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第４７卷第２期 ２０１８年３月 内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖ０１．４７ ＮＯ．２ Ｍａｒ．２Ｏｌ８ 基于Ｌａｎｄｓａｔ卫星的庐山西海 水域面积提取和变化研究 聂欣然 ，刘 荣 ，杜神斌 ，乐华峰 ，聂爱球。 （１．东华理工大学测绘工程学院，江西南昌３３００１３； ２．流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室，江西南昌３３００１３； ３．江西省交通设计研究院有限责任公司，江西南昌３３０００２） 摘要：针对ＮＤＷＩ和ＭＮＤＷＩ两种指数在提取水体过程中会产生背景噪音和地物错提的现象，提出一种 能够减少无用背景信息的水体提取指数ＥＮＤＷＩ，利用ＴＭ影像的绿光波段、近红外波段和中红外波段建立归一 化比值模型．该方法不仅有良好的水陆分离性，还进一步减少了背景无用信息的干扰，提高了水体提取的精度．以 ＴＭ／ＯＬＩ影像为数据源，利用ＥＮＤＷＩ法对庐山西海２５年的面积变化状况进行监测．结果表明２５年间水库面积 有增有减，面积平均值为２８３．９９ｋｍ ，２０１６年面积达到最大为３１７．４５ｋｍ ；水库面积的变化是气候水文变化和人 类活动共同作用的结果． 关键词：庐山西海；水体提取；ＥＮＤＷＩ；变化 中图分类号：Ｐ ２３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—８７３５（２０１８）０２—０１６６—０７ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—８７３５．２Ｏ１８．Ｏ２．０１６ 水库是通过修建挡水坝或堤堰形成的人工湖，是陆地水圈的重要组成部分，在生活供水、蓄水灌溉、防洪 抗旱、局部气候调节等方面发挥着重大作用口］．遥感技术凭借着范围广、速度快、成本低和周期性等优点成为 监测水面面积变化的重要手段之一－＿２Ｊ． 目前，国内外研究人员在水域面积提取和动态监测方面开展了许多研究．曹荣龙等［３ 结合ＴＭ影像的中 红外波段和红光波段，构建了修订型归一化水体指数（Ｒｅｖｉｓｅｄ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｗａｔｅｒ Ｉｎｄｅｘ， ＲＮＤＷＩ），用于提取密云水库的水体，并估测了不同年份密云水库的水面面积．李晖等 ］选用归一化差异植 被指数（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ，ＮＤＶＩ）作为水体提取因子，对多时相三江源影像进行湖泊 边界提取，制作近３Ｏ年三江源地区２４个湖泊的变化图谱．张博等 利用ＴＭ、ＥＴＭ＋和ＣＢＥＲＳ的近红外波 段分别辅以相应阈值提取了扎陵湖和鄂陵湖水体，同时通过目视解译的方式获取了ＭＳＳ影像中两湖的边 界，得出了扎陵湖和鄂陵湖近３Ｏ年水面面积变化情况．严恩萍等 利用莫伟华口 提出混合水体指数（Ｃｏｒｎ— ｂｉｎｅｄ Ｉｎｄｅｘ ｏｆ ＮＤＶＩ ａｎｄ ＮＩＲ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｂｏｄｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，Ｃ１ｗＩ）识别洪湖市水体，结果表明洪湖市水面 面积在３Ｏ年中经历了“先萎缩后扩张”的变化过程．