孔美美, 陳鍛生

(華僑大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361021)

采用混合像元分解的水庫(kù)面積提取及變化監(jiān)測(cè)

孔美美, 陳鍛生

(華僑大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361021)

利用Landsat-5 TM，Landsat-7 ETM+和Landsat-8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)和高空間分辨率(1.14,0.54 m)的Google EarthTM地面實(shí)況圖進(jìn)行水庫(kù)面積檢測(cè)與變化監(jiān)測(cè)的技術(shù)研究.采用完全約束最小二乘法混合像元分解(FCLS)方法提取不同水庫(kù)水體信息，并與常用水體指數(shù)法及支持向量機(jī)(SVM)分類(lèi)法進(jìn)行比較，利用多時(shí)相FCLS方法監(jiān)測(cè)廈門(mén)杏林灣水庫(kù)2006-2014年間的面積動(dòng)態(tài)變化.結(jié)果表明：基于FCLS的方法比NDWI等水體指數(shù)方法更能準(zhǔn)確地獲取水庫(kù)水體面積大小及其變化信息.

水體面積提?。?混合像元分解; 遙感； 變化檢測(cè)； 環(huán)境監(jiān)測(cè)； 杏林灣水庫(kù)

水面面積是衡量水庫(kù)儲(chǔ)水量的一個(gè)重要指標(biāo)，傳統(tǒng)人工測(cè)量方法耗時(shí)費(fèi)力，而利用遙感技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)、快速、準(zhǔn)確地提取水體信息并監(jiān)測(cè)水體變化.利用遙感信息提取水體的方法可分為單波段閾值法、多波段譜間關(guān)系法、水體指數(shù)法和分類(lèi)后提取法等4類(lèi)[1-8].遙感影像不可避免地存在混合像元，中低分辨率影像尤為嚴(yán)重，而以上水體提取方法計(jì)算過(guò)程大都是以像元為單位，對(duì)于混合像元進(jìn)行判斷時(shí)，只能分為水體像元或非水體像元，造成較大的精度損失.為了提高水體提取精度，本文采用完全約束最小二乘法混合象元分解(FCLS)方法[9]，結(jié)合地理信息處理軟件ENVI 5.1，使用多時(shí)相Landsat遙感影像和1.14 m高分辨率Google EarthTM圖像提取廈門(mén)杏林灣水庫(kù)水體信息,并動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)其面積變化情況.

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域概況

杏林灣水庫(kù)處于廈門(mén)市集美風(fēng)景區(qū)和杏林工業(yè)區(qū)之間，建成于1979年.集雨面積達(dá)142 km2，總庫(kù)容為1 660萬(wàn)m3，受益面積可達(dá)10 km2.杏林灣水庫(kù)必要時(shí)可向市區(qū)供水，是廈門(mén)重要后備水源，也供水產(chǎn)養(yǎng)殖之用.石兜水庫(kù)位于集美區(qū)西北部后溪鎮(zhèn)的苧溪上游，集雨面積為59.3 km2，總庫(kù)容為6 280萬(wàn)m3,正常庫(kù)容為4 550萬(wàn)m3，是廈門(mén)市最好的飲用水源.

1.2 Landsat遙感影像

文中涉及的數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的研究區(qū)域Landsat-5 TM數(shù)據(jù)(2006年11月5日，2008年11月10日，2010年10月31日)，Landsat-7 ETM+數(shù)據(jù)(2012年11月13日)，Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)(2013年10月23日，2014年12月29日).Landsat影像皆為L(zhǎng)evel 1T 地形矯正影像，已經(jīng)過(guò)系統(tǒng)輻射矯正和幾何校正.

1.3 參考數(shù)據(jù)

用于精度評(píng)價(jià)的地面實(shí)況參考圖像是空間分辨率為1.14，0.54 m的Google EarthTM地圖數(shù)據(jù)，其Landsat實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參考圖像的成像時(shí)間基本一致， 如2014年12月29日的Landsat-8 OLI 影像數(shù)據(jù)

圖1 圖像預(yù)處理流程圖Fig.1 Flow chart of image pre-processing

對(duì)應(yīng)2014年12月30日的Google EarthTM參考數(shù)據(jù).

2 研究方法

2.1 圖像預(yù)處理

影像的預(yù)處理是遙感影像信息提取的前提,使用ENVI 5.1[10]對(duì)實(shí)驗(yàn)影像進(jìn)行預(yù)處理操作.具體流程，如圖1所示.

