罗崇亮

摘 要：艾比湖是新疆第一大盐水湖，现今湖水萎缩严重，及时、宏观监测和调查新疆艾比湖对实施规划和有效保护措施具有重要意义。水体指数计算简单快捷，水体的提取精度高，得到了研究学者的广泛应用。该文利用归一化水体指数NDWI、改进的归一化水体指数MNDWI、增强型水体指数EWI、修订型归一化水体指数RNDWI、新型水体指数NWI、新型水体指数NEW六种水体指数和决策树技术对水体进行提取，研究结果表明MNDWI、RNDWI、NEW提取的水面积较大，精度不高，将湿度较大的土壤也分为水体，而NWI提取的水体面积最小，水位较浅的湖水错分为陆地，而NDWI和EWI指数提取的水体边界最接近水体的真实边界。经过目视解译，发现EWI水体指数的方法精度最佳。

关键词：艾比湖 水体指数 landsat OLI 数据

中图分类号：TP751 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0034-02

艾比湖位于新疆维吾尔自治区，是新疆的第一大盐水湖。博尔塔、精河、奎屯河分别从西、南、东三个方向汇入艾比湖，因而构成湖水的主要来源。湖面是椭球形，平均水深为2～3 m，湖面海拔为189 m。中华人民共和国成立初期湖面积达1200 km2，可是由于自然界的自然因素影响以及人类的不合理利用影响，甚至是人为破坏，导致湖面萎缩，目前面积仅剩500 km2左右，严重威胁天山北坡经济带的可持续发展。因此迫切需要对水资源进行合理利用和规划设计，但是在实施有效措施前需要对研究区域的水体分布特征、变化以及人类活动对水体的影响有一定程度的了解。

该文针对盐度较高、水位浅的艾比湖，以landsat 8 OLI传感器获得的遥感图像为数据源，利用常见的6种水体指数和决策树技术进行湖水边界和面积提取，比较分析水体指数在本研究区域的适用性，进而选择最佳的水体指数。

1 水体指数的计算

水体对于电磁波的辐射，具有反射、散射、吸收和透射作用。在可见光波段600nm之前，水的吸收少、反射率较低、存在大量透射，水体可见光反射率约为5%左右；在近红外、中红外波段内，水體的吸收率很强，几乎吸收全部的入射能量，因此在红外波段的反射能量很小，反射率几乎为零。水体整体反射率低（<10%），因此水体之间的光谱差异与陆地上其他地物光谱特征间的差异相比要小得多，利用差异可以识别水体。为了增强这种差异，人们提出了水体指数，它可以增强水体的表现特征，抑制植被、裸土等其他地物的表现特征。随着科学在不断地进步，水体指数的计算方法也进行了相对的修改与创新，至今为止方法已经有很多了，而这些方法适用在各个不同的区域，以保证每个区域都有适合自己的方式、方法来解决自己的区域问题。该文选取了表1中的6种典型的水体指数，对新疆艾比湖地区的Landsat OLI数据进行水体指数的计算。

新疆艾比湖地区的Landsat8卫星过境轨道号为145029，由于篇幅关系，该文以2013年9月18日过境的OLI传感器多光谱数据为例进行算法对比分析，如图1所示。其中图1为OLI传感器数据Band4（红光波段）、Band3（绿光波段）和Band2（蓝绿波段）进行真彩色合成后的影像数据。

利用表1的水体指数公式进行计算，增强后图像结果如图2所示，水体指数增强了水体信息，图像中的水体和陆地是黑白分明，可以清晰的区分水体和土地。由水体的光谱特性可知，水体的绿光波段反射率大于近红外波段和中红外波段的反射率，水体的蓝光波段反射率大于中红外波段反射率，因此NDWI、MNDWI、EWI、NWI、NEW五种方法的水体计算值要大于零，而陆地正好相反，因此得到的图像中水体显示的是明亮的白色，土地显示的是灰暗的黑色。而由于水体的中红外波段反射率明显小于红光波段反射率，水体所在位置的RNDWI水体指数计算值小于零，而陆地的计算值大于零，因此水体显示的是灰暗的黑色，土地显示的是明亮的白色。

2 水体提取

在水体指数的基础上，利用决策树分类方法进行湖水边界和面积的提取。利用ENVI软件构建决策树，设定合适的阈值，并对分类后的结果进行分类后处理（聚集分类和平滑处理），即Sieve Classes和Clump Classes操作，获得二值分类图，其中1为水体，0为陆地，如图3所示。

3 对比分析

为了便于对比分析，利用ENVI 5.1 软件获得湖泊边界，并与原影像重合显示，如图4所示。图4中红色线代表的是NDWI提取的水体边界，蓝色代表MNDWI提取的水体边界，亮黄色代表EWI提取的水体边界，土黄色代表RNDWI提取的水体边界，绿色代表NWI提取的水体边界，玫粉色代表NEW提取的水体边界。由图4可见，六种方法都存在不同情况的误差，主要影响因素是含水量高的湖岸土壤和水位较低的湖水。放大湖水左上角的部分见图4（b），对比六种方法，我们发现MNDWI、RNDWI、NEW三种水体指数划分的水体范围比较大，将含水量高的湖岸土壤划分到了水体中，精度较低；NWI水体指数划分的水体边界将一部分湖水错分为陆地，精度也不高；只有NDWI和EWI两种方法接近。结合图4（c）对比发现，NDWI水体指数确定的水体范围中还有陆地，可是EWI水体指数划分的湖泊边界在湖水和陆地之间，因此经过目视判断觉得EWI水体指数的方法比较合适。

最后该文将不同水体指数提取的水体面积进行统计对比，见表2。

由表2可见，MNDWI、RNDWI、NEW三种方法得到的水体面积比较接近，而且比较大；NWI水体指数方法得到的水体面积是最小的。NDWI、EWI两种方法得到的水体面积大小相差不大，验证了前面的分析结果。结合算法对比分析和提取面积的结果，本文认为EWI水体指数在艾比湖湖水面积提取中效果最佳。

4 结论

新疆艾比湖湖面萎缩和湖滨地区荒漠化程度加剧，基于研究地区的遥感信息提取水体信息可以弥补常规方法在提取时的缺陷。该文利用归一化水体指数NDWI、改进的归一化水体指数MNDWI、增强型水体指数EWI、修订型归一化水体指数RNDWI、新型水体指数NWI、新型水体指数NEW六种水体指数和决策树技术对水体进行提取，研究结果表明MNDWI、RNDWI、NEW提取的水面积较大，精度不高，将湿度较大的土壤也分为水体，而NWI提取的水体面积最小，水位较浅的湖水错分为陆地，而NDWI和EWI指数提取的水体边界最接近水体的真实边界。经过目视解译，发现EWI水体指数的方法精度最佳。

参考文献

[1] 王晴晴，余明.基于简单比值型水体指数（SRWI）的水体信息提取研究[J].福建师范大学学报，2014，30（1）：39-44.

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