信息提取[J].水土保持研究，2008，15（6）：161-163.

[2] 祝青林，刘 莉，尹文昱，等.东北区域水体密度指数估算方法[J].应用气象学报，2009，20（3）：365-369.

[3] 李小曼，王 刚，田 杰.TM影像中水体提取方法研究[J].西南农业大学学报（自然科学版），2006，28（4）：580-582.

[4] 陈华芳，王金亮，陈 忠，等.山地高原地区TM影像水体信息提取方法比较——以香格里拉县部分地区为例[J].遥感技术与应用，2004，19（6）：479-484.

[5] 闵文斌.长江上游MODIS影像的水体自动提取方法[J].高原气象，2004，23（增刊）：141-145.

[6] 王志辉，易善桢.不同指数模型法在水体遥感提取中的比较研究[J].科学技术与工程，2007，7（4）：534-537.

[7] 徐 强，石军南，刘建聪，等.ETM影像水体信息提取研究[J].黑龙江农业科学，2011，（8）：115-118.

[8] 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.

[9] 闫 霈，张友静，张 元.利用增强型水体指数（EWI）和GIS去噪音技术提取半干旱地区水系信息的研究[J].遥感应用，2007（6）：62-67.

[10] 张景奇，关 威，孙 萍，等.基于K-T变换的地表水体信息遥感自动提取模型[J].中国水土保持科学，2011，9（3）：88-92.