2.2 水體指數(shù)法和支持向量機(jī)

實(shí)驗(yàn)的水體指數(shù)法包括NDWI，MNDWI，AWEInsh，AWEIsh等， 支持向量機(jī)[11]選擇不同的內(nèi)核函數(shù)對(duì)結(jié)果有所影響.對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行不同內(nèi)核函數(shù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示線(xiàn)性核函數(shù)更適合該區(qū)域.各水體指數(shù)表達(dá)式,如表1所示.

表1 各水體指數(shù)表達(dá)式 Tab.1 Expression of each water index

2.3 純凈像元提取

選取合適的端元是混合像元分解的關(guān)鍵，現(xiàn)有的圖像端元提取方法大致分為交互式端元提取和自動(dòng)端元提取[12-13].但以上方法大多是基于純數(shù)學(xué)判據(jù)，可能選出不具有物理意義的端元.考慮到個(gè)人對(duì)杏林灣水庫(kù)的熟悉度及擁有分辨率高達(dá)1.14 m的Google EarthTM地圖數(shù)據(jù)，采用手動(dòng)端元提取方法，結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，準(zhǔn)確提取遙感影像上的純凈像元.

2.4 完全約束最小二乘法混合像元分解

四川省醫(yī)的做法是，首先，制作自助機(jī)分布圖，并按順時(shí)針?lè)较蚪y(tǒng)一編號(hào)；其次，制作自助機(jī)維護(hù)表格，引入第三方人員，每日定時(shí)、定人、定機(jī)維護(hù)并登記，確保自助機(jī)功能正常；再次，自助機(jī)實(shí)行梯度時(shí)間開(kāi)放，如門(mén)診一樓自助機(jī)區(qū)域時(shí)間調(diào)整為6：30—19:00，與門(mén)診大門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)間保持一致，而把第三住院大樓電梯旁通道自助機(jī)服務(wù)區(qū)時(shí)間調(diào)整為24小時(shí)開(kāi)放；此外，不斷優(yōu)化與完善自助服務(wù)程序，如自助服務(wù)與窗口號(hào)源同步適時(shí)更新，自助機(jī)上完成加號(hào)程序的編寫(xiě)與運(yùn)用，等等。

線(xiàn)性光譜分解模型是解決中低分辨率遙感圖像混合像元問(wèn)題的簡(jiǎn)單、有效的方法，根據(jù)混合像元的光譜是由該瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)各類(lèi)地物光譜的線(xiàn)性組合，可表示為

式(1)中:Ri為第i波段反射率；Fj為第j類(lèi)地物在該像元中所占百分比；Re，i,j為第i波段的第j類(lèi)地物反射率；εi為第i波段誤差.線(xiàn)性混合像元分解可以看成一個(gè)帶約束的非線(xiàn)性最優(yōu)化問(wèn)題，即

式(2)中:D(S,XF)為目標(biāo)函數(shù)，表示目標(biāo)光譜S和估計(jì)光譜XF的某種距離;S為混合像元反射光譜，S=(s1,s2,…,sb)T，b為光譜波段數(shù)；X為b×n矩陣，表示端元反射光譜，X=(X1,X2,…,Xn)，Xj為第j個(gè)端元的光譜;F為端元豐度，F(xiàn)=(f1,f2,…,fn)T，n為端元的數(shù)目.

文獻(xiàn)[9]在考慮高光譜圖像的完全約束線(xiàn)性混合問(wèn)題時(shí)，提出完全約束最小二乘法混合像元分解方法，該方法基于最小二乘法和子空間的正交投影(OSP).考慮到影響水體提取精度的主要問(wèn)題之一是水陸邊界的混合像元，將該方法用于解決多光譜圖像完全約束線(xiàn)性混合問(wèn)題，有利于提高水庫(kù)水體提取精度，更好地監(jiān)測(cè)水庫(kù)水面面積變化情況.

實(shí)際上，完全約束最小二乘法混合像元分解是最小化目標(biāo)光譜和估計(jì)光譜的歐氏距離，即

利用ENVI 5.1軟件實(shí)現(xiàn)FCLS方法提取杏林灣水庫(kù)水體信息，采用ENVI分塊技術(shù)，對(duì)于輸入文件的大小沒(méi)有限制，而且在每一處循環(huán)時(shí)，對(duì)分塊數(shù)據(jù)進(jìn)行混合像元分解和RMS的計(jì)算，效率最優(yōu)；采用均方根誤差(RMSE)對(duì)端元提取和混合像元分解結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià).反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，選擇合適的閾值，計(jì)算提取水體的面積，統(tǒng)計(jì)并分析提取精度.