Ｏｕｍａ等＿８ 采用ＴＭ影像的近红外波段和中红外波段构 建归一化模型，提出了能够划分湖泊岸线的ＮＤＷＩ３，并用于描述肯尼亚五个裂谷湖的变化状况．吴川等 采 用ＭｃＦｅｅｔｅｒｓ［１叼于１９９６年提出的归一化差异水体指数（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｗａｔｅｒ Ｉｎｄｅｘ，ＮＤｗＩ）对２００２ 年至２０１１年丹江口水库的水面面积进行了提取，得到了丹江口水库面积的季节性变化状况和１０年间的增 长趋势．吴小君等ｎ 在比较了几种水体提取方法后，选用精度较高的改进归一化差异水体指数（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｗａｔｅｒ Ｉｎｄｅｘ，ＭＮＤＷＩ）［】 提取杞麓湖面积，得出１６年间杞麓湖的水域面积一直呈萎 缩状态．本文分析了ＮＤＷＩ和ＭＮＤＷＩ两种水体指数的特点后，构建出一种能减少无用背景信息的经验型 归一化差异水体指数ＥＮＤｗ１（Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｗａｔｅｒ Ｉｎｄｅｘ）用于庐山西海面积的提取，并 收稿日期：２０１７－０５—０３ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１２０６０７８） 作者简介：聂欣然（１９９２一），男，江西南昌人，东华理工大学硕士研究生，主要从事３Ｓ技术理论与应用研究 通讯作者：刘荣（１９６５一），男，江西兴国人，东华理工大学教授，主要从事摄影测量与遥感研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｒｌｉｕ＠ｅｃｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．
第２期 聂欣然等：基于Ｌａｎｄｓａｔ卫星的庐山西海水域面积提取和变化研究 分析了庐山西海２５年的面积变化状况． １ 研究区概况和数据 １．１研究区概况 表１研究区影像数据 Ｔａｂ．１ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅａ ｉｍａｇｅ ｄａｔａ 庐山西海地处九江修河的中上游，横跨修水、武 宁、永修３县，是国内最大的人工土坝水库ｍ］．水库 竣工于１９７５年末，流域面积９ ３４０ ｋｍ ，占整个修河 流域面积１４ ７００ｋｍ。的６３．５ ，总库容７９．２亿ｍ。，其 中防洪库容３２亿ｍ。，兴利库容３４．４亿ｍ。，是一座以 发电为主兼有抗洪、灌溉、运输和水产养殖的大型水 利水电工程Ｌｌ ． １．２数据及预处理 综合考虑影像的质量和连续性，采用Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ和ＯＬＩ数据（表１）进行实验，空间分辨率为３０ｍ×３０ｍ．相较于ＴＭ数据，ＯＬＩ数据增加了一个深蓝波 段（０．４３～０．４５ ｍ）、一个卷云波段（１．３６～１．３８ ｍ）和一个全色波段（Ｏ．５０～０．６８ ｍ），深蓝波段可用于海岸带观 测，卷云波段主要用于云检测，全色波段空间分辨率达到１５ ｍ，能区分植被与非植被；同时还调整了近红外 波段的光谱范围，由先前的Ｏ．７６～Ｏ．９０ ｍ缩小至０．８５～０．８８ ｍ，排除了０．８２５ ｍ处水汽吸收干扰．ＯＬＩ影像的 两个短波红外波段对应ＴＭ影像的中红外波段，波段范围有所缩减，其中短波红外１（ＯＬＩ６）处于水的吸收 带（１．４Ｏ～１．９０ ｍ）内，用于土壤湿度的反演；而短波红外２（ＯＬＩ７）则强化了矿产信息提取能力． 