基于MODIS數據的曼谷洪水淹沒區信息提取

潘繼亞，王金亮（云南師范大學旅游與地理科學學院，云南 昆明650500）

基于MODIS數據的曼谷洪水淹沒區信息提取

潘繼亞，王金亮
（云南師范大學旅游與地理科學學院，云南 昆明650500）

選取2011年夏秋季3個時期的 MODIS圖像數據，通過方法比選，選取單波段閾值法對泰國開展了洪水淹沒區洪災監測研究。結果表明：①單波段閾值法比多光譜混合分析法更適用于曼谷洪水淹沒區水體信息提取。②曼谷洪水于2011年9月下旬明顯爆發，淹沒區面積逐漸擴大，尤其以市中心湄南河周圍最為明顯；10月下旬達到高峰，淹沒面積達到最大，全市各地區均陷入洪水災害中；11月下旬水勢退去，淹沒面積逐漸變小。提出了須進一步研究解決的問題。

MODIS；數據；處理；洪水；淹沒區；信息；曼谷

0 引言

洪水災害是當今世界上造成損失最大的自然災害，據聯合國統計，每年全世界在各種自然災害中，洪澇造成的損失占了 40％［1］。在洪澇災害發生時，快速、準確地提取水體信息，確定洪水淹沒范圍，為洪水的調度和防災減災決策提供依據，具有重要的意義［2］。

遙感技術在洪水監測應用中能克服監測點稀少、分散，監測過程費時、費力等缺點，在防洪救災工作中正發揮越來越重要的作用［3］。洪水淹沒區信息的提取是遙感監測中極為重要的方面。在防洪應用中，獲得遙感數據后還有兩個問題亟需解決：一是數據處理，主要是影像的校正；二是水體提取，主要是洪水淹沒范圍的提取。

目前我國可用于洪水監測的遙感資料主要有NOAA-AVHRR、TM、MODIS、SPOT和RADARSAT等。MODIS數據時間分辨率是0.5d，具有36個波段，覆蓋光譜范圍廣，在防汛應用中具有廣闊的前景，對應急處理有較大的實用價值［4］。

1 研究區概況

泰國位于亞洲大陸中南半島中南部，與柬埔塞、老撾、緬甸、馬來西亞接壤，東南臨泰國灣，西南瀕臨安達曼海。泰國國土總面積51.4萬km2，在東南亞國家中居第三位。

曼谷位于湄南河三角洲，湄南河下游，距暹羅灣40km，離入海口15km，全市面積1568km2。作為黃袍佛國泰國的首都，曼谷是全國政治、經濟、文化、教育、交通運輸中心，也是最大城市。曼谷城市地跨湄南河兩岸，地勢低洼，平均海拔不足2m。市內河道縱橫，貨運頻繁，有“東方威尼斯”之稱。曼谷港，是泰國和世界著名稻米輸出港之一。此外，曼谷還與中國的許多城市建立友好關系，如廣州、北京、上海，潮州等，跨國城際間的各種交往常年不斷。與曼谷相鄰的城市有佛統府、暖武里府、巴吞他尼府、龍仔厝府、北欖府、北柳府、坤西育府等。

泰國由于降水異常和地形排水不利等自然和人為因素頻發洪災，特別是2011年夏秋之際的曼谷特大洪澇災害，給曼谷人民帶來巨大的精神傷害和經濟損失。利用MODIS數據提取曼谷洪水期間的淹沒區范圍，為洪水動態監測提供依據具有重要意義。

2 資料來源和研究方法

2.1 資料來源及數據特點

MODIS數據是美國國家航天局（NASA）免費提供的衛星遙感數據，光譜范圍在0.4～14.4μm。數據有36個波段，其中2個波段的分辨率是250m，5個波段的分辨率是500m，其余29個波段的分辨率均是1000m。MODIS數據有較高的時空分辨率，是當前洪水監測極為有效的遙感數據。