2.5 水庫(kù)水體變化檢測(cè)新方法

類(lèi)似地，通過(guò)比較多種水體提取方法，得到FCLS方法最適合水庫(kù)水體提取，從而考慮將NDWI替換為FCLS，得到基于多時(shí)相FCLS的主成分分析(FCLS-PCs)方法檢測(cè)杏林灣水庫(kù)變化情況.

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水體提取方法的比較分析

表2 各水體提取方法提取水面面積的相對(duì)誤差Tab.2 Relative error of extracted surface water area for each water extraction method

表3 各水體提取方法提取結(jié)果精度分析Tab.3 Accuracy assessment analyses of each water extraction method

由表3可知：FCLS和SVM的總體精度和Kappa系數(shù)值優(yōu)于其他方法；FCLS的總體精度為91%左右，Kappa系數(shù)值為0.8左右；FCLS方法提取的水庫(kù)水面面積相對(duì)誤差為-0.52%和-0.71%，比SVM方法更優(yōu).綜合考慮，F(xiàn)CLS方法更適合于水庫(kù)水體提取.

為了驗(yàn)證FCLS方法對(duì)其他水庫(kù)水體提取的適應(yīng)性，對(duì)廈門(mén)石兜水庫(kù)2013年Landsat-8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).各方法提取石兜水庫(kù)水體結(jié)果的精度分析，如表 4所示.表4中：Ec為錯(cuò)分誤差；Eo為漏分誤差；ηpa為制圖精度；ηua為用戶(hù)精度.

各水體提取結(jié)果疊加在波段5，4，3組成的假彩色實(shí)驗(yàn)圖上的顯示效果，如圖 2所示.

表4 廈門(mén)石兜水庫(kù)2013年各水體提取方法精度分析Tab.4 Accuracy assessment analyses of each water extraction method for 2013 Xiamen Shidou Reservoir

(a) NDWI (b) MNDWI (c) AWEInsh (d) AWEIsh

(e) SVM (f) FCLS (g) Landsat-8 OLI假彩色圖 (h) Google EarthTM

3.2 變化檢測(cè)方法的比較分析

以2013，2014年Landsat-8 OLI遙感影像為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)多時(shí)相提取方法和FCLS-PCs方法的變化檢測(cè)結(jié)果，并做精度、誤差和不確定分析，如表5所示.表5中：sc為變化面積；saxe為絕對(duì)誤差.

由表5可知：FCLS-PCs方法、多時(shí)相FCLS方法、多時(shí)相NDWI方法和多時(shí)相SVM方法在檢測(cè)水庫(kù)水面面積變化方面具有優(yōu)勢(shì)，雖然精度都比較高，但只有FCLS-PCs方法和多時(shí)相FCLS檢測(cè)水庫(kù)水面面積變化的精度值在95%以上.因此，F(xiàn)CLS-PCs方法和多時(shí)相FCLS方法更適合檢測(cè)水庫(kù)水面面積變化情況.

表5 2013-2014杏林灣水庫(kù)水面面積變化統(tǒng)計(jì)及精度分析Tab.5 Surface water area change statistics and accuracy assessment between 2013 to 2014 Xinglin Bay Reservoir

3.3 水庫(kù)面積變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及分析

選擇FCLS方法提取2006年,2008年,2010年,2012年,2013年,2014年杏林灣水庫(kù)水體的Landsat影像數(shù)據(jù)，檢測(cè)杏林灣水庫(kù)2006-2014年水面的變化情況.FCLS方法提取的多時(shí)相杏林灣水庫(kù)水體結(jié)果圖(2006-2014年)和不同年份變化疊加圖，如圖 3所示.

