基于CIWI模型的洞庭湖地區水體變化識別

楊 驍

（湖南師范大學，湖南 長沙 410000）

0 前言

洞庭湖位于長江中游南岸，地處湖南境內，是我國第二大淡水湖。由于其獨特的地理環境和氣候條件，適宜大量的水生動植物生長、繁殖，自然資源十分豐富。洞庭湖承納湘、資、沅、澧四水而吞吐長江，是長江流域最重要的集水、蓄洪湖盆，是我國重要的濕地之一[1]。自2003年三峽水庫的運行，荊江“三口”入湖流量大為減少，導致洞庭湖水位偏低[2]，使湖區原來穩定的水位漲落規律被打破，同時對洞庭湖區生態環境也產生了重大的影響。因此，研究洞庭湖的水體變化趨勢意義深遠。

近年來關于水體信息提取的研究方法主要有單波段、多波段和水體指數法等[3-8]。Barton等人利用AVHRR影像數據的第4波段識別水體，并對洪水進行晝夜監測[9]。陳靜波等利用SPOT5多光譜影像構建了北京市水體提取的決策樹[10]。劉建波等人利用TM遙感影像第4、5和7波段，結合密度分割法獲得了北京密云水庫面積的變化情況[11]。徐涵秋在分析Mcfeeters提出的歸一化差異水體指數（Normalized Difference Water Index，NDWI）的基礎上，提出了改進的歸一化差異水體指數（Modified NDWI，MNDWI），并分別用該指數提取了湖泊、河流和海洋，提取效果較好[12]。丁鳳利用水體在近紅外和中紅外具有強吸收這一特征，提出了新的水體指數（New Water Index，NWI），該模型可以實現水體的快速提取，且精度較高[13]。混合水體指數模型(Combined Index of NDVI and NIR for Water Body Identification，CIWI)利用近紅外和紅光波段的灰度比值構成無量綱數，再與歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）相結合，進而達到增強水體、城鎮和植被等地物之間的差異[14]。該模型優于其他水體指數模型，能夠實現區域水資源分布的快速調查與監測，精確提取區域水體的形狀和分布特征[15]。

本研究以洞庭湖地區為研究對象，利用CIWI模型提取洞庭湖地區2003、2008和2013年水體信息，并結合監督分類方法對結果進行對比驗證，分析近十年洞庭湖的水體變化趨勢。

1 數據和方法

1.1 研究區概況

洞庭湖位于湖南省東北部，整個洞庭湖包括東洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖、大通湖四個湖區。洞庭湖東濱岳陽、汨羅，西至澧縣、常德，南抵益陽、湘陰，北近安鄉、華容，周邊各縣市。本研究根據湘江、資江、沅江、澧水四條河流注入洞庭湖的位置選定研究區域，以各縣市行政區為研究單元，選取洞庭湖區15個縣市作為研究區，包括澧縣、臨澧、安鄉、漢壽、華容、南縣、湘陰、岳陽8個縣，津市、沅江、汨羅、臨湘4個縣級市，常德市、益陽市、岳陽市3個地級市的市轄區，總面積約25800km2，約占湖南省總面積的12.2%。

1.2 數據和方法

2003年2月、2008年3月和2013年2月18天合成的 500m分辨率陸地表面反射率產品MOD09A1和16天合成的250m分辨率植被指數產品MOD13Q1下載于美國國家航空航天局。2003年2月和2008年3月的30m分辨率遙感數據來自美國陸地衛星七號（Landsat-7）ETM+傳感器，下載于國際科學數據服務平臺。2013年2月30 m分辨率遙感數據來自環境與災害監測預報衛星 （HJ-1A星）CCD傳感器，下載于中國資源衛星應用中心。

圖1 研究區地理位置示意圖

表1 遙感影像數據說明

NDVI能夠反映地表植被的覆蓋程度[16]，可以將水體與植被信息分離；城鎮和水體在MODIS第七通道近紅外上反射率差異最大，可以將水體與城鎮信息分離。因此將兩者相結合構建CIWI水體指數模型[14]。CIWI模型可以表示為：