MODIS數據的36個通道中，1、3、4、8～15波段在可見光范圍內，水體到陸地的過渡性不明顯。在2、5、6、7、16～19、26通道，處于近紅外波段范圍，是水汽的強吸收帶，水體的反射率較低，對土壤、植被的反射率較高，所以在這些通道的單波段圖像上水陸界線比通道1、3、4、8～15影像更為清晰可辨［5］。

表2中列出了MODIS數據的36個通道之中對水體敏感的通道參數。

表1 MODIS各波段分布特征

表2 MODIS遙感數據中對水體敏感的通道參數

綜上，通道 2、5、6、7、16～19、26、27、28均為MODIS進行水體提取適用的波段，對較大的水域，通道16、18是較好的選取波段，原因是這兩個通道的波段寬為0.01μm，能將極復雜的地物區分開；而對小水域范圍的提取，通道2則為最佳波段，因為有著0.03μm的波段寬度與250m的空間分辨率。

研究選取的影像為2011年9月17日—2011年12月15日，曼谷洪災區3個時期MODIS圖像數據，共12幅。

2.2 水體識別方法遴選

本文對單波段閾值法和多光譜混合分析法進行分析來研究曼谷水體信息的提取，并對比分析兩種方法的優缺點，以選用較合適的曼谷洪災水體提取方法。

2.2.1 單波段閾值法

單波段閾值法為提取水體最簡單易行的方法。基本原理是利用水體在近紅外波段上反射率低，容易與其它地物區分開來的特點。這個方法的缺點是無法將水體與山區陰影區分開，以致提取的水體往往比實際要多。

對單波段閾值法進行運用，要對幾類地物在幾個波段中灰度特征有一定了解，以此為基礎來反復檢驗，獲得合適的閾值（表3）。

表3 水體、植被、土壤在單波段MODIS影像的灰度特征

2.2.2 多光譜混合分析法

多光譜混合分析法針對所選地區及周圍的典型地物（比如林地、陰影、居民地等）進行分析，標出它們在各個波段上的光譜值，查找出同一波段各地物的異同，必要時可對各波段進行加、減、乘、除等運算，找出只有水體才滿足的關系，以此來構建水體提取的模型。

2.2.3 兩種方法的對比

本實驗采用的250m分辨率MODIS影像只有兩個波段：第一波段紅光區，第二波段近紅外區。如采用多光譜混合分析法，由于波段數目少，會有很大的局限性。

單波段閾值法雖存在無法把水體和山區陰影區分開以致提取的水體比實際要多的缺點，但對于非山區的特定時相和區域，特別像MODIS這樣高光譜的遙感數據，用閾值法進行試驗，若能夠獲得較滿意的提取效果，則容易實現水體的自動提取。而且，近紅外波段上水體反射率較低，也易與其它地物區分。

所以，單波段閾值法為曼谷洪水信息提取的首選方法。

3 結果與分析

3.1 淹沒區信息提取

通過在ENVI中建立決策樹，對幾類地物在單波段MODIS影像的灰度特征有一定了解（表3）。由此為基礎反復檢驗，獲得合適的閾值。圖1為利用MODIS數據第2波段即近紅外波段的閾值為0.19的單波段閾值法提取的水體信息結果。

在ENVI中提取完水體信息后，把圖導出，在Arcgis里面打開，建立屬性表，計算面積。泰國曼谷面積為1568.737km2，圖2所示為洪水淹沒范圍的面積時間圖。

圖1 洪水信息提取圖

圖2 淹沒范圍面積時間趨勢圖

從圖2中可看出淹沒范圍面積的動態變化，可知曼谷洪水于2011年9月下旬明顯爆發，淹沒區面積逐漸擴大，尤其以市中心湄南河周圍洪水面積最大且來勢洶涌；10月下旬達到高峰，淹沒面積達到最大，全市各地區均陷入洪水災害中；11月下旬水勢退去，淹沒面積逐漸變小。

