第２７卷第５期 ２０１２年１Ｏ月 遥感信息 ＲＥＭ０ＴＥ ＳＥＮＳＩＮＧ ＩＮＦＯＲＭＡＴ１０Ｎ Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．５ ０ｃｔ．，２Ｏ１２ 基于ＴＭ影像的几种常用水体提取方法的比较和分析 毕海芸①～，王思远①，曾江源①～，赵岩①～，王辉①～，殷慧①’② （①中国科学院对地观测与数字地球科学中心，北京１０００９４；②中国科学院研究生院，北京１０００４９） 摘要：随着遥感技术的飞速发展，利用遥感数据来进行水资源的监测、调查和分析已成为一种必然的趋势。 从遥感影像中快速、准确地提取水体信息，是进行水资源调查和监测的一种重要的方法和手段。目前进行水体提 取的方法有很多，本文选取了常用的３种水体提取方法，即单波段阈值法、基于阈值的多波段谱间关系法、基于阈 值的水体指数法，然后分别选取典型的武汉平原地区和宜昌山地地区为研究区，以Ｌａｎｄｓａｔ５ ＴＭ影像为数据源， 通过实验来比较和分析这３种水体提取方法分别在平原地区和山地地区的优势和不足。 关键词：ＴＭ影像；水体提取；阴影；平原；山地 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００～３１７７．２０１２．０５．０１４ 中图分类号：ＴＰ７９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—３１７７（２０１２）１２３—００７７—０６ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｖｅｒａｌ Ｃｏｍｍｏｎ Ｗａｔｅｒ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭ Ｉｍａｇｅ ＢＩ Ｈａｉ－ｙｕｎ￣～，ＷＡＮＧ Ｓｉ－ｙｕａｎ￣，ＺＥＮＧ Ｊｉａｎｇ－ｙｕａｎ￣～，ＺＨＡＯ Ｙａｎ０～，ＷＡＮＧ Ｈｕｉ０～，ＹＩＮ Ｈｕｉ①＇０ （①Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｅａｒｔｈ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅａｒｔｈ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９４； ②Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｕｓｉｎｇ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄａｔａ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｍｏｎｉｔｏ— ｒｉｎｇ，ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａｎ ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅ ｔｒｅｎｄ．Ｔｈｅ ｆａｓｔ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｒｅ— ｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｍａｇｅｒｙ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｙ ｗａｙｓ ｔＯ ｅｘｔｒａｃｔ ｗａｔｅｒ ｉｎｆｃｌｒｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｍａｇｅｒｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｈｒｅｅ ｃｏｍｍｏｎ ｗａｔｅｒ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈａｔ ｉｓ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌ￣ｂａｎｄ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｂａｎｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｒ— ｍａｌｉｚｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｗａｔｅｒ ｉｎｄｅｘ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ｔｈｅｎ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｐｌａｉｎ ａｒｅａ，Ｗｕｈａｎ ｃｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｍｏｕｎ— ｔａｉｎｏｕｓ ａｒｅａ，Ｙｉｃｈａｎｇ ｃｏｕｎｔｒｙ，ａｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｒｅａ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｈｅ Ｌａｎｄｓａｔ５ ＴＭ ｉｍａｇｅ ａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄａｔａ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｅａｋｎｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｌａｉｎ ａｎｄ ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ａｒｅａ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＴＭ ｉｍａｇｅ；ｗａｔｅｒ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ；ｓｈａｄｏｗ；ｐｌａｉｎ ａｒｅａ；ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ａｒｅａ 引 言 坏的特点［２］，利用遥感数据来提取水体，进而对水资 源进行调查和监测，得到了广泛的研究。目前水体 地球表面７４ 的水体无论作为一种资源，还是 提取的方法有很多，从整体来说，有基于影像光谱特 作为一个环境因子，或是洪涝灾害的源头，都受到了 性的提取方法，如阈值法、多波段谱间关系法、水体 人们格外的重视，成为遥感研究的重要分支之一 ¨。 指数法、比值法、差值法等；有基于影像纹理特征的 由于遥感数据具有感测范围大、信息量大、更新时间 提取方法，如李小涛等 将地统计学应用于纹理分 快，以及实时性和动态性且对被调查对象不产生破 析，利用变差函数来描述影像的纹理特征，然后利用 收稿日期：２０１１—１２—１３ 修订日期：２０１２—０２～１５ 基金项目：国家９７３项目：“空天地一体化对地观测传感网的理论与方法（ＮＯ：２０ｌ１ｃＢ７Ｏ７１ｏｏ）”；国家重大科学装置项目“航空遥感 系统”中：“面向科学目标的应用支撑系统”。 作者简介：毕海芸（ｉ９８８￣），女，湖北省宜昌市人，硕士在读，主要从事遥感与ＧＩＳ应用研究。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｉｈａｉｙｕｎ１９８８＠１２６．ｃｏｍ ７７— 遥感信息 水体的纹理特征来对水体进行提取；此外，还有既考 虑影像的光谱特性，又综合考虑影像的空间特性和 纹理特性的面向对象的提取方法，如张继平等＿４ 利 用面向对象的方法对极高海拔区水体及冰川信息进 行了提取，对河流、冰川和湖泊进行了有效的区分。 虽然水体提取的方法很多，但目前应用最多的仍然 是传统的基于影像光谱特性的提取方法，其中又以 阈值法、多波段谱间关系法、水体指数法应用最为广 泛。本文通过选择不同地形的研究区，来比较和分 析这３种常用水体提取方法分别在不同地形条件下 的优势和不足。 ２研究数据和研究区域 ２．１ 研究数据 目前，多波段卫星影像数据是进行水资源提取 最常用的数据源，ＭＳＳ、ＴＭ、ＥＴＭ和ＣＢＥＲＳ等多 波段信息源不仅分辨率较高，而且逐渐面向大众用 户免费开放，从而加大了其应用范围，成为最主要的 数据源＿５］。整体来说，目前应用最多的是用ＮＯ— ＡＡ—ＡＶＨＲＲ气象数据、Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ和ＳＰＯＴ影 像数据提取水体。由于陆地卫星Ｌａｎｄｓａｔ的时间分 辨率和空间分辨率都较高，因此本文选取Ｌａｎｄｓａｔ５ ＴＭ数据作为研究数据。ＴＭ影像包含７个波段的 数据，１～５波段和７波段空问分辨率为３０ｍ，第６ 波段空间分辨率为６０ｍ。 ２．２研究区域 为了对比和分析３种方法分别在不同地形区 域的有效性，本文共选取了两块研究区域：以平原 为主的武汉地区和以山地为主的宜昌西部地区。 武汉是湖北省的省会，位于江汉平原东部，地处东 经１１３。４１ ～１１５。０５ ，北纬２９。５８ ～３１。２２ 。武汉地 区水资源分布广泛，地处长江中下游，世界第三大河 长江及其最长支流汉江横贯市区，水域面积达 ２２０５．０６ｋｍ ，占总面积的２５．