利用增强型水体指数（EWI）和GIS去噪音技术提取半干旱地区水系信息的研究

利用增强型水体指数（EWI）和GIS去噪音技术提取半干旱地区水系信息的研究 利用增强型水体指数(EWI)和GIS去噪音 技术提取半干旱地区水系信息的研究 遥意信息?曩应用 利用增强型水体指数(EWI)和GIS去噪音技术 提取半干旱地区水系信息的研究 闰霈,张友静,张元 (河海大学水文水资源及水利 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 国家重点实验室,江苏南京210098) 摘要:准确提取流域水系信息是进行水资源开发利用的首要任务.利用NDWI和MNDWI提取半干旱地区 水系,无法有效的区分水系内的半干涸河道与背景噪音.本文在分析半干旱地区水系与背景噪音反射特点的基 础上,提出了增强型水体指数EwI(EnhancedWaterIndex),有效地区分了半干涸河道与背景噪音.在利用形状 指数去噪音方法的基础上,使用GIS技术去除背景噪音,弥补了形状指数去噪音方法的缺陷,更好的去除了水系 提取过程中混入的背景噪音.综合使用上述两种方法,可以快速,准确,简便地提取出半干旱地区的水系.为此 类地区水资源的开发利用打下了基础. 关键词:EWI;半干旱地区;水系提取;GIS;去噪音技术 中图分类号:TP79文献标识码:A文章编号:1000—3177(2007)94—0062—06 1引言 准确提取流域水系是进行水资源开发利用的首 要任务.利用中分辨率遥感影像提取水系,数据更 新快,成本低,不易受人为因素干扰,在近年来得到 了广泛的应用. 使用遥感影像提取水系,常见的方法主要有单 波段阈值法,谱间分析法,水体指数法等n].单波段 阈值法选取近红外波段并辅以阈值来提取水体], 这种方法使用简单,但是很难去除水体中混杂的阴 影.谱间分析法通过分析水体与背景地物的波谱曲 线特征,找出二者之间的变化规律,进而用逻辑表达 式将水体提取出来],此方法精度较高,但使用起 来比较复杂,且地域通用性差.水体指数法是将水 体反射强的波段和反射弱的波段通过比值运算构建 归一化的指数,并结合一定的阈值提取水系,常用的 指数包括归一化水体指数(NDwD和改进的归一化 水体指数(MNDWI)口].由于简便易用,水体指数 法被广泛使用.然而,在利用上述两种水体指数提 取半干旱地区的水系时,效果并不理想. 半干旱地区的水系,在非汛期存在部分半干涸 的河道.利用和提取水系,无法有效地将半干涸河 道与背景信息中的植被,居民地,土壤等噪音区分 开,难以保证提取水系的准确性,给当地水资源的开 发利用带来了困难. 本文在分析半干旱地区水系与背景信息反射特 点的基础上,提出一种增强型水体指数,解决了半干 涸河道和背景噪音无法区分的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 .并在形状指数 去噪音技术的基础上,使用GIS技术去除背景噪 音,弥补了形状指数去噪音方法的缺陷,更好的去除 了水系提取过程中混人的背景噪音,保证了水系提 取的准确性.为水资源的开发利用打下了基础. 2水体指数的构建 2.1半干旱地区水系河道的遥感信息模型 半干旱地区的水系存在两类河道:一类是有水 的河道,在遥感影像上表现为水体;另一类是半干涸 的河道. 水体对人射光具有强吸收性,在大部分遥感传 感器的波长范围内,呈现较弱的反射率,具有随波长 的增加而进一步减弱的趋势.清澈水体的遥感信息 模型根据其反射率可以近似表示为:蓝光>绿光> 红光>近红外>短波红外口].泥沙含量的增加,会 导致水体反射率的提高,光谱曲线的反射蜂往长波 方向移动(图1).由于水体在近红外及中红外波段 范围内(740,2500nm)具有强吸收的特点,水体在 这一波长范围内几乎无反射率,因此,这一波长范围 常被用来研究水陆分界,圈定水体范围Ls]. 