基于MODIS数据的水体提取研究

基于MODIS数据的水体提取研究

马丹

福建农林大学资源与环境学院，福建福州（350002）

摘要：通过分析遥感图像各类地物的光谱特征和水体在中等分辨率的EOS/MODIS上的波谱特征，确定水体最为明显的波段组合，研究如何从不同时期(枯水期、丰水期)的中等分辨率MODIS遥感影像提取水体的方法。实验表明：遥感图像经空间变换后再利用相同的方法提取的水体更容易区分水体和阴影，产生的噪声也少，提取的水体范围更准确、计算的水域面积精度更高，重点以武汉市的梁子湖为例对水体提取范围和精度进行了比较和分析。

关键词：MODIS影像；水体；阈值；色彩变换

1 引言

MODIS是被动式成像分光辐射计，是Terra和Aqua卫星上都装载有的重要的传感器，MODIS数据廉价实用，数据涉及的波段范围广，这些数据对地球科学的综合研究和对陆地、大气、海洋进行分门别类的研究有较高的使用价值[1]。MODIS数据有36个通道，覆盖了从可见光、近红外到热红外的光谱区间。利用水体在可见光波段、近红外波段的特殊光谱性可以提取有关水体信息。

水资源是一种非常重要的资源，它也是一个独立的环境因子，被人们格外的重视。水体的面积监测是调查水资源的一个重要的方面，也是洪水灾害检测的重要内容。因此利用遥感影像的波谱特征和水体在影像上的特性，研究自动化的提取水体的方法，获取它的范围甚至其它的特征，是十分有意义的工作。

2 水体的光谱特征

从宏观的角度看，陆地上水体主要表现为湖泊、河流、沟渠、水库、池塘和沼泽地等，可分为面状水体和带状、线状水体。在卫星遥感影像上，湖泊、水库、池塘大致表现为一块面状的等值区域，河流、沟渠表现为线形结构。

在MODIS图像上，对于水体来说，水体几乎全部吸收了近红外和中红外波段内的全部入射能量，所以水体在近红外和中红外波段的反射能量很少，而植物、土壤在这两个波段内的吸收能量较少，而且又较高的反射特性，这就使得水体在这两个波段上与植被、土壤有明显的区别。水体在这两个波段上呈现出暗色调，而土壤、植被则呈现出较亮的色调。在可见光绿波段内，图像上记载的反射信息主要有来自水面、水中悬浮物质和水体底部物质的反射，由于水体在绿波段的反射率较高而呈现浅灰色色调，在该波段水体与周边的植被较难区分。关于水体的吸收和辐射特性，不仅与其本身的性质有关，而且还与其所含物质的类型和大小有关。一般地，进入清澈水体的大部分阳光在水下2 米内被吸收，吸收的程度取决与波长。近红外波段在水体1/10 米深处就被吸收，使得在近红外影像上，即使是浅水也是暗的影像色调。可见光波段的吸收会因为研究水体的特征变化而变化。从透过水体拍摄水底的详细程度来看，透射力最好的是在0.48-0.60 微米之间的绿波段。

3 水体信息的提取

3.1图像预处理

原始图像为MODIS数据，存在不同程度、不同性质的几何形态畸变和辐射量的失真等

现象。这些畸变和失真都会导致图像质量下降，严重影响其应用效果，必须进行消除处理。MODIS数据在卫星地面站接收的MODIS影像已经进行了初步的辐射校正和大气校正，但要对MODIS图像上的水域进行提取还需要进行一些处理。首先是对MODIS图像的记录值转换为灰度值(0－255)的处理。因为原始的MODIS图像(*.bin格式)是传感器的原始辐射记录值而非亮度值。另外，由于MODIS数据不同波段的空间分辨率不同，还需要对数据进行重采样处理，实验中全部采样为250米的分辨率。最后对图像的几何校正、和辐射增强处理图像增强处理，使得处理后能获得一幅图像清晰、对比效果好的遥感数据。

3.2波段选择

在对遥感图像进行处理、分析和应用时，对波段选择一般要遵循以下3 点原则：(1) 所选择的波段信息量要大；(2) 波段间的相关性要小；(3)波段组合对所研究地物类型的光谱差异要大。根据国外学者的测试，理想的识别水体的波长应在1. 5～1. 8微米之间，在该波段，足够的太阳照度既能照亮背景物体，又能对水生植物所封闭的水体增强许多识别条件，从而水体在近红外波段的反射率明显单一并且低于其它地物。考虑到理想的水体较少，一般水体都含有杂质和浮生物，尤其是湖泊的内边界含有水草等植物。因此本文在综合考虑水体的光谱特征、MODIS波段的主要应用领域以及各个波段加载到遥感处理软件中的目视效果，确定水体最为明显的波段组合为MODIS的2、4、6波段。水体边界在MODIS第2通道比较明显，很容易区分周边的植被，对含水量较多的湿地也较为明显。由于水体在MODIS 第4通道反射率较高，比较难区分水体和周边的植被，但对水中悬浮物和水底物质有一定的透射作用。水陆边界在MODIS第6通道也较好，但湿土壤与水体的色调相近。

表1 MODIS遥感图像2、4、6波段说明

波段波谱范围

um

波段说明与用途分辨率

m

2 0.841-0.876

近红外摄影波段；位于植物高反射区，区分植被类型，绘制水体边界，探测

水中生物的含量和土壤湿度。

250

4 0.545-0.565

可见光绿波段；探测健康植被绿色反射率，可区分植被类型和作物长势，区

分人造地物类型，对水体有一定的透射能力。

500

6 1.628-1.652 反射红外波段；用于探测植物含水量和土壤湿度，可用于区别云与雪。湿土

和土壤的湿度从这个波段就很容易看出。

500

3.3 水体提取

本文通过将合成的假彩色图像IHS空间变换后分别应用阈值上下限法和最大似然法进行提取水体。

3.3.1 IHS空间变换

RGB(红、绿、蓝)模型是图像色彩中最普遍的表示方法。RGB系统有以下缺点：(1)RGB 空间用红、绿、蓝三原色的混合比例定义不同的色彩，使不同的色彩难以用准确的数值来表示，并进行定量分析；(2)在RGB系统中，由于彩色合成图像通道之间相关性很高，使合成图像的饱和度偏低，色调变化不大，图像视觉效果差(3)人眼不能直接感觉红、绿、蓝三色的比例而只能通过感知颜色的亮度、色调以及饱和度来区分物体，而色调和饱和度与红、绿、蓝的关系是非线性的，因此，在RGB空间中对图像进行增强处理结果难以控制。HIS模型是