７９ ，居中国首位，且 地形以平原为主，因此本文选取武汉地区的部分区 域为平原地区的典型代表。本文使用２００８年３月 １１日过境的Ｌａｎｄｓａｔ５ ＴＭ数据，其轨道号为１２３— ３９，图像经过几何校正后，选取１０９０×６４３像元的子 影像作为研究区。 宜昌位于湖北省西南部，长江上游与中游的结 合部，地处东经１１０。１５ ～１１２。０４ ，北纬２９。５６ ～３１。 ３４ 。宜昌是著名的“水电之乡”，以长江为主脉，河 流多、密度大、水资源也很丰富，且宜昌的地形以山 脉为主，尤其是宜昌地区的西部，西北部是大巴山， ７８ 中部巫山，西南部是武陵山，因此本文选取宜昌西部 地区的部分区域作为山地地区的典型代表。本文使 用２００９年ｌ１月２３日过境的Ｌａｎｄｓａｔ５ ＴＭ数据， 其轨道号为１２５—３９，图像经过几何校正后，选取 １４３８×８２０像元的子影像作为研究区。 ３水体提取方法的比较和分析 常用的Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ遥感影像水体信息提取方 法主要是依据水体和其他地物在ＴＭ ７个波段上光 谱特征的差异，利用单个波段或多个波段构造一定 的水体提取模型，将水体和其他地物区分开来。比 较常用的有单波段阈值法、多波段谱问关系法、水 体指数法、比值法、差值法等。本文主要选取单波 段阈值法、基于阈值的多波段谱间关系法、基于阈 值的水体指数法这３种方法来进行比较和分析， 并在平原和山地分别选取不同的研究区，通过实验 来比较这３种方法分别在不同地形条件下提取水体 的有效性。 ３．１水体的光谱特征 水体作为自然界中的重要客体，它在电磁波 波谱的各波谱段上反映的特征是遥感图像水体提 取的基础＿６Ｊ。由图１可以看出，和其他地物比起 来，水体的总体反射率较低，大约为３ 左右，且水 体的反射主要集中在可见光波段，尤其是蓝绿波段， 到了０．７５ｕｍ处的近红外波段，水体的反射率显著 衰减，从０．８ｕｍ的近红外波段往后，水体的反射率 基本为０。而植被和土壤以及城市在近红外波段反 射率相对都较高，尤其是植被，在近红外波段反射率 达到了一个峰值。因此在近红外影像上，水体一般 呈现出很暗的色调，而植被、土壤等其他地物一般呈 现出亮色调，两者形成了鲜明的对比和反差。水体 的这一光谱特征是我们提取水体的重要理论依据。 图１几种典型地物的光谱特性曲线 ３．２水体提取方法 ３．２．１单波段阈值法 阈值法是利用某种地物与背景地物在某一波段 上的反射率（或像元灰度值）的差异，确定某一数值 为区分该地物和背景地物的方法 。本文选取 ５期 毕海芸等：基于ＴＭ影像的几种常用水体提取方法的比较和分析 ＴＭ５波段数据，ＴＭ５波段为短波红外波段，水体在 这一波段吸收最强，反射率几乎为零，因此在该波段 的影像上通过选择一定的阈值Ｔ，小于该阈值的为 水体，大于该阈值的即为其他地物。水体的提取模 型如下所示： ＴＭ５＜Ｔ （１） ３．２．２基于阈值的多波段谱间关系法 在ＴＭ影像，通过分析水体及其他地物的光谱 特性曲线，发现只有水体具有波段２灰度值加波段 ３灰度值大于波段４灰度值加波段５灰度值的谱间 特征，而其他地物都不具有此特征［９］，因此利用此特 征可以很好地将水体提取出来。但实验证明，单独 利用谱间关系法的提取效果不好，因此本文采用基 于阈值的多波段谱间关系的方法，即通过选取一定 的阈值Ｔ，满足式（２）的为水体，不满足的即为其他 地物。水体的提取模型如下所示： （ Ｍ２＋ ）一（ＴＭ４＋ＴＭ５）＞Ｔ 如 ∞ （２）如 瓣按 ３．２．３基于阈值的水体指数法 我们最熟悉的指数莫过于归一化植被指数 ＮＤＶＩ，Ｍｃｆｅｅｔｅｒｓ受其启发提出了归一化水体指数 ＮＤＷＩ，其计算公式如下： ＮＤＷ 一（ＴＭ２一ＴＭ４）／（ＴＭ２＋ＴＭ４）（３） 但实验证明，单独利用水体指数的方法效果也 不太理想，因此本文采用基于阈值的水体指数的方 法，即通过选取一定的阈值Ｔ，满足式（３）的为水体， 不满足的即为其他地物。水体的提取模型如下所示： （ＴＭ２一ＴＭ４）／（ＴＭ２＋ Ｍ４）＞Ｔ （４） ３．３不同方法间的比较 单波段阈值法原理简单，操作简便，但其中最关 键的是阈值的确定，阈值选取的准确性直接决定了 最终水体提取的准确性，因此单波段阈值法在地物 类型丰富、地物在所选波段上灰度值接近的影像上 具有一定的局限性 ］。同时单波段阈值法只利用了 单个波段的数据，且由于水体和阴影在ＴＭ影像各 个波段的反射率相差不大，如图２所示，在ＴＭ５波 段上，水体和阴影的反射率非常接近，很难找到一个 准确的阈值将水体和阴影完全区分开来，从而造成 水体提取质量较差，水体阴影混淆严重。因此单波 段阈值法多适用于无地形起伏的平原地区，在地形 起伏较大，阴影较多的山地地区并不适用。 多波段谱间关系法综合利用了多个波段的光谱 信息，因此提取效果往往要比单波段阈值法要好，尤 其是在山地地区，它能将水体和阴影很好地区分开 来。