文|宋文龍 路京選 楊昆 李煥新 李萌,3 盧奕竹 田琳靜,3 史楊軍

1.水利部防洪抗旱減災工程技術(shù)研究中心/中國水利水電科學研究院2.渭南市東雷二期抽黃工程管理局 3.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院

一、引言

地表水體是指河流、湖泊、池塘、水庫、沼澤與冰川等存在于地球表面的水體總稱[1]。作為可利用水資源的重要組成部分，地表水體是動植物生存、人類活動、生態(tài)系統(tǒng)運行等水資源需求的主要來源，其水量、水質(zhì)、時空分布特征對生態(tài)平衡、人類社會安全與經(jīng)濟發(fā)展都有著重要影響。因此，開展全域地表水體面積、空間分布、動態(tài)變化等有效監(jiān)測與評估，對水資源監(jiān)測評估、防洪抗旱減災、生態(tài)環(huán)境建設(shè)等工作均具有重要意義。

衛(wèi)星遙感技術(shù)是開展大范圍水體信息動態(tài)監(jiān)測的有效途徑。水本身物質(zhì)組成對光輻射的吸收和散射性質(zhì)決定了水體獨特的光譜特征，即“在可見光波段0.6μm之前，水的吸收少，反射率較低，大量透射，藍-綠光波段反射率為4%～5%；紅光部分反射率降到2%～3%；在近紅外-短波紅外部分幾乎吸收全部的入射能量，反射能量很小”[2]。天然水體的光譜反射率總體低于其他地物，且隨著波長的增大反射率逐漸降低。相較于可見光波段，近紅外波段和短波紅外波段的水體反射率很低，而渾濁水體比清澈水體的光譜反射率要高一些（參見圖1），這一特征與植被、土壤的光譜有明顯差異?；谏鲜鲈砝眠b感技術(shù)能夠識別出地表水體，使其與其他地物區(qū)分開。

圖1 水體反射波譜（趙英時等，2017）

二、地表水體遙感監(jiān)測常用衛(wèi)星數(shù)據(jù)源

地表水體遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)源的選擇，應綜合考慮監(jiān)測目標面積、空間特征、地域特征、空間分辨率、監(jiān)測時間周期、經(jīng)濟成本等因素。

1）由于具有覆蓋范圍大、回訪周期高、成本低等特點，對大面積水域開展監(jiān)測可考慮選用風云二號氣象衛(wèi)星（FY-2C/2D/2E）、資源一號衛(wèi)星（ZY-1）、美國“土”（Terra/MODIS）衛(wèi)星、美國“諾阿”（NOAA）衛(wèi)星等影像數(shù)據(jù)；

2）由于具有覆蓋范圍小、精度高、成本較高等特點，對較小面積水域開展高精度監(jiān)測可考慮選用環(huán)境與減災小衛(wèi)星、“高分”（GF）系列衛(wèi)星、美國“陸地衛(wèi)星”（Landsat）、美國“世界觀測”（WorldView）衛(wèi)星、美國“地球眼”（Geoeye）衛(wèi)星、法國“斯波特”（SPOT）衛(wèi)星等影像數(shù)據(jù)；

3）與光學遙感不同，微波數(shù)據(jù)能夠穿云透霧，提取水域邊界更有優(yōu)勢，應用微波數(shù)據(jù)可考慮選用歐洲“環(huán)境衛(wèi)星”（EnviSat）、加拿大“雷達衛(wèi)星”（Radarsat）、日本地球資源衛(wèi)星一號（JERS-1）、日本“先進陸地觀測衛(wèi)星”（ALOS）等數(shù)據(jù)。

目前常用于地表水體信息提取的遙感數(shù)據(jù)源主要包括SPOT、Landsat/TM、Terra/MODIS、Landsat/ETM+等。

三、地表水體遙感監(jiān)測方法

利用地表水體區(qū)別于其他地物的光譜特征，根據(jù)數(shù)據(jù)源選取合適的波段構(gòu)建模型方法，以增強水體與不同地物之間在遙感圖像上的對比度，達到提取水域范圍的目的。結(jié)合遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)源，對地表水體信息遙感監(jiān)測方法從衛(wèi)星光學遙感、衛(wèi)星雷達遙感和無人機低空遙感三個方面介紹。