收稿日期:2007--04—02修订日期:2007—04—09 作者简介:囝霈,2005年获河海大学地理信息系统专业学士学位,现为河海大学攻 读地图学与地理信息系统专业硕士研究生.目前 的研究方向为资源环境遥感与地理信息系统应用. 62 一薏应用遥感信息 半干涸河道的基本组成物质是河床上的泥沙, 这些物质的光谱特征类似于居民地和土壤,总体上 呈现而近红外波段反射率较低的,其他波段反射率 较接近的特点.此外,由于河床上泥沙的含水量高 于居民地和土壤,所以半干涸河道在近红外和短波 红外波段的反射率要低于土壤和居民地(图1). 图1半干旱地区水系与背景信息的波谱特征 (以洛河流域LandsatETM+影像为例) 2.2EWI的构建 水体指数是根据波段比值法原理,将水体反射 强的波段和反射弱的波段分别作为分子和分母.通 过比值运算进一步扩大二者的差距,使湿度信息明 显的地物得到最大的亮度增强,而其他背景地物受 到普遍的抑制.目前,常用的水体指数包括归一化 水体指数NDWI(NormalizedDifferenceWater Index)和改进归一化水体指数MNDWI(Modi— fiedNDWI)口],具体表达式如下: NDwj一(Green—NjR)/(Green+NjR)(1) MNDwj一(Green—MjR)/(Green+NjR) (2) 式(1)中Green代表绿光波段,如ETM+2波 段,代表近红外波段,如ETM+4波段;式(2)中 MIR代表短波红外波段,如ETM+5波段.由于 水体的反射从可见光到短波红外波段逐渐减弱,在 近红外及短波红外波段几乎无反射,因此采用可见 光与近红外波段反差构成的NDWI和采用可见光 与短波红外波段反差构成的MNDWI都可以突出 影像中的水体信息.此外,由于植被在近红外波段 反射最强,可见光与近红外波段的反差可以很好的 抑制植被信息;同理,居民地和土壤在短波红外波段 反射率较高,可见光与短波红外波段的反差可以很 好的抑制居民地和土壤等信息.因此,NDWI对于 抑制影像中的植被噪音,MNDWI对于抑制居民地 和土壤等噪音均可取得很好的效果,间接突出了影 像中的水体信息. 然而,在半干旱地区使用上述两种水体指数提 取水系时,提取效果并不好.首先,在半干旱地区, 水系中的半干涸河道在波谱特征上和居民地,土壤 类似(图1).如果利用MNDWI提取水系,很可能 在抑制居民地,土壤等背景噪音的同时,把半干涸的 河道也当作噪音抑制掉,造成水系的不完整.其次, 如果采用NDWI提取水系,由于土壤,居民地等噪 音在绿光波段和近红外波段的反射特征与水体几乎 一 致,即绿光波段的反射率远远大于近红外波段,很 容易与水体混淆,形成噪音.最后,无论是NDWI 还是MNDwI,只是片面的强调了对某一种背景噪 音的抑制,而半干旱地区流域地貌复杂,不仅有植被 信息,也存在居民地,耕地等地物,单纯采用一种水 体指数,无法抑制所有的噪音. 但是,通过分析图1可以发现:由于含水量较 高,半干涸河道在4波段和5波段的反射率要低于 土壤和居民地;而在2波段,半干涸河道和土壤,居 民地的反射率相差不大.因此,如果将式(1)和式 (2)加以结合,用近红外波段与短波红外波段的和 (即4波段+5波段)代替式(1)中的近红外波段,则 计算出的指数值增大了半干涸河道与土壤,居民地 的差异,可以更好的区分二者,进而提取出半干涸的 河道.与此同时,无论是清澈水体还是含沙水体,在 近红外波段与短波红外波段的反射率都很低,替换 后得到指数值依然是很大的正值,保证了水体提取 的效果.此外,由于同时引入了近红外波段与短波 红外波段,替换后的指数可同时拥有NDWI和 MNDWI的优势,即在很好的抑制居民地,土壤等 噪音的同时,也可抑制植被噪音.综上所述,本文提 出以下EWI EWI—Green—NlR—MlR)f (Green+NjR+MjR)(3) 其中,Green代表绿光波段,如ETM+2波段, NIR代表近红外波段,如ETM+4波段,M豫代表 短波红外波段,如ETM+5波段.Ewj即En— hancedWaterIndex,意为增强型水体指数. 