为减少庐山西海水面面积受季节性变化影响，本文８景影像均选在秋季，影像整体质量良好，研究区上 空无云或少云．该影像已进行过系统辐射校正、地面控制点几何校正和ＤＥＭ地形校正等处理．为减少几何校 正产生的误差和提高动态监测的精度，本文以１９９２年的影像作为基准影像对其余７景影像进行精确配准， 配准误差均控制在０．５以下，随后，利用ＥＮＶＩ５．１裁剪出研究区影像． ２ 水体提取方法比较和分析 ２．１水体指数的构建 用于提取水体的指数有很多，如ＮＤＷＩＥ¨］、ＭＮＤＷＩＥ ］、ＮＷＩ『ｌ５ 和ＲＮＤＷＩ［ ，其中使用最广泛的当属 归一化差异水体指数（ＮＤＷＩ）和改进的归一化差异水体指数（ＭＮＤＷＩ）．Ｍｃｆｅｅｔｅｒｓ受归一化植被指数 （ＮＤＶＩ）的启发，利用ＴＭ影像的绿光波段和近红外波段创建了能够抑制植被信息，增加水体信息的归一化 差异水体指数（ＮＤｗＩ），公式如下： ＮＤＷＩ一（Ｇｒｅｅｎ—ＮＩＲ）／（Ｇｒｅｅｎ＋ＮＩＲ） （１） 其中：Ｇｒｅｅｎ为绿光波段，对应ＴＭ影像的第２波段；ＮＩＲ为近红外波段，对应ＴＭ影像的第４波段． 徐涵秋在使用ＮＤＷＩ提取水体时发现，水体和建筑物在绿光和近红外波段有着相似的波谱特性，二者 极易出现混淆，产生背景噪音，所以对ＮＤＷＩ进行了改进，即采用反射率相对较高的中红外波段代替近红外 波段提取水体，减少了大部分建筑物信息的干扰，公式如下： ＭＮＤＷＪ一（Ｇｒｅｅｎ—Ｍ豫）／（Ｇｒｅｅｎ＋ＭＩＲ） （２） 其中：Ｇｒｅｅｎ为绿光波段，对应ＴＭ影像的第２波段；ＭＩＲ为中红外波段，对应ＴＭ影像第５波段，ＯＬＩ影像 中用短波红外波段１（ＳＷＩＲ１）代替． 本文研究ＮＤＷＩ和ＭＮＤＷＩ两种指数的优缺点后，提出一种能够进一步减少背景噪音和地物错提现象 的经验型归一化差异水体指数ＥＮＤＷＩ（Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｗａｔｅｒ Ｉｎｄｅｘ），采用中红外波段代 替ＮＤＷ１分子的近红外波段，增大分子与分母间的比值，从而增强水体和建筑物的反差，同时保留绿光波段 和近红外波段的和值作为分母，以便去除植被的干扰．公式如下： ＥＮＤＷＩ一（Ｇｒｅｅｎ—ＭＩＲ）／（Ｇｒｅｅｎ＋Ｎ豫） （３） 其中：Ｇｒｅｅｎ为绿光波段，对应ＴＭ影像第２波段；ＮＩＲ为近红外波段，对应ＴＭ影像的第４波段；ＭＩＲ为
内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版） 第４７卷 中红外波段，对应ＴＭ影像的第５波段，（）Ｉ Ｉ影像中用短波红外波段１（ＳＷＩＲ１）代替． ２．２提取结果和精度评价 本文以２００６年９月２３日庐ＬＪＪ西海的Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ影像为例（图１（ａ）），对ＮＤＷＩ、ＭＮＤＷＩ、ＥＮＤＷＩ三 种水体指数在庐山西海的适用性进行分析，水体提取的结果如图１（ｂ）、图１（ｃ）、图１（ｄ）所示． （ａ）庐山西海影像（ＲＧＢ：５４３） （ｂ）ＮＤＷＩ影像 （ｃ）ＭＮＤＷＩ影像 （ｄ）ＥＮＤＷＩ影像 图１庐山西海水体提取影像 Ｆｉｇ．１ Ｉ．ｕｓｈａｎ Ｗｅｓｔ Ｓｅａ ｗａｔｅｒ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ 本文通过建立混淆矩阵来计算总体分类精度、Ｋａｐｐａ系数、制图精度和用户精度等指标．三种水体指数 精度评价结果如表２所示． 表２庐山西海３种水体提取方法精度评价 Ｔａｂ．２ Ａｃｃｕｒａｃｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｌｕｓｈａｎ Ｗｅｓｔ Ｓｅａ