1.衛(wèi)星光學遙感

衛(wèi)星光學遙感是基于光學傳感器獲取的多光譜數(shù)據(jù)提取水體信息的方法，包括單波段閾值法、多光譜波段法、水體指數(shù)法和光譜匹配法。

（1）單波段閾值法

單波段閾值法是通過設(shè)定某一波段的閾值范圍來提取水體信息?？梢酝ㄟ^頻段直方圖，選擇與周圍地物相比更能表現(xiàn)出水體特異性的波段，確定所用遙感數(shù)據(jù)適用于水體信息提取的一個最佳波段。研究發(fā)現(xiàn)，與可見光相比，紅外波段能更好地反映水體特性[3]。水體信息提取精度決定于所選波段及其閾值設(shè)置，閾值確定方法用灰度直方圖雙峰谷值法來選取合適的閾值[4]。此外殷亞秋等對閾值法加以改進提出加權(quán)灰度閾值法，對于每個波段設(shè)定閾值，再賦予各個波段不同的權(quán)值，使多個波段參與運算，增強了水體提取效果[5]。

（2）多光譜波段法

多光譜波段法是利用多光譜遙感影像不同波段的組合運算來增強和提取水體信息。該方法可有效抑制植被、土壤、建筑物等地物干擾，常用的有密度分割法、差值法、譜間關(guān)系法、比值法等。

1）密度分割法通過反復試驗得到最適宜的分割參數(shù)，將影像分割成不同對象，在對象層次上進行水體的提取與分類[6]。

2）差值法主要是對不同波段亮度值進行減法運算，達到突出目標地物的目的，以TM影像為例，使用TM影像第二波段與第五波段的差值（TM2-TM5）可以對山地高原地區(qū)水體進行特征突出，在增大了水體與其他地物之間的差異之后，再對水體進行提取，可以提高提取精度[7]，也有使用第4波段與第7波段相加并結(jié)合DEM數(shù)據(jù)對水體進行判斷的研究[8]。

據(jù)調(diào)查，農(nóng)村幼兒園兩教一保、兩教兩保的比例合計僅為5.46%，師幼比1∶10以下幼兒園也僅為3.64%，具有事業(yè)編制的教師比例為1.82%，持有教師資格證者為36.36%，小學高級職稱和一級職稱教師占比都是0.00%?？梢姡r(nóng)村幼兒教師不僅數(shù)量缺口巨大，而且優(yōu)質(zhì)教師資源缺乏嚴重。

3）譜間關(guān)系法與差值法不同的是并非單一的對波段進行差值運算，根據(jù)不同地物的光譜特性，通常會引入更多波段建立關(guān)系。例如對于MODIS數(shù)據(jù)，可以使用其1、2、4、6波段構(gòu)建譜間關(guān)系模型，通過差值運算對水體進行有效判別，并結(jié)合水體指數(shù)法以提升水體提取的精度；對于Landsat數(shù)據(jù)，可以使用TM2、3、4、5波段進行差值運算，通過實驗確定閾值，進行波段計算提取水體。

4）比值法依據(jù)水體在紅綠波段反射率高，而在近紅外反射率低的波譜特點，可通過對不同波段進行比值運算達到增強水體信息、抑制干擾地物的目的。比如對于NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)是通過CH2/CH1識別水體，對于TM數(shù)據(jù)則使用CH2/CH4來識別水體[9]。

