第一作者简介: 胡卫国(1989-),男,硕士研究生,主要从事遥感监测方面的研究。Email:wghu@whu.edu.cn。
针对我国西部高原湖区资源卫星遥感监测与应用需求,开展资源一号02C星(ZY-1 02C)图像水体信息提取方法研究。用归一化植被指数和归一化差异水体指数进行龙羊峡库区水体信息提取,并将二者结合,提出决策树水体信息提取方法。以人工解译的水体区域为参考,对水体区域的整体提取结果、细节提取结果和误提取率进行统计和对比分析。实验结果表明,NDVI法易受到薄云的影响,但受冰雪和地形的影响较小; NDWI法在冰雪、薄云和山体阴影等成像条件下会受到不同程度的影响; 决策树法虽然受山体阴影等地形的影响较大,但是能有效地消除冰雪和薄云等气候环境的干扰。
Taking into consideration the needs of the remote sensing monitoring and application with Chinese resource satellite in west highland lakes, the authors carried out research on water extraction method by using ZY-1 02C satellite images. The two traditional spectral indexes i.e., the normalized difference vegetation index(NDVI)and the normalized differential water index(NDWI), were used to extract the water bodies in Longyangxia reservoir and, by combining these two kinds of water extraction method, a decision tree water extraction method was presented in this paper. Taking the manual interpretation of the water region as the reference,the authors used the overall area of the water extraction results, the detail extraction and the rate of error extraction results to make statistic and comparative analysis. The experimental results show that the NDVI method is susceptible to the influence of thin cloud, but is less affected by snow and terrain. Under the imaging conditions of snow,thin cloud and mountain shadows,the NDWI method is subject to different degrees of impact. In spite of the fact that it is susceptible to mountain terrain effects such as shadows,the method of the decision tree can effectively eliminate the interference of climate conditions such as snow and thin cloud.
随着空间信息科学的发展, 水体信息提取已成为遥感研究领域的主要分支之一[1]。近年来, 我国对水体的遥感研究主要围绕Landsat TM/ETM+, SPOT, 中巴资源卫星和环境小卫星等几个主要的中、高分辨率卫星多光谱图像开展。徐涵秋[2]在归一化差异水体指数(normalized difference water index, NDWI)的基础上提出改进的归一化差异水体指数(modified NDWI, MNDWI), 进行ETM+图像水体信息提取; 王培培[3]利用ETM+数据, 通过光谱特征分析和归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)实现水体信息自动提取; 都金康[4]等提出SPOT图像决策树水体信息提取方法; 陈蕾等[5]利用波谱差异关系提取出TM图像的水体分布信息; 沈金祥等[6]利用面向对象的图像分析方法提取出了山区湖泊TM图像的水体信息; 韩晶等[7]对SPOT多光谱图像分别采用单波段阈值法、谱间关系法、光谱指数法、光谱面积法和决策树法等5种方法进行水体信息提取; 范登科[8]等对环境星CCD图像采用NDVI, NDWI和归一化差异综合水体指数(combined index of NDVI and NIR for water identification, CIWI)等3种方法进行水体信息提取和对比分析。现有的中、高分辨率卫星多光谱数据水体信息提取方法主要有单波段阈值法、谱间关系法、光谱指数法、面向对象法和决策树法等。