文中所用MODIS數據空間分辨率為250m，分辨率較低。故針對此缺點，下載了空間分辨率較高的級數為13級、空間分辨率為35m的數據，選取MODIS數據中洪災后即2011年12月15日圖和與2012年5月10日稻歌影像中曼谷同一塊區域，比較提取的水體面積。2011年12月15日圖水體面積用單波段閾值法提取，面積為81.5km2，2012年5月10日稻歌影像水體面積用監督分類提取，面積為75.95km2。面積相差5.55km2，但是基本吻合。

3.2 曼谷洪災分析

2011年夏秋季曼谷發生半個世紀以來最嚴重的洪災，除去全球氣候變化和國家抗災能力等原因外，曼谷獨特地理位置和過度城市化也是主要原因：①泰國處于北部高原山區的迎風坡，受到西南季風的影響，來自海洋的水汽大量進入，水汽主要在迎風坡成云致雨，造成大量的雨降水。②泰國南部低洼的三角洲地區和中北部的低洼河谷由于排水不暢，可能出現水災。③降水季節分配不均勻，主要集中于夏季而且多暴雨。④2011年副熱帶高壓比往年位置偏北，強度偏大，移動緩慢，導致泰國雨季持續。⑤泰國人口稠密，成災損失大。

4 結語

MODIS是一個全新的遙感平臺，它的特點使得它在洪災、水質監測中有廣闊的發展前景。本文只是從理論上對利用MODIS遙感數據提取水體的方法進行了初步探討并應用于曼谷洪災淹沒區信息提取中，盡管只是理論探討，但這是進行洪災、水質監測的重要前提。

研究中還有很多需要進一步解決的問題：①洪水期間獲得的影像很多都是有薄云覆蓋的，去除云的影響，可以提高信息提取的精度；②在克服MODIS數據空間分辨率不是很高的問題時，可以采取多遙感數據融合的方法，綜合運用MODIS數據高時間分辨率和SPOT、TM等數據的高時間分辨率；③還應研究如何利用新的MODIS遙感數據，建立水體提取模型。

［1］劉猛，張金存，魏文秋，等.洪災的遙感調查方法研究［J］.長江職工大學學報，2001，18（l）：18-20.

［2］馮銳.洪澇淹沒范圍的遙感監測研究［J］.遼寧氣象，2002（4）：26-27.

［3］周紅妹，朱永，楊星衛，等.應用NOAA-AVHRR資料動態監測洪澇災害的研究［J］.遙感技術與應用，1999，11（2）：26-31.

［4］彭定志，徐高洪，胡彩虹，等.基于MODIS的洞庭湖面積變化對洪水位的影響［J］.人民長江，2004，35（4）：14-16.

［5］吳賽，張秋文.基于MODIS遙感數據的水體提取方法及模型研究［J］.計算機與數字工程，2005（7）：1-4.

InformationExtractionoftheFloodedAreainBangkok BasedontheMODISData

PANJi-ya，WANGJin-liang
（CollegeofTourism＆GeographicalSciences，YunnanNormalUniversity，KunmingYunnan650500，China）

Flooddisastercausesoneoftheworld＇sgreatestlossesinallnaturaldisasters.Whentheflooddisasteroccurs，extractingwaterbodyinformationquicklyandaccuratelycouldidentifythescopeofthefloodtoprovideascientificbasisfordisasterreliefandpost-disasterreconstruction.TheMODISimagedatainthreetimeperiodsofthe summerandfallof2011wereselected.Asinglebandthresholdmethodandmultispectralmixtureanalysismethod wereappliedtoconductthefloodmonitoringresearch.Theresultsshowedthatasinglebandthresholdwasmore suitableforinformationextractionthanspectralmixtureanalysismethod.Thefloodin2011inBangkokoccurredin lateSeptember.Thesubmergedareaexpandedgradually，especiallyaroundthecenteroftheChaoPhrayaRiver.ThefloodedareareachedthemaximumwhenthefloodingwasatthepeakinthelateOctober.Thefloodreceded untilthelateNovember.Then，thefloodedareagraduallybecamesmaller.

MODIS；dataprocessing；threesolidphaseextraction；flood；floodedarea；information；Bangkok

X87

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1673-9655（2015）03-0116-05

2014-10-16