（3）水體指數(shù)法

水體指數(shù)法（NDWI）是根據(jù)水體在紅、綠波段的光譜差異采用歸一化比值運算的一種水體提取方法。該方法最早由McFeeters提出，主要依據(jù)陸地植被與土壤在近紅外波段具有較高反射率的特點，并引入綠波段來最大化水體特征反射率進行運算識別水體[10]。之后有研究者基于NDWI不斷改進，提出了改進的水體指數(shù)（MNDWI）[11]，與NDWI相比，這種方法具有更廣泛的適用性，對于周圍建筑物較多的水體也有較好的提取效果。此外，根據(jù)研究區(qū)域特點和數(shù)據(jù)源特征，衍生了許多改進的水體指數(shù)模型，如Feyisa等使用TM多個波段引入了自動水提取指數(shù)（AWEI），該指數(shù)使用了更多的波段，具有高精度與分類閾值穩(wěn)定的特點[12]；針對半干旱地區(qū)的水體與背景噪音區(qū)分困難問題，使用增強型水體指數(shù)（EWI）來改善半干旱地區(qū)水體的提取精度，該水體指數(shù)引入了近紅外波段與短波紅外波段的信息，可以抑制土壤和居民地等地物的干擾[13]。

（4）光譜匹配法

光譜匹配法是根據(jù)地物光譜或遙感指數(shù)變化趨勢，通過相似性數(shù)學方法，進行地物類型及其特征判斷與識別，可應用遙感數(shù)據(jù)的全波段信息。該方法需要將目標地物的待測光譜或參數(shù)與已知地物的樣本光譜或參數(shù)通過定性、定量的分析比較，獲取目標地物的類型與信息。該方法往往要求數(shù)據(jù)源具有較多波段，數(shù)據(jù)源所具備的信息越多，則數(shù)據(jù)中包含地物光譜信息就越多，識別地物效果越好。作為一種類非監(jiān)督分類方法，可以達到監(jiān)督分類的精度，這樣既可以減少采集樣本時間，又可以最大程度地減少人類經(jīng)驗所造成的誤差。目前，常用的匹配算法有光譜角填圖（SAM）、歐式距離（EDS）和光譜相關(guān)系數(shù)（SCC）等。將光譜匹配方法應用于識別水體，是基于像元對不同地物與已知水體的相似度進行計算，然后根據(jù)相似程度判斷指標閾值，來識別水體范圍，該方法對于識別水體邊界處的水體像元具有較好的應用精度。與監(jiān)督、非監(jiān)督分類方法不同，這種方法主要依據(jù)地物在多光譜圖像中的吸收輻射的光譜帶特征[14]。

2.衛(wèi)星雷達遙感

與光學遙感相比，雷達遙感的優(yōu)勢在于可以穿云透霧全天時全天候?qū)δ繕怂蜻M行監(jiān)測。由于開闊水體具有鏡面特性和較小的后向散射，使用雷達可以較好地對水體進行識別。此外，使用具有較長波長的雷達可以將信號透過植被冠層，從而通過雙向反射散射機制監(jiān)測到水體，這為監(jiān)測植被遮擋水域提供了有效途徑[15]。Brisco將線性與圓形極化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為偶數(shù)反彈散射、球形散射和其他散射并建立多極化數(shù)據(jù)集，根據(jù)極化數(shù)據(jù)特征提取了濕地信息[16]。但是很多時候使用單一方法或數(shù)據(jù)提取效果并不能達到預期精度，可以將多種方法與數(shù)據(jù)結(jié)合使用以提升水體信息提取效果。Huang等人使用美國地質(zhì)勘探局生產(chǎn)的合成動態(tài)地表水數(shù)據(jù)（DSWE）與DEM數(shù)據(jù)結(jié)合，通過后向散射特性構(gòu)建了決策樹，實現(xiàn)了水體的自動提取，總體精度最高可達93%[17]。有研究使用主成分變換并引入紋理特征等參數(shù)對鄱陽湖水體進行了提取[18]。鄧瀅等結(jié)合紋理特征分析方法與極化分解對蘇州地區(qū)和代根多夫地區(qū)的水體進行了提取[19]。還可以使用雷達遙感法結(jié)合閾值法與紋理特征分析法對水體信息進行提取[20]。將雷達遙感法與光學遙感法進行優(yōu)勢互補，可以很大程度上提高水體提取的精確度[21]。

