基于水體指數的艾比湖湖水面積提取對比研究

羅崇亮

摘 要：艾比湖是新疆第一大鹽水湖，現今湖水萎縮嚴重，及時、宏觀監測和調查新疆艾比湖對實施規劃和有效保護措施具有重要意義。水體指數計算簡單快捷，水體的提取精度高，得到了研究學者的廣泛應用。該文利用歸一化水體指數NDWI、改進的歸一化水體指數MNDWI、增強型水體指數EWI、修訂型歸一化水體指數RNDWI、新型水體指數NWI、新型水體指數NEW六種水體指數和決策樹技術對水體進行提取，研究結果表明MNDWI、RNDWI、NEW提取的水面積較大，精度不高，將濕度較大的土壤也分為水體，而NWI提取的水體面積最小，水位較淺的湖水錯分為陸地，而NDWI和EWI指數提取的水體邊界最接近水體的真實邊界。經過目視解譯，發現EWI水體指數的方法精度最佳。

關鍵詞：艾比湖 水體指數 landsat OLI 數據

中圖分類號：TP751 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0034-02

艾比湖位于新疆維吾爾自治區，是新疆的第一大鹽水湖。博爾塔、精河、奎屯河分別從西、南、東三個方向匯入艾比湖，因而構成湖水的主要來源。湖面是橢球形，平均水深為2～3 m，湖面海拔為189 m。中華人民共和國成立初期湖面積達1200 km2，可是由于自然界的自然因素影響以及人類的不合理利用影響，甚至是人為破壞，導致湖面萎縮，目前面積僅剩500 km2左右，嚴重威脅天山北坡經濟帶的可持續發展。因此迫切需要對水資源進行合理利用和規劃設計，但是在實施有效措施前需要對研究區域的水體分布特征、變化以及人類活動對水體的影響有一定程度的了解。

該文針對鹽度較高、水位淺的艾比湖，以landsat 8 OLI傳感器獲得的遙感圖像為數據源，利用常見的6種水體指數和決策樹技術進行湖水邊界和面積提取，比較分析水體指數在本研究區域的適用性，進而選擇最佳的水體指數。

1 水體指數的計算

水體對于電磁波的輻射，具有反射、散射、吸收和透射作用。在可見光波段600nm之前，水的吸收少、反射率較低、存在大量透射，水體可見光反射率約為5%左右；在近紅外、中紅外波段內，水體的吸收率很強，幾乎吸收全部的入射能量，因此在紅外波段的反射能量很小，反射率幾乎為零。水體整體反射率低（<10%），因此水體之間的光譜差異與陸地上其他地物光譜特征間的差異相比要小得多，利用差異可以識別水體。為了增強這種差異，人們提出了水體指數，它可以增強水體的表現特征，抑制植被、裸土等其他地物的表現特征。隨著科學在不斷地進步，水體指數的計算方法也進行了相對的修改與創新，至今為止方法已經有很多了，而這些方法適用在各個不同的區域，以保證每個區域都有適合自己的方式、方法來解決自己的區域問題。該文選取了表1中的6種典型的水體指數，對新疆艾比湖地區的Landsat OLI數據進行水體指數的計算。

新疆艾比湖地區的Landsat8衛星過境軌道號為145029，由于篇幅關系，該文以2013年9月18日過境的OLI傳感器多光譜數據為例進行算法對比分析，如圖1所示。其中圖1為OLI傳感器數據Band4（紅光波段）、Band3（綠光波段）和Band2（藍綠波段）進行真彩色合成后的影像數據。

利用表1的水體指數公式進行計算，增強后圖像結果如圖2所示，水體指數增強了水體信息，圖像中的水體和陸地是黑白分明，可以清晰的區分水體和土地。由水體的光譜特性可知，水體的綠光波段反射率大于近紅外波段和中紅外波段的反射率，水體的藍光波段反射率大于中紅外波段反射率，因此NDWI、MNDWI、EWI、NWI、NEW五種方法的水體計算值要大于零，而陸地正好相反，因此得到的圖像中水體顯示的是明亮的白色，土地顯示的是灰暗的黑色。而由于水體的中紅外波段反射率明顯小于紅光波段反射率，水體所在位置的RNDWI水體指數計算值小于零，而陸地的計算值大于零，因此水體顯示的是灰暗的黑色，土地顯示的是明亮的白色。

2 水體提取

在水體指數的基礎上，利用決策樹分類方法進行湖水邊界和面積的提取。利用ENVI軟件構建決策樹，設定合適的閾值，并對分類后的結果進行分類后處理（聚集分類和平滑處理），即Sieve Classes和Clump Classes操作，獲得二值分類圖，其中1為水體，0為陸地，如圖3所示。

3 對比分析

為了便于對比分析，利用ENVI 5.1 軟件獲得湖泊邊界，并與原影像重合顯示，如圖4所示。圖4中紅色線代表的是NDWI提取的水體邊界，藍色代表MNDWI提取的水體邊界，亮黃色代表EWI提取的水體邊界，土黃色代表RNDWI提取的水體邊界，綠色代表NWI提取的水體邊界，玫粉色代表NEW提取的水體邊界。由圖4可見，六種方法都存在不同情況的誤差，主要影響因素是含水量高的湖岸土壤和水位較低的湖水。放大湖水左上角的部分見圖4（b），對比六種方法，我們發現MNDWI、RNDWI、NEW三種水體指數劃分的水體范圍比較大，將含水量高的湖岸土壤劃分到了水體中，精度較低；NWI水體指數劃分的水體邊界將一部分湖水錯分為陸地，精度也不高；只有NDWI和EWI兩種方法接近。結合圖4（c）對比發現，NDWI水體指數確定的水體范圍中還有陸地，可是EWI水體指數劃分的湖泊邊界在湖水和陸地之間，因此經過目視判斷覺得EWI水體指數的方法比較合適。

最后該文將不同水體指數提取的水體面積進行統計對比，見表2。

由表2可見，MNDWI、RNDWI、NEW三種方法得到的水體面積比較接近，而且比較大；NWI水體指數方法得到的水體面積是最小的。NDWI、EWI兩種方法得到的水體面積大小相差不大，驗證了前面的分析結果。結合算法對比分析和提取面積的結果，本文認為EWI水體指數在艾比湖湖水面積提取中效果最佳。

4 結論

新疆艾比湖湖面萎縮和湖濱地區荒漠化程度加劇，基于研究地區的遙感信息提取水體信息可以彌補常規方法在提取時的缺陷。該文利用歸一化水體指數NDWI、改進的歸一化水體指數MNDWI、增強型水體指數EWI、修訂型歸一化水體指數RNDWI、新型水體指數NWI、新型水體指數NEW六種水體指數和決策樹技術對水體進行提取，研究結果表明MNDWI、RNDWI、NEW提取的水面積較大，精度不高，將濕度較大的土壤也分為水體，而NWI提取的水體面積最小，水位較淺的湖水錯分為陸地，而NDWI和EWI指數提取的水體邊界最接近水體的真實邊界。經過目視解譯，發現EWI水體指數的方法精度最佳。

參考文獻

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