2.3实验验证 为了验证EwJ的有效性,选取了含沙量高的 河道水体,清澈的水库水体,以及半干涸河道这三种 半干旱地区水系的组成成分,对NDWI,MNDw, EWI进行了水系提取实验,并对三种水体指数获得 的结果影像利用水系与背景地物的反差值进行对比 评价.即 C—l哪一bl(4) 63 遥感信息置愚匝用 其中,c为反差值,叫s为水系的水体指数均值,b 为背景地物的水体指数均值. 本次实验所采用的数据为Landsat7ETM+数 据,遥感软件采用ENVI4.2. 2.3.1河道水体 河道水体的提取以黄河中游某段为实验区(图 2(a)).实验区的背景地物兼有居民地,土壤和植 被.使用式(1),(2),(3)分别生成NDWI,MND— WI,EwI影像(图2(b),(c),(d)).从图中可以看 出,在NDWI和MNDWI指数影像中,虽然水体被 增强,但一些背景地物的灰度值也呈正值.其中 NDWI影像中居民地的均值达到0.17,而MND- wI影像中植被的均值也达到了0.04(表1),形成了 明显的噪音.这是因为,NDWI和MNDW1只单 一 的引人近红外或短波红外波段,无法抑制所有的 背景噪音.而这一现象在EwI指数影像中得到明 显改善,居民地,土壤,植被等噪音均被抑制(图2 (d)).这主要是因为EwI结合了NDwI和 MNDWI的优点,同时引人了近红外和短波红外波 段,使各类背景噪音的EwI均值都为负值(表1), 从而抑制了背景噪音.进一步考察河道水体与各类 背景地物的反差值可以发现,C(河道水体与植 被)一0.42大于C(河道水体与植被).州一0. 33,而c(河道水体与居民地)一0.29大于c(河 道水体与居民地)~Dw一0.18,反差值的增大有利于 前景物与背景物的区分.通过上述分析可以发现, EwI在河道水体的提取效果上优于NDWI和 MNDWI.最后,取阈值为0对EwI指数影像的河 道水体进行提取,结果与水体的实际范围相符(图2 (c)). 表1河道水体与背景居民地,土壤和植被的亮度均值,NDWI均值,MNDWI均值和EWI均值 1波段2波段3波段4波段5波段7波段NDW1MNDWIE工 河道水体92.9570.1463.9333.9932.2824.49O.350.37O.O3J —— 植被92.4371.2164.3694.8765.5838.13一O.140.04一O.39 居民地&土壤106.3589.9298.4763.990.3476.76O.170.01一O.26 c(河道水体与植被)=0.49c(河道水体与植被).=0.33c(河道水体与植被)一0.42 c(河道水体与居民地,土壤)一O.18c(河道水体与居民地,土壤)ND—O.36c(河道水体与居民地,土壤)=O.29 图2河道水体的NDWI,MNDWI,EWI影像 (a)黄河中游河道432波段合成影像(b)黄河中游河道NDWI影像(c)黄河中游河道MNDWI影像 (d)黄河中游河道EWI影像(c)基于EWI的黄河中游河道水体提取二值影像图 2.3.2水库水体 水库水体提取实验选择在河南省洛河流域黄家 湾水库.实验区背景以植被,土壤为主(图3(a)). 使用式(1),(2),(3)分别生成NDWI,MNDWI, EwI影像(图3(b),(c),(d)).从图中可以看出, 在指数影像中,土壤均值达到0.12(表2),形成明显 的噪音.其原因在于土壤和水体同样具有2波段的 反射均值明显高于4波段的特点(图1),因此,土壤 的NDWI均值和水体一样为正值.而MNDWI, 影像差别不大,这是因为该EwI影像中的水库水 体清澈,含沙量很低,而MNDWI和EwI均引人了 短波红外波段,此波段对于区分清澈水体与陆地界 限效果明显].两幅影像中水体与两种背景噪音的 64 反差也几乎相等(表2).因此,在清澈水体提取效 果上,MNDWI和EwI相差不大.