3.無人機低空遙感

無人機具有調(diào)度機動靈活、云下作業(yè)、低空、低速、低成本、使用方便、載荷多樣、數(shù)據(jù)精度高、可一定程度上突破自然條件和人類能力限制、代替工作人員進行遠距離（難到達）和高危地區(qū)作業(yè)等技術(shù)優(yōu)勢。搭載可見光相機、紅外成像儀、激光雷達（Lidar）、多光譜和高光譜成像儀的無人機系統(tǒng)，能獲得區(qū)域范圍、較高時空分辨率的可見光、紅外、點云和光譜信息，應用無人機航片處理軟件如Pix4Dmapper、Photoscan、YC-mapper等可得到可見光正射影像圖、地表溫度正射影像圖、數(shù)字高程模型等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，進而可進行區(qū)域范圍地表水體范圍高精度識別，有別于地面點尺度監(jiān)測和人工統(tǒng)計。

無人機低空遙感具有空間適宜性、高時空分辨率等特征，作為衛(wèi)星遙感的重要輔助，在小范圍地表水體信息動態(tài)監(jiān)測與衛(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)果校驗等方面具有獨特優(yōu)勢。但由于無人機自身質(zhì)量較輕，在獲取影像時易受氣流影響，造成采集的圖像發(fā)生畸變，為后續(xù)的圖像處理及信息提取造成了一定的困難，影像數(shù)據(jù)也存在著相幅小而多，傾斜角度不等及影像相幅的鑲嵌問題[22]。周曉敏等對無人機采集的影像進行處理獲得了較高的平面精度，將誤差控制在1m左右[23]。無人機低空遙感可根據(jù)需求在指定時間指定區(qū)域進行地表水體動態(tài)監(jiān)測，可以有效克服衛(wèi)星數(shù)據(jù)周期性獲取的限制，縮短監(jiān)測周期，提高監(jiān)測頻率，極大提升了水域監(jiān)測的效率[24]。隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，飛行穩(wěn)定性與覆蓋范圍的提升，無人機低空遙感技術(shù)將會成為水域監(jiān)測的一種重要手段。

隨著水體遙感的發(fā)展，除上述介紹到的方法，近些年又出現(xiàn)了決策樹[25-26]、人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[27]等方法，在實際應用中也取得了不錯的效果。

四、地表水體面積計算與精度檢驗

除直接通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行水體提取以獲得水域面積的方法外，還可以通過水體遙感提取結(jié)果與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)之間建立水域面積與水位之間的關(guān)系模型，即水域面積-水位法，通過水位計算水域面積。水域面積-水位法適用于那些面積與水位相關(guān)性較大的水域，而且精確度取決于模型中的相關(guān)系數(shù)。關(guān)系模型建立之后，可以通過水位快速反演水面積變化情況，這為空間數(shù)據(jù)獲取能力差的區(qū)域水域面積監(jiān)測提供了途徑。而且從長期監(jiān)測的角度來講，這種方法很大程度上提供了很大便利，降低了監(jiān)測成本。有研究者使用多種數(shù)據(jù)源對博斯騰湖近40年的水體變化情況進行了監(jiān)測，并建立模型估算了1972-2010年的水位變化，獲得了具有良好精度的水域面積-水位模型[28]；Huggel不但使用了水位與面積的關(guān)系，還考慮到體積與水體的潛在能量對冰川湖的危害進行評估[29]。還有許多學者應用這種方法對中國多個水域建立了模型，為水域面積監(jiān)測提供了方法途徑[30-32]。但對于某一特定水域建立的模型，并不一定適用于其他水域，所以這種方法不如光學遙感法和雷達遙感法應用廣泛。

精度檢驗是對水體信息提取效果的數(shù)學評價。在對提取的水域范圍及面積結(jié)果進行檢驗時，應使用準確度更高的參考數(shù)據(jù)，一般使用精準的地形圖或地面實測數(shù)據(jù)作為參考，無人機低空遙感航測數(shù)據(jù)將可作為地表水體監(jiān)測精度校驗的有效途徑。同時，選擇合適的數(shù)學參數(shù)進行定量評估，目前通常采用混淆矩陣對遙感圖像進行精度評價，將參考數(shù)據(jù)與提取結(jié)果進行疊加后得到混淆矩陣，通過混淆矩陣可以計算出許多指標，比如總精度、Kappa指數(shù)等[33]。對于水體邊界的提取精度可以使用Pratt品質(zhì)因數(shù)[34]，計算出的PFM值越高，則精度越高，反之則越低。