式中RED為紅光波段反射率，NIR為近紅外波段反射率，NIR為近紅外波段反射率的均值。C為常數，本文取值范圍為0.85～1。

首先，對MODIS數據進行預處理，利用ENVI 4.8對植被指數和地表反射率進行合成、鑲嵌、投影和裁剪研究區等操作，然后在ArcGIS 10.0中構建CIWI模型，并反復試驗閾值提取水體。監督分類使用ENVI軟件中最大似然法，并在后期結合人工目視解譯對水體提取結果進行修改。

2 結果和討論

2.1 結果

CIWI模型提取水體結果表明，2003年水體面積為1471.50km2，2008年水體面積為1920.88km2，2013年水體面積為1236.88km2。監督分類結果表明，2003年水體面積為 2217.64 km2，2008年水體面積為2349.99km2，2013年水體面積為1959.45km2。對比分析發現，CIWI模型提取的水體面積明顯比監督分類的水體面積小，但總體變化趨勢一致，均為2008年面積最大，2003年次之，2013年水體面積最小。相較于監督分類對水體的提取，CIWI模型提取的水體輪廓不明顯，特別是細小河流以及坑塘等小面積水體的提取不完整（圖3）。

圖2 洞庭湖地區2003年-2013年水體面積變化

圖3 洞庭湖地區CIWI模型和監督分類提取的水體

2.2 討論

本研究使用CIWI模型，對洞庭湖地區近十年水體面積進行提取，并結合監督分類方法對結果進行驗證。研究發現，2008年3月洞庭湖地區水體面積最大，2003年2月水體次之，2013年2月水體面積最小。使用CIWI模型提取的水體面積和使用監督分類提取的水體面積變化趨勢一致，表明CIWI可以有效的提取區域水體面積。相關研究表明，洞庭湖水體面積整體在不斷減少，調蓄洪水能力在不斷減弱[2,17]。三峽工程運行后，受三峽水庫蓄水和清水下泄河道沖刷的影響，干流水位下降，加之三口洪道淤積，減少了三口洪道的分流作用，從而影響洞庭湖水位變化[18]。湖體面積變化與降水量也有著密切的聯系[19]，本研究發現2008年3月水體面積較2003年2月水體面積大，這可能是受到2008年降水的影響。

研究中CIWI模型提取的水體面積整體小于監督分類提取的水體面積，這可能是受數據分辨率的影響。監督分類的遙感數據分辨率分別為30m，而CIWI使用的遙感數據分辨率分別為250m和500m，會導致很多小面積的水體不能被提取。監督分類雖然提取的水體較準確，但受主觀因素影響較多，且消耗時間較長。CIWI則可以實現水體快速的提取，而且方便對水體的時序變化進行研究。但是，本研究使用CIWI模型提取水體也還存在一定的不足。一方面，實驗使用的是2月～3月的遙感數據，如果能使用5月～9月水體植被等地物反應更明顯的遙感數據將更有利于水體的提取。另一方面，如何確定CIWI模型適當的閾值來有效的提取水體也有待進一步研究。

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［2］賴錫軍,姜加虎,黃群.三峽工程蓄水對洞庭湖水情的影響格局及其作用機制[J].湖泊科學,2012,24(2):178-184.

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［6］李玉鳳.基于SPOT-5衛星影像的南四湖水體信息提取與土地覆被分類研究[D].濟南:山東大學,2008.

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［9］Barton IJ,Bathols JM.Monitoring floods with AVHRR [J].Remote Sensing of Environment,1989,30(1):89-94.

［10］陳靜波,劉順喜,汪承義,等.基于知識決策樹的城市水體提取方法研究[J].遙感信息,2013,28(1):29-37.

［11］劉建波,戴昌達.TM圖像在大型水庫庫情監測管理中的應用[J].環境遙感,1996,11(1):54-58.

［12］徐涵秋.利用改進的歸一化差異水體指數(MNDWI)提取水體信息[J].遙感學報,2005,9(5):589-595.

［13］丁鳳.基于新型水體指數(NWI)進行水體信息提取的實驗研究[J].測繪科學,2009,34(4):155-157.

［14］莫偉華,孫涵,鐘仕全,等.MODIS水體指數模型(CIWI)研究以及應用[J].遙感信息,2007,93:16-21.

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［19］劉可群,梁益同,黃靖,等.基于衛星遙感的洞庭湖水體面積變化及影響因子分析[J].中國農業氣象,2009,30(2):281-284.