取阈值为0对 EwI指数影像的水库水体进行提取,结果与水体的 实际范围基本相符(图3(c)). 2.3.3半干涸河道 半干涸河道的提取以河南省洛河流域中游某支 流段为实验区(图4(a)),影像右侧人字形区域为半 干涸河道,背景噪音兼有植被,土壤.采用式(1), (2),(3)分别生成NDWI,MNDw,EwI影像(图4 (b),(C),(d)).从图中可以发现,在NDwI和 EwI指数影像中河道形态较明显.而在M,D 影像中河道与各类噪音难以区分(图4(c)),河道与 植被噪音的反差值仅为0.01(表3),这是因为半干 叠感应用遥感信息 涸的 表2水库水体与背景土壤和植被的亮度均值,NDWI均值,MNDWI均值,EWI均值 1波段2波段3波段4波段5波段7波段NDWIMNDWIEDWI 水库水体80.6857.1745.4120.O721.4917.510.480.450.161 植被84.1369.0366.8582.O891.636O.18一O.O9一O.14—0.43 土壤97.6788.5107.4369.57124.131O5.O5O.12—0.09—0.37 C(水库水体与植被):0.57C(水库水体与植被)o一0.59C(水库水体与植被):0.59 C(水库水体与土壤):0.36C(水库水体与土壤).一0.54C(水库水体与土壤)一0.53 图3水厍水体的NDWI,MNDWI,EWI影像 (a)黄家湾水库432合成影像(b)黄家湾水库NDWI影像(c)黄家湾水库MNDWI影像 (d)黄家湾水库EWI影像(c)基于EWI的黄家湾水库水体提取二值影像图 河道和植被噪音含水量近似,单一引入短波红外波噪音(图4(d)).此外,Ew拥有NDWI和MND一 段的MNDWI无法有效的区分二者.进一步考察w的优势,在很好的抑制居民地,土壤等噪音的同 NDw和Ew指数影像,在NDw影像中,虽然时,也抑制了植被噪音,通过表3可以发现,半干涸 可以较明显的显示出半干涸河道的形态,但与影像河道与土壤和植被的反差分别达到0.16和0.07. 左部的块状土壤噪音亮度值较为接近(图4(b)),河最后,以各自的河道均值为阈值,分别对NDWI和 道与土壤均值差仅为0.03(表3).这是因为河道与Ew指数影像的半干涸河道进行提取,实验结果表 土壤在2波段和4波段反射特点近似(图1),单一明Ew的提取结果所混入的噪音最少(图4(c), 引入近红外波段很难将二者有效区分.而Ew由(f)).综上所述,Ew在半干涸河道的提取效果上 于同时引入了近红外波段与短波红外波段,增大了优于NDWI和MNDWI. 半干涸河道与土壤噪音的差异,有效的抑制了土壤 表3半干涸河道与背景土壤和植被的亮度均值,NDWI均值,MNDWI均值,EWI均值 1波段2波段3波段4波段5波段7波段NDWIMNDWIEWI 半干涸河道104.1892.781O4.8766.151O8.1292.73O.15—0.O8—0.3 植被8465.459.O896.8379.145.28一O.19—0.09—0.46 土壤97.8588.871O9.7870.93123.91O8.O8O.12一O.16—0.37 C(半干涸河道与植被)=0.34C(半干涸河道与植被)o一0.01C(半干涸河道与植被)一0.07 C(半干涸河道与土壤):0.03C(水库水体与土壤)?D一0.08C(半干涸河道与土壤)一0.16 图4半干涸河道的NDwI,MNDwI,EWI影像 (a)半干涸河道432合成影像(b)半干涸河道NDWI影像(c)半干涸河道MNDWI影像(d)半干涸河道 EWI影像(c)基于NDWI的半干涸河道提取二值影像图(f)基于EWI的半干涸河道提取二值影像图 通过以上实验可以发现,同时引入了近红外波提取出半干旱地区的水系,抑制了植被,居民地,土 段与短波红外波段的Ew可以快速,准确,简便地壤等背景噪音.