邱建紅，謝超超

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.核工業(yè)井巷建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 湖州 313001）

1 問(wèn)題的提出

隨著空間信息技術(shù)的飛速發(fā)展，全天候、大面積獲得多時(shí)相、高分辨率、高精度的遙感影像已成為可能[1]。水域信息的提取一直是遙感信息提取領(lǐng)域的基礎(chǔ)性工作[2]，遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)逐步在國(guó)土、住建和先進(jìn)省市水利部門(mén)建設(shè)本底數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)測(cè)非法侵占水域的違法行為中發(fā)揮重要作用。

利用高分辨率遙感影像進(jìn)行水域信息提取的方法大致分為2類(lèi)：一是目視解譯，二是半自動(dòng)或自動(dòng)化信息提取。目視解譯的精度相對(duì)較高，依賴于人的主觀性判斷，但效率較低。半自動(dòng)或自動(dòng)化信息提取方法種類(lèi)多樣，李暢游等[3]選取ETM遙感圖像分別選取多波段組合運(yùn)算法和多光譜混合分析法提取烏梁素海的水體，文中無(wú)法定量驗(yàn)證半自動(dòng)化的提取精度，而且所采用的波段組合不排除只在特定的水域條件下適用；何智勇等[4]利用IKONOS數(shù)據(jù)采用小波技術(shù)、多窗口線性保持技術(shù)，結(jié)合水體信息的地學(xué)特征等多種方法對(duì)浙江省甘霖鎮(zhèn)內(nèi)的水體信息進(jìn)行提取，提取精度較高，但是該方法通用性不強(qiáng)，研究區(qū)范圍也較小，操作復(fù)雜；馬鴻旭等[5]利用HJ-1A衛(wèi)星影像耦合歸一化差分植被指數(shù)法、歸一化差分水指數(shù)法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水體信息提取，指出該改進(jìn)方法更適用于混合城市建筑及多細(xì)小支流的水體信息提?。欢旁破G等[6]利用NOAA/AVHRR遙感圖像，通過(guò)構(gòu)造地物信息提取模型，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的自動(dòng)提取。近年來(lái)，面向?qū)ο蟮姆治黾夹g(shù)已成為高效智能遙感信息提取領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但是，Meinel& Neubert（2004年）和Neubert et al（2006年）認(rèn)為該技術(shù)仍不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求[7]。利用面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法提取水域雖然效率顯著提高，基本不需要人為主動(dòng)干預(yù)，但是陰影和水體因光譜特征相似存在混分問(wèn)題，而且只能提取水體，不能有效提取水域范圍，當(dāng)應(yīng)用于大范圍且精度要求較高的水域信息提取時(shí)，精度偏低，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。這些自動(dòng)化或半自動(dòng)化提取方法雖然一定程度上提高了效率，但缺乏應(yīng)用的普適性。針對(duì)特定分辨率的遙感影像，提取精度的評(píng)價(jià)方法并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而且提取的目標(biāo)基本為水體，并不能有效提取水域，因此，此類(lèi)研究并沒(méi)有形成相對(duì)完整成熟的理論體系[8]。

鑒于研究區(qū)范圍較大，河湖水域分布情況復(fù)雜，且需要根據(jù)提取的水域計(jì)算水域面積等指標(biāo)，對(duì)水域提取精度要求較高，為保證高精度盡量減小誤差帶來(lái)的影響，采用目視解譯這種傳統(tǒng)的遙感數(shù)據(jù)信息提取方法對(duì)蘇州市的所有水域進(jìn)行提取并獲得全市水域面積。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

蘇州市地處長(zhǎng)江、太湖下游，范圍在N30°46′ —32°02′，E120°11′ — 120°16′，境內(nèi)地勢(shì)平坦，河港縱橫交錯(cuò)，湖蕩星羅棋布，有各類(lèi)河道2萬(wàn)余條，大小湖泊蕩漾300多個(gè)，形成“一江、百湖、萬(wàn)河”的獨(dú)特水網(wǎng)。水域在蘇州市防洪、排澇、灌溉、供水、航運(yùn)和生態(tài)景觀、水文化等方面發(fā)揮巨大的綜合作用。

為了準(zhǔn)確調(diào)查清楚蘇州市水域總面積和分布情況，獲取高精度的水域提取信息，采用高分辨率航空影像結(jié)合大比例尺地形圖，在同一數(shù)據(jù)條件、同一技術(shù)方案和工作細(xì)度下完成水域面積勘察工作。水域信息提取使用的基礎(chǔ)遙感影像2013年拍攝的彩色航空影像，空間分辨率為0.1 ～0.3 m，已經(jīng)過(guò)正射校正和波段融合處理。作為輔助目視解譯的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括1:1 000蘇州市測(cè)繪基礎(chǔ)地形圖、蘇州市電子地圖數(shù)據(jù)。

3 水域信息提取

3.1 水域范圍線界定

水域范圍界定按照有硬質(zhì)岸線和無(wú)硬質(zhì)岸線2種基本情況。

（1）硬質(zhì)岸線包括堤防，硬質(zhì)護(hù)坡、護(hù)岸，擋墻和道路等，在航空影像上一般呈現(xiàn)為白色條狀，直接沿硬質(zhì)岸線迎水側(cè)邊緣勾繪水域邊界（見(jiàn)圖1）。