五、討論與展望

目前使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行研究較多，尤其是衛(wèi)星光學遙感法應用廣泛且方法較為成熟，這些方法具有不同的優(yōu)勢，應根據(jù)研究需求進行合理選擇。其中，單波段閾值法可以根據(jù)所選數(shù)據(jù)特征對水體進行快速提取，這種方法受閾值的影響大，需要大量的實驗來確定閾值，對于同一地區(qū)可能出現(xiàn)提取閾值變化的情況。而譜間關(guān)系法使用了更多的特征波段，在對水體特征進行突出的同時削減了陰影的影響。水體指數(shù)法要明顯優(yōu)于前兩種方法，具有較高的靈敏度，對于周圍環(huán)境復雜的水體也有著較好的提取效果，且水體邊界提取也更為準確，但對于細小的水體提取不明顯，且仍然夾雜著許多非水體信息。光譜匹配法的發(fā)展在地表水體提取方面具有獨特優(yōu)勢，以類非監(jiān)督分類方法可以獲得監(jiān)督分類的精度，且具有較少的輸入?yún)?shù)，最大程度上減少了人為誤差，具有更高的靈敏度，有效提升了細小水體的提取精度，但前期的光譜信息準備較為復雜。

雷達具備高穿透性物理特性，可穿過植被對遮擋的水體進行監(jiān)測，而且使用衛(wèi)星雷達遙感法可以不受天氣影響，對研究目標進行全天時全天候的監(jiān)測。但這種方法易受回波信號的影響，圖像上出現(xiàn)斑塊，還有斜距成像造成的陰影問題，都會對精度造成影響。

目前受限于電池續(xù)航時間、空域等因素，無人機低空遙感在大區(qū)域范圍地表水體監(jiān)測中的應用尚有不足，但無人機技術(shù)具有良好的應用前景，在地表水域面積快速動態(tài)監(jiān)測方面有著無可替代的優(yōu)勢，隨著蓄電池、無人機平臺、載荷、航片快速處理軟件及行業(yè)應用標準規(guī)范等無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機低空遙感將成為地表水體動態(tài)監(jiān)測不可或缺的技術(shù)手段。

不同方法的適用條件存在差異，多種方法的結(jié)合使用可以進行優(yōu)勢互補，達到更好的水體提取效果。

近年來，地表水體遙感監(jiān)測技術(shù)發(fā)展取得豐富成果，針對目前技術(shù)方法的不足與新技術(shù)發(fā)展趨勢，今后應在以下方面開展深入研究。

1）豐富遙感數(shù)據(jù)源。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展，衛(wèi)星影像在空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率方面快速提升，特別是國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品快速發(fā)展，可選擇的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源日益豐富，但總體而言滿足日、周等高頻率時間周期的高空間分辨率低成本數(shù)據(jù)提供能力依然不足，有待繼續(xù)發(fā)展；同時無人機低空遙感技術(shù)快速發(fā)展，可搭載可見光相機、熱紅外相機、多/高光譜相機、Lidar等多種載荷，可作為衛(wèi)星遙感的輔助手段，在長航時無人機、可支持多種載荷航片處理的自主軟件研發(fā)等技術(shù)突破基礎(chǔ)上，完全可滿足對中小面積地表水體動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集需求。

2）監(jiān)測方法智能化。伴隨高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取能力的提升，遙感空間數(shù)據(jù)處理與對象智能識別技術(shù)也應得到發(fā)展，特別是應用面向?qū)ο?、圖像分割、數(shù)據(jù)挖掘和光譜匹配技術(shù)，實現(xiàn)基于高分辨遙感影像的地表水體智能、快速提取。

3）尺度問題研究。各種數(shù)據(jù)源時空分辨率不同，獲取數(shù)據(jù)機理不同，應加強基于多源數(shù)據(jù)的地表水體遙感監(jiān)測尺度問題研究，在混合像元等問題上取得突破。