2011年12月22日, 我国资源一号02C卫星(简称ZY-1 02C星)在太原卫星发射中心成功发射升空。ZY-1 02C卫星设计寿命为3 a, 搭载有全色多光谱相机和全色高分辨率相机, 主要任务是获取全色和多光谱图像数据, 可广泛应用于国土资源调查、水利、农业、林业及生态环境等重要领域[9]。如何充分利用ZY-1 02C星多光谱图像, 找到合适的水体信息提取方法还鲜有报道, 已成为资源卫星应用研究的一项重要课题。本文针对我国西部高原湖区资源卫星遥感监测与应用需求, 开展ZY-1 02C星图像水体提取方法的研究, 提出决策树水体提取方法。
选择我国青藏高原上的龙羊峡库区为研究区。该库区位于青海省共和县境内的黄河上游, 是黄河流经青海大草原后进入黄河峡谷区的第一峡口。它是中国库容量第二大的水库, 仅次于三峡水库[10]。龙羊峡库区水体的研究, 对我国西部高原水体信息提取研究和对黄河电力和水资源调度以及防凌有一定的意义。
选取由水利部水利信息中心提供的覆盖龙羊峡库区(获取时间为2012年2月5日12:13)的2景ZY-1 02C星1级多光谱图像为数据源。该图像有绿、红和近红外3个波段, 空间分辨率均为10 m。通过中国资源卫星应用中心提供的RPC有理函数模型对上述2景图像进行了几何纠正, 此时图像的像元值是经过系统辐射校正和几何纠正的DN值。这2景图像均未能单独完全覆盖龙羊峡水库, 因此对其进行了镶嵌和区域裁剪, 并将经过预处理的图像数据导出成TIFF格式文件。
根据ZY-1 02C星的数据特点, 选用NDVI[8]和NDWI[11]进行水体信息提取, 并结合这2种水体提取指数, 提出一种决策树水体信息提取方法。
水体在近红外波段明显的比在红波段吸收性强, 二者的DN值差异较大, 故水体的NDVI值呈现负值。因此, 可用ZY-1 02C星图像的近红外波段和红波段组合来提取水体目标。归一化差异水体指数NDWI由Mcfeeters[11]提出, 由于水体的反射率从可见光到近红外依次降低, 在近红外波段几乎无反射, 因此可用绿波段和近红外波段的反差组成的NDWI进行水体信息提取。同时, 由于植被在近红外波段具有很强的反射, 利用绿波段和近红外波段的组合还可以极大地抑制植被的影响, 从而将水体与其他地物区分开。
在进行水体指数运算时, 同一景图像的定标系数实际上被约分去掉, 因此可以用像元DN值代替表观反射率进行光谱指数计算。对计算得到的NDVI和NDWI图像进行灰度直方图分析, 选取合适阈值进行图像二值化, 以区分水体和背景物。NDVI和NDWI的灰度直方图如图1所示。
从图1可以看出, NDVI和NDWI的像元灰度值均为双峰分布, 占比例较大的波峰区域代表图像中的非水体像元, 而占比例较小的波峰区域代表水体像元。根据双峰灰度分布图的阈值选取经验, 选取2个波峰之间的平缓区间的谷底值作为阈值[12], 得到NDVI和NDWI图像的二值化阈值分别为-0.156和0.257。
本文在NDVI和NDWI方法的基础上, 提出了一种决策树水体提取方法。首先, 对计算得到的NDVI图像进行二值化。由于水体与含水量高的植被、浅滩及山体阴影等易造成错分现象, 为了最大程度地保护水体区域, 故应选取稍大的阈值。NDVI图像灰度直方图呈双峰分布, 为了使水体区域被最大程度地保留, 同时也不至于使非水体被错分为水体的概率过大, 故选择非水体起点值-0.127作为二值化的阈值。然后, 以二值化后的NDVI图像作为水体掩模, 将其和NDWI图像进行掩模运算, 得到NDWI掩模图像。经过这一步处理后, NDWI图像中的非水体地物得到很大程度的去除。最后, 利用经掩模运算后的NDWI图像灰度直方图选取合适的阈值, 对NDWI图像进行二值化处理。通过对NDWI掩模图像及其灰度直方图进行分析知, 灰度值在[0.19, 0.24]区间内的像元主要为受冰雪、薄云和山体阴影等影响的像元, 为了有效消除这些因素的影响, 阈值应在该区间内选取。以0.01为间隔, 依次选取0.19~0.24之间的值作为阈值进行图像二值化, 发现选择0.21作为阈值时水体提取结果最佳。图2为决策树水体提取的技术流程。
用NDVI, NDWI和决策树3种方法, 分别对龙羊峡库区ZY-1 02C星图像进行水体提取。由于龙羊峡不同年份和季节的水域变化较大, 难以真实地确定水体实际分布, 故用人工解译从原始图像中提取出龙羊峡库区水体矢量图, 将其作为实际水库区域的参考。3种方法的水体信息提取结果如图3所示。