（2）當(dāng)水域沿岸無(wú)硬質(zhì)岸線，以基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中的水域常水位岸線為基礎(chǔ)，結(jié)合不同時(shí)段的高分航空影像，沿水陸痕跡線勾繪水域邊界（見(jiàn)圖2）。

圖1 沿岸有硬質(zhì)護(hù)坡、護(hù)岸和擋墻河道水域范圍示意圖

圖2 沿岸無(wú)硬質(zhì)岸線河道水域范圍示意圖

3.2 特殊情況處理

3.2.1 河道貫通

（1）2條河流貫通時(shí)，在統(tǒng)計(jì)這2條河流的長(zhǎng)度時(shí)，河道中心線在貫通處貫穿，即這2條河道的長(zhǎng)度包括貫通處范圍。

（2）2條河流貫通時(shí)，如果交匯處的水域不屬于某個(gè)獨(dú)立的水域（例如湖泊或塘壩等），為了不重復(fù)計(jì)算，則在勾畫(huà)河流水域范圍面時(shí)，將該水域納入到其中等級(jí)較高或?qū)挾容^大的河流中，另外一條河流在交匯處斷開(kāi)。即交匯處水域面積被計(jì)算入其中一條河流的水域面積中，另外一條河流不包括交匯處的水域面積。

（3）當(dāng)河流與其他類(lèi)型水域貫通時(shí)，如果交匯處的水域?qū)儆谀硞€(gè)獨(dú)立的水域類(lèi)型（例如湖泊或塘壩），則在勾畫(huà)該河流水域范圍面時(shí)，河流兩端都在交匯處獨(dú)立水域斷開(kāi)，即這條河道的水域面積不包括交匯處獨(dú)立水域，在統(tǒng)計(jì)區(qū)域水域面積時(shí)，可以保證不會(huì)重復(fù)計(jì)算。

3.2.2 沙洲灘地水域判定

河湖沿岸堤防或岸線之間的沙洲、灘地在一般情況下都屬于河湖水域范圍，只有當(dāng)歷史最高洪水位或者設(shè)計(jì)洪水位無(wú)法被淹沒(méi)時(shí)才不屬于水域。依據(jù)上述原則，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，對(duì)于河湖水域范圍中間的沙洲灘地是否屬于水域按以下方法進(jìn)行判定：

（1）當(dāng)河湖水域中間的沙洲、灘地根據(jù)高分航空影像、堤防規(guī)劃調(diào)查資料、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)存在大片的人工建筑物或有堤防線包圍時(shí)不屬于水域，進(jìn)行鏤空處理（見(jiàn)圖3）。

（2）當(dāng)河湖水域中間的沙洲、灘地?zé)o上述情況時(shí)，一般在高水位時(shí)會(huì)被淹沒(méi)，因此屬于水域范圍。

圖3 沙洲灘地水域判定示意圖

4 水域提取結(jié)果測(cè)量驗(yàn)證

利用RTK對(duì)內(nèi)業(yè)提取的水域范圍界線進(jìn)行外業(yè)測(cè)量驗(yàn)證，測(cè)得點(diǎn)位中誤差為±0.16 m，小于±0.30 m，符合《1:500、1:1 000、1:2 000外業(yè)數(shù)字測(cè)圖技術(shù)規(guī)程》的要求。根據(jù)抽樣河段的驗(yàn)證結(jié)果，本項(xiàng)目基于遙感手段提取的水域面積的方法精確可靠，符合實(shí)際需求，獲取的水域面積精確可靠。

根據(jù)水域面積抽樣測(cè)量驗(yàn)證結(jié)果（見(jiàn)表1 ～ 2）和結(jié)果驗(yàn)證測(cè)段示意圖（見(jiàn)圖4），本次水域信息提取相對(duì)面積誤差為0.1%，其中流域性河道相對(duì)誤差最低為0.1%，市管河道提取誤差為0.2%，縣級(jí)和鎮(zhèn)村級(jí)河道為0.3%。分析主要原因?yàn)榈燃?jí)高的河道岸線多為明顯的硬質(zhì)岸線，易于內(nèi)業(yè)解譯。

表1 水域面積抽樣河道位置信息表

表2 水域面積抽樣驗(yàn)證結(jié)果匯總表

圖4 結(jié)果驗(yàn)證測(cè)段示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

在所調(diào)查區(qū)域水域情況比較復(fù)雜、水域范圍較大、所用遙感數(shù)據(jù)源分辨率足夠高的前提下，研究采用遙感目視解譯這種信息提取手段，相比傳統(tǒng)的人工實(shí)地巡查方式，顯然效率更高，同時(shí)，也能兼顧提取精度，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

但是目視解譯方法依賴于解譯人員的主觀認(rèn)知水平，解譯精度與解譯人員的解譯經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，仍然不可避免地出現(xiàn)誤差，為了避免人為干擾，利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)水域進(jìn)行自動(dòng)化提取，加強(qiáng)方法普適性研究的同時(shí)兼顧合理統(tǒng)一的精度評(píng)價(jià)是未來(lái)探索的重點(diǎn)。