在提取效果上优于NDw和 65 遥感信息墨感应用 MNDWI. 3使用GIS技术去除背景噪音 3.1基本方法 采用EWI可以很好的提取出半干旱地区的水 系,抑制大部分背景噪音.但是,一些背景地物,如 较小的池塘,含水量与半干涸河道接近的土壤等,在 反射特征上与水系近似,单纯依靠光谱特征无法去 除这些背景噪音. 但是,水系与背景噪音的区分,不仅可以依靠光 谱特征,还可以依靠空间特征,二者有机的结合,可 以更好的提取出水系.地物的空间特征包括形状属 性和地理属性.目前,应用于去除水系噪音技术的 空间特征主要集中于地物的形状属性,代表性的方 法是依据地物形状指数]去除水系的背景噪音.形 状越不规则的地物,形状指数越小.因此,水系的形 状指数较块状的湖泊,池塘,土壤等的形状指数要 小.使用形状指数结合一定的阈值可以去除形状规 则的块状噪音. 然而,使用形状指数无法有效地去除形状复杂 的噪音.从上文可知,空间特征除形状属性外,还包 括地物的地理属性.地理属性包括地物的经纬度位 置,高程,坡度等地理信息.而半干旱地区的水系, 无论是半干涸的河道还是有水的河道,由于长年的 流水冲刷作用,河道底部地势平缓,河道横断面的坡 度值很小,容易与背景噪音区分. 综上所述,在利用形状指数去噪音的基础上,综 合利用GIS技术与遥感信息提取技术,首先从地理 辅助数据DEM中提取出流域的坡度信息,再将其 与光谱数据相结合,使坡度信息作为一个特征变量, 利用河道横断面的坡度值很小的特点,进一步去除 水系提取过程中混入的背景噪音. 3.2实验验证 GIS技术去噪音实验选在洛河流域某段(图5 (a)).首先,使用式(3)生成EwJ影像(图5(b)). 对整个研究区的水系进行提取,可以看到,提取结果 中含有少量背景噪音(图5(c)).通过引入形状指 数,可以去除一部分形状规则的噪音,但难以去除形 状复杂的噪音(图5(d)).使用实验区的DEM数 据,利用GIS提取的地形因子的方法可以方便的计 算出实验区地物的坡度值.对比遥感图像可以发 现,由于流水的冲刷作用,河道横断面的坡度值远远 小于背景噪音值,因此,通过引入坡度数据,对图5 (d)进行去噪音处理,可以去除形状复杂的噪音(图 5(c)) ?圈一?一伍)(b)(亡)[d)() 图5GIS技术去噪音效果图 (a)实验区432波段合成影像(b)实验区EWI影像(c)基于EWI的水系提取二值影像 (d)使用形状指数去噪音方法效果影像图(e)使用GIS技术去噪音方法效果影像图 4结束语 本文针对半干旱地区水系与背景信息的反射特 点,提出了增强型水体指数EWI,有效的解决了半 干涸河道与背景噪音混淆的问题,在水系提取效果 上优于NDwJ和MDNWI.同时,使用GIS技术 去除噪音的方法,有效地弥补了形状指数去噪音方 法的缺陷,更好的去除了水系提取过程中混入的背 景噪音.综合使用上述两种方法,可以快速,准确, 简便地提取出半干旱地区的水系,为此类地区水资 源的开发利用打下基础. 参考文献 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AStudyonInformationExtractionofWaterSysteminSemi.aridRegionswiththe EnhancedWaterIndex(EWI)andGISBasedNoiseRemoveTechniques YANPci.,ZHANGYou—jing0.ZHANGYuan. (StateKeyLaboratoryofHydrologyWaterResourcesandHydraulicEngineering,Hehai University,Nanjing,210098) Abstract:Informationextractionofwatersysteminbasinisthefirststepofthedevelopmentofwaterresources.NDWIand