从图3可以看出, 3种方法均很好地提取了西北部库岸线; 而在东北部和东南部沿岸, NDVI法对水库东北部的库岸和黄河河道存在较多的漏提取现象, 而对东南部湖岸有轻微的过提取现象。NDWI法对东北部湖岸和河道也有较多的漏提现象, 对东南部库岸有过提取现象; 但其漏提取程度比NDVI法低, 过提取程度比NDVI法高。决策树法很好地提取了东北部库岸区域, 只是在东北部黄河河道存在轻微的漏提取现象, 但在东南部库岸存在比NDVI和NDWI法都多的过提取现象。
为了找到影响水体提取结果的原因, 分析了研究区域内除水体之外的地物类别。根据先验知识, 水体提取的精度主要受到冰雪、薄云、山体阴影和混合地物的影响。为了研究这些因素对水体信息提取结果的影响程度, 对3种方法提取结果的细节进行了对比分析, 如表1所示。
![]() | 表1 库岸提取细节对比 Tab.1 Comparison in detail of lakeshore extraction |
从表1可以看出:
1)NDVI法和决策树法受冰雪影响较小, 冰雪覆盖的库岸被较完整地提取出来; NDWI法受冰雪影响较大, 被冰雪覆盖的库岸存在较多漏提取现象。
2)受薄云影响, NDVI法存在较多的漏提取现象, 且出现较多噪声点; NDWI法的漏提取程度次之, 也出现部分噪声点; 决策树法将库岸较准确地提取出来, 几乎无误提取现象。
3)受山体阴影(白色椭圆内)的影响, NDWI法和决策树法存在较多的水体过提取现象, 即较多的山体阴影像元被误提取为水体像元; NDVI法只存在轻微的水体过提取现象, 但是较另外2种方法出现了更多的噪声点。
4)受山体阴影和薄云的混合影响, NDVI法和NDWI法出现很严重的水体漏提取现象; 决策树法较完整地提取出了河道轮廓, 但受到山体阴影的影响, 部分山体阴影像元被误提取为水体像元, 且水体区域出现部分噪声点。
综上所述, 冰雪对3种方法水体提取结果的影响程度为NDWI法> 决策树法> NDVI法; 薄云对水体提取结果的影响程度为NDVI法> NDWI法> 决策树法; 山体阴影对水体提取结果的影响程度为决策树法> NDWI法 > NDVI法。
在参照人工解译水体区域的情况下, 在水体提取的二值图像中, 实际为水体而被错分为背景地物的像元数占实际水体像元总数的百分比被称为“ 漏提率” , 实际为背景地物而被错分为水体的像元数占实际水体像元总数的百分比被称为“ 过提率” , 二者被统称为“ 误提率” , 其取值范围为[0, 1], 其值越接近于0, 代表漏提率或过提率越低, 提取效果越好; 其值越接近于1, 代表漏提率或过提率越高, 提取效果越差。本文中的3种水体提取方法的误提率见表2。
![]() | 表2 3种水体信息提取方法的误提率 Tab.2 Error rates of water extraction by 3 methods |
从表2可以看出, 决策树法的漏提率最小, NDWI法次之, NDVI法的漏提率最大; 而NDVI法的过提率最小, NDWI法次之, 决策树法的过提率最大。结合上文分析其原因可知, NDVI法和NDWI法易受薄云影响, 导致部分水体像元被误提取为背景像元; 而薄云对决策树法几乎无影响。薄云对这3种方法的影响程度依次为NDVI法> NDWI法> 决策树法, 故其水体的漏提率的大小顺序与此一致。同理, 水体信息提取的结果受到山体阴影不同程度的影响, 导致背景像元被误提取为水体像元。山体阴影的影响程度依次为决策树法> NDWI法> NDVI法, 因此呈现出过提取率的大小顺序为决策树法> NDWI法> NDVI法。
1)本文以ZY-1 02C星图像为数据源, 用NDVI和NDWI这2种传统的光谱指数进行水体提取, 并结合2种光谱指数提出了决策树水体提取方法。
2)通过对3种方法的提取结果进行评价分析发现, NDVI法水体提取结果易受薄云的影响, 但能有效消除冰雪和山体阴影的影响; NDWI法的水体提取结果受冰雪、薄云和山体阴影的综合影响, 其中受冰雪和薄云的影响较大; 决策树法的水体提取结果受山体阴影的影响较为严重, 而受冰雪影响较小, 但能有效地消除薄云对水体提取结果的影响。
3)实验结果表明, 传统的光谱指数法能有效地提取地物类型明显的库岸, 受山体背景的影响较小, 但易受到云雪等成像气候条件的干扰; 决策树法虽然受山体等地形因素的影响较大, 但能有效地克服云雪等气候条件的影响。
本文采用3种方法均能较准确地提取水体信息, 但均需要人工干预及目视解译, 且阈值选取的精确性尚未得到验证。今后的研究重点将集中于能够消除地形因素影响的决策树水体提取方法及水体提取的自动化, 为ZY-1 02C星数据在水资源方面的研究和应用提供支持和参考, 以提高资源卫星在水资源方面的监测能力和社会效益。
The authors have declared that no competing interests exist.
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