(a) 2006年 (b) 2008年 (c) 2010年 (d) 2012年

(e) 2013年 (f) 2014年 (g) 2006-2008年變化 (h) 2008-2010年變化

(i) 2010-2012年變化 (j) 2012-2013年變化 (k) 2013-2014年變化 (l) 2008-2014年變化圖3 FCLS方法提取2006-2014年杏林灣水庫(kù)水面面積Fig.3 Surface water area of Xinglin Bay Reservoir between 2006 to 2014 by FCLS method

圖4 杏林灣水庫(kù)面積趨勢(shì)圖Fig.4 Surface water area trend of Xinglin Bay Reservoir

杏林灣水庫(kù)2006-2014年的水庫(kù)面積變化曲線(xiàn)，如圖 4所示.由圖4可知：2006-2008年杏林灣水庫(kù)水面范圍增大，水庫(kù)面積大幅上升，到2008年水庫(kù)面積增加到5.976 9 km2；而2008年后水庫(kù)面積開(kāi)始大幅度減小，2010-2012年水庫(kù)面積變化不大，2012年后水庫(kù)面積逐年以較大幅度下降，到2014年水庫(kù)面積減少到5.802 3 km2，相對(duì)于2008年的峰值，面積減少了0.174 6 km2.

據(jù)調(diào)查可知：2006-2008年,杏林灣水庫(kù)面積上升的主要原因是圍田造湖，蓄水成景；2008-2014年,杏林灣水庫(kù)面積逐年下降的主要原因是集美區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及杏林灣地區(qū)得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)，杏林灣水庫(kù)周邊房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目較多，工程蠶食水面不僅使杏林灣水庫(kù)面積減小，還破壞了原本自然的水庫(kù)景觀(guān).

3.4 水體面積提取方法的比較分析

NDWI能有效區(qū)分裸地與水體，但對(duì)于細(xì)小水體及建筑陰影等無(wú)法正確區(qū)分.MNDWI水體指數(shù)在NDWI水體指數(shù)基礎(chǔ)上，將指數(shù)波長(zhǎng)組合改為綠波段和中紅外波段歸一化比值，有利于區(qū)別建筑陰影及植被等暗色地物和水體.AWEIsh水體指數(shù)確實(shí)有利于區(qū)分水體與陰影，但同時(shí)也將細(xì)小水體去除，且將裸地誤認(rèn)為水體將其提取.SVM和FCLS方法基于水體等地物的波譜信息，可更好地提取水體，但獲取純凈的地物波譜信息比較耗時(shí).

4 結(jié)束語(yǔ)

以L(fǎng)andsat TM，Landsat ETM+和Landsat OLI遙感影像為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以高空間分辨率的 Google EarthTM地面實(shí)況圖為參考數(shù)據(jù)，采用FCLS方法提取杏林灣水庫(kù)和石兜水庫(kù)的水體信息，并與常見(jiàn)水體指數(shù)法及SVM分類(lèi)法進(jìn)行比較，可知FCLS的水體提取精度高于其他方法.此外，提出FCLS-PCs方法用于檢測(cè)水庫(kù)水體變化信息，以多時(shí)相的杏林灣水庫(kù)Landsat-8 OLI為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比其他多時(shí)相水體提取方法，可知FCLS-PCs和多時(shí)相FCLS方法的變化檢測(cè)精度都較高，更適合于研究區(qū)域的水體表面積變化檢測(cè).

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(責(zé)任編輯： 錢(qián)筠 英文審校： 吳逢鐵)

Reservoir Water Area Extraction and Monitoring Using Pixel Unmixing

KONG Meimei, CHEN Duansheng

(College of Computer Science and Technology, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

We use Landsat-5 TM, Landsat-7 ETM+, and Landsat-8 OLI remote sensing images and high spatial resolution (1.14，0.54 m) Google EarthTMground truth images to extract surface water and detect changes of reservoir area.Using fully constrained least squares method pixel unmixing (FCLS) method to extracting different reservoir surface water information and compared with water index method and support vector machine (SVM). Finally, using multi-temporal FCLS method to dynamic monitoring Xinglin Bay Reservoir water area in Xiamen between 2006 and 2014.The experimental results showed that: compared with NDWI and other indexes method, FCLS based method can obtain more accurate dynamic information of the reservoir surface water area. Keywords：water area extraction; pixel unmixing; remote sensing; change detection； environment monitoring； Xinglin Bay Reservoir

10.11830/ISSN.1000-5013.201703018

2016-02-29

陳鍛生(1959-)，男，教授，博士，主要從事計(jì)算機(jī)視覺(jué)與多媒體技術(shù)的研究.E-mail:dschen@hqu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(61370006)； 福建省科技計(jì)劃(工業(yè)引導(dǎo)性)重點(diǎn)項(xiàng)目(2015H0025)

TP 391(257)

A

1000-5013(2017)03-0385-06