第２期 娃欣然等：举于１．ａｎｄｓａｔ卫星的庐…两海水域Ｉ酊积提取和变化研究 ·１ ６９· 由图１所示，－三种水体指数都很好地进行水陆分离，但略有瑕疵，ＮＤＷｌ在提取庐山西海细小支流会出 现少提或漏提的情况，且伴随少量建筑物错提的现象．对于零星水体的识别效果也不佳；ＭＮＤＷＩ相比于 ＮＤＷＩ提取的水体更加完整，不仅能有效地识别零星水体，还减少了建筑物信息的干扰．但在提取过程中易 夹杂部分背景噪音，且常混淆水体和山体阴影；本文所提出的ＥＮＤＷＩ不仅达到了ＭＮＤＷＩ的提取效果，还 进一步消除了背景噪音，提高了水体信息提取的精度，但同样ＥＮＤＷＩ在区别水体和山体阴影方面还有待加 强．根据表２可综合得出三种水体提取方法的精度高低依次为：ＥＮＤＷＩ＞ＭＮＤＷＩ＞ＮＤＷＩ，因此，本文以 ＥＮＤＷＩ作为庐山婀海水域的最佳提取模型． ３ 水库变化图谱和面积变化分析 ３．１ 水库变化图谱 通过上文实验得ｍ ＥＮＩ）ＷＩ法对庐ＩＪＪ西海２５年的水面面积进行提取，然后利｝ｆｊ ＡｒｃＧＩＳ计算出每个时 期庐山两海的面积，得到ｌ【）９２～２０ｌ６年问水库面积的变化，制作庐山西海２５年的面积变化图谱（图２）． ２庐ＬＬＪ西海面积变化 晰 Ｆｉｇ．２ ｔ．ｕｓｈａｎ Ｗｅｓｌ Ｓ｝】ａ ｎ ｒｅａ ｃｈａｌｉｇｅ ｍａｐ ３．２变化趋势分析 由图２和表３所示，过去２５年问庐ＬＬＪ西海的面积有增有减，总体呈增长趋势．２５年问水库水面面积的平 均值为２８３．９９ ｋｍ ．为了更直观地比较庐山 海各年的变化状况．本文引入缩减率指标进行分析。公式如下： 缩减率 （前一年水库面积一后一年水库面积）前一年水库面积×时问问隔 ×１００ ９／６ （４） ｌ９９２～２０００年，水库向积处于持续缩减状态，其【｛１ １ ９９２到ｌ ９９５年间，水库面积缩减程度较为平缓，总
内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版） 第４７卷 体减少Ｏ．８５ ｋｍ。，缩减率为０．１０ ；１９９５到２０００年，水库面积急剧下降，共减少３Ｏ．９０ ｋｍ ，缩减率达到 ２．２２％．２０００￣２００６年，水库面积有了大幅度回升．以２００３年为节点，２０００至２００３年，水库面积增加了 ４．７９ｋｍ。，缩减率开始呈现负值（一０．６４％）；２００３至２００６年，水库面积保持扩张态势，共增加了４Ｏ．９５ｋｍ ， 缩减率达到一５．４１ ．２００６～２００９年，水库状态从之前的扩张转化为收缩，总体缩减了３．８８ｋｍ。，缩减率为 Ｏ．４４ ．２００９￣２０１６年，水库面积又重新回到了增长状态．相较２００９年，２０１３年的水库面积增加了 ２４．６１ ｋｍ。，缩减率达到一２．１３ ，到２０１６年，庐山西海水面面积达到了２５年以来的最大值３１７．４５ ｋｍ ，较 １９９２年增加了３８．１３ ｋｍ ． 表３庐山西海面积变化状况 Ｔａｂ．３ Ｌｕｓｈａｎ Ｗｅｓｔ Ｓｅａ ａｒｅａ ｃｈａｎｇｅ ｓｔａｔｕｓ ３．３变化因素分析 根据江西省气象局和江西省统计局所提供气象和水文资料，绘制了庐山西海和九江地区的相关数据变 化趋势图，并与庐山西海面积变化趋势（图３）对比分析．由图４所示，１９９２－－－２０１６年，庐山西海年降水量经历 了先减少后增加的过程，这与庐山西海的面积变化规律相类似．２０００＂－－２００７年和２００７￣２０１５年两个时间段， 九江地区的气温、降水量和相对湿度呈现出不同的变化态势．２０００至２００７年，九江地区年均气温逐渐升高 （如图５），年降水量逐年减少（如图６），年均相对湿度也逐年降低（如图７），气候向暖干化方向发展．降水量的 