虽然阴影和水体在单个波段上的灰度值可能有 所混淆，用单一的阈值无法将两者区分开来，但是它 们在各个波段间的变化趋势还是有所差别的，如图 ２所示，水体在ＴＭ２波段和ＴＭ３波段的灰度值均 小于同波段阴影的灰度值，而在ＴＭ４波段和ＴＭ５ 波段的灰度值均大于同波段阴影的灰度值，因此通 过这４个波段之间的有效组合，即利用（ＴＭ２＋ ＴＭ３）减去（ＴＭ４＋ＴＭ５），可以增大水体和阴影灰 度值的差异，从而将两者很好地区分开来。所以该 方法特别适合山区地区的水体提取，而在平原地区 无法很好地发挥它的优势。 ＼ ＼ ＼ ＼． ＼ ＼ ． ｍ 加 遥感信息 明：在平原地区，基于阈值的水体指数法提取的效果 ］比值运算，所以它能在一定程度上消除地形差异的 ］］］ ］］］］ 稍微优于单波段阈值法和基于阈值的多波段谱间关 系法，但３种方法提取的效果无太大差异，均能有效 影响，由于水体和阴影都具有ＴＭ２波段灰度值大 于ＴＭ４波段灰度值的特征，因此该方法提取出的 水体中仍然混杂着一部分阴影；基于阈值的多波段 地提取出水体。但３种方法都有一个缺陷，就是不 能很好地区分水体和建筑物，因此在平原地区提取 水体时必须考虑选用其他的方法来消除建筑物的影 响，比如可以引入ＤＥＭ数据或者建立其他的水体 提取模型等。在山地地区，这３种方法提取水体的 效果具有明显差异，单波段阈值法提取的效果最差， 提取的水体中出现了大片面积的阴影；基于阈值的 谱间关系法充分利用了水体和阴影在不同波段间的 变化趋势和走向不同，利用不同波段间的组合来增 加两者的灰度差异，从而很好地将阴影和水体区分 开来，是最适合于山地地区的水体提取方法，该方法 不仅能准确地提取出所有水体，而且提取的水体基 本没有受到山地阴影干扰。总之，以上３种方法各 有优劣，不能绝对地说哪种方法最好，实际应用中， 应根据区域实际地形条件来选择最合适的水体提取 方法。 水体指数法由于具有比单独一个波段更加丰富的信 息，因此相对于单波段阈值方法而言，它提取的水体 信息则有相当的改善和提高，且因采用了归一化的 参考文献 杨莹，阮仁宗．基于ＴＭ影像的平原湖泊水体信息提取的研究［Ｊ］．遥感信息，２０１０（３）：６Ｏ一６４． 江晖．水体信息自动提取遥感研究一以丽江地区为例［Ｄ］．北京：中国地质大学（北京），２００６． 李小涛，黄诗峰，郭怀轩．基于纹理特征ＳＰＯＴ ５影像水体提取方法研究ＥＪ］．人民黄河，２０１０，３２（１２）：５—６． 张继平，刘林山，张镱锂，等．面向对象的极高海拔区水体及冰川信息提取～以珠穆朗玛峰国家级自然保护区核心区为 例ＥＪ］．地球信息科学学报，２０１０，１２（４）：５１７—５２３． 王海波，马明国．基于遥感的湖泊水域动态变化监测研究进展ＥＪ］．遥感技术与应用，２００９，２４（５）：６７４—６８４． 谭衢霖，刘正军，胡吉平，等．应用多源遥感影像提取鄱阳湖形态参数［Ｊ］．北京交通大学学报，２００６，３０（４）：２６—３０． 童庆禧，等编著．中国典型地物波谱及其特征分析［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９０． 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一以香格里拉县部分地区为例［Ｊ］．遥感技术 与应用，２００９，１９（６）：４７９—４８４． Ｉ－９］ 周成虎，骆剑承．遥感影像地学理解与分析ＥＭ］．北京：科学出版社，２００３． ［１Ｏ３ 吴建平，杨星卫．遥感数据分类结果的精度分析［Ｊ］．遥感技术与应用，１９９５，ｌＯ（１）：１７—２４． Ｅｓｒｉ更关注企业级ＧＩＳ的应用 在２０１２第十届Ｅｓｒｉ中国用户大会期间，Ｅｓｒｉ总裁杰克・丹杰蒙德（Ｊａｃｋ Ｄａｎｇｅｒｍｏｎｄ）再一次亲临Ｅｓｒｉ 中国用户大会，向中国用户阐述了本次大会的主题“ＧＩＳ：Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｏｕｒ Ｗｏｒｌｄ”，并且介绍了Ｅｓｒｉ的最新成 果。在接受媒体的采访中谈到Ｅｓｒｉ更关注企业级ＧＩＳ的应用。对于微软、苹果、亚马逊等互联网巨头都纷 纷涉足地图服务领域，丹杰蒙德先生说：“这是一件让人非常激动的事情，让我非常高兴，因为这些大型公司 拥有非常强的技术实力，他们的加入帮助我们创造了机会，让所有的人都意识到数字地图的存在和ＧＩＳ的 存在，帮助我们打开了大型客户想要应用ＧＩＳ的需求。这也使这些大型客户意识到他们可以使用ＧＩＳ展现 他们的数据，我们要做的就是帮助他们更好地应用地图。”但是丹杰蒙德先生也强调，“这些公司更关心的是 消费者群体，并不关注企业级ＧＩＳ的应用。相反，我们并不关注大众消费群体，重点是帮助企业和组织构建 他们自己的地图。” ８２