MNDWIcannotdistinguishthescmidrywatercoursefromthenoiseinsemi— aridregions.Anenhancedwaterindex(EWI)has beenproposedinthispaperbasedonthespectralsignaturesofwatersystemandbackgroundnoise.ThcEWIcansignificantly distinguishthesemidrywatercoursefromthenoise.GIStechniquesofremovingnoiseimprovedthetraditionalmethodwith. shapeindexandefficientlyremovedthenoise.EWIandGIStechniquescanextractthewatersysteminsemi—aridregionsfaster. accuratelyandsimply. Keywords:EWI;semi-aridregions;extractionofwatersystem;GIS;techniquestoremoveth enoise ..-?-.-.-.-.-?-.-?_.-._.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-._.-._.-.-._.-.一.-.-._.-.-._.-.-._一一一一… "2007'国际空间信息技术发展论坛"胜利召开 2007年11月22日,由中国遥感应用协会与国际数字地球学会中国国家委员会(CNISDE)联合主办,北京东方泰坦科技 有限公司与国际知名遥感图像处理软件PCIGeomatic生产商加拿大PCI公司,美国着名计算机信息与存储设备供应商SGI 公司,加拿大阿波罗科技集团及法国SpacEycs公司等共同承办的"2007'国际空间信息技术发展论坛"在北京西郊宾馆隆重召 开了. 此次会议汇集了3s行业的领导,专家,技术精英人士,本次会议是2007年度东方泰坦公司承办的具有国际特色的空间信 息会议.参与此次会议的有科技部,民政部,国信办,总装备部和航天局等相关政府部门领导,中国科学院,中国工程院,等3s 行业的科研院所,行业专家,企业代表以及来自加拿大,法国,美国等多个国家的专家,技术人员和来自全国各地的用户代表, 高校等600多人.中国遥感应用协会秘 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 长李同芳致开幕词,中国科学院姜景山院士,中国工程院刘先林院士,科技部高新技 术司廖小罕司长等领导在开幕式上发表了重要讲话. 作为论坛重要内容之一,北京东方泰坦科技有限公司在开幕式上发布了TitanSpatialInformationSoftware7.0新产品. 该产品是北京东方泰坦公司多年来在数千个应用案例中所积累的丰厚技术和市场经验的沉淀,该产品将3s技术有机的集成 起来,是目前唯一体现3s集成技术的国产软件之一,吸引了大量国内外专家学者的目光. 同时本次大会举办了丰富多彩的专题论坛,所涉及到的行业有旅游,规划,林业,民政,交通等不同行业的应用案例演示, 相应行业用户代表及合作伙伴代表介绍了东方泰坦公司行业解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 在其领域 中的应用,包括了空间信息技术应用专题,空 间信息技术与森林防火信息化,港口规划建设信息系统,数字旅游信息服务,位置服务的发展与应用等多场精彩的专题报告, 赢得了在场领导,专家,技术人员等与会人员的热情称赞,成就了一场空间信息技术的盛会. 东方泰坦公司感谢对此次会议做出贡献的行业领导,专家,合作伙伴,技术人员及所有参与此次会的全体人员,东方泰坦 公司将继续努力,为空间信息技术做出更大的贡献. 67