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Scientific Journal of Earth Science December 2013, Volume 3, Issue 4, PP.133-139

Preliminary Study of Waterline Extraction Methods at Xiamen Bay based on LandSAT TM Lu Huang 1, 2, Caiyun Zhang 1,2† 1. Key Laboratory of the Ministry of Education for Coastal and Wetland Ecosystems (Xiamen University), Fujian Provincial Key Laboratory for Coastal Ecology and Environmental Studies (Xiamen University), Fujian 361005, China 2. College of Ocean and Earth Sciences, Xiamen University, Fujian 361005, China †Email:

cyzhang@xmu.edu.cn

Abstract The single-band threshold, multi-band spectral relationship, water indexes as well as the maximum likelihood classifier were investigated, taking Xiamen Bay as case study, based on the satellite image obtained from LandSAT TM in 2008. The investigated results indicated that b3/b5 method and the single-band threshold method perform better on the extraction of waterline; while b3/b5 method is better on extracting the non-water information, and single-band threshold at extracting the tiny water body information. By combining these two methods and the maximum likelihood classifier, the comprehensive waterline extraction method was established for Xiamen Bay. The study showed that the comprehensive method has higher accuracy than the single method. Keywords: Waterline Extraction; Remote Sensing; LandSAT TM; Xiamen Bay

基于 LandSAT TM 的厦门湾水边线提取方法初探* 黄路 1, 2,张彩云 1,2 1. 滨海湿地生态系统教育部重点实验室(厦门大学),福建省海陆界面生态环境重点实验室(厦门大学),福建 厦门 361005 2. 厦门大学 海洋与地球学院,福建 厦门 361005 摘 要:以厦门湾为研究区域,结合 2008 年 LandSAT TM 遥感影像,分别对单波段阈值法、多波段谱间关系法、水体指 数法以及最大似然法在水边线提取效果上进行比较,发现 b3/b5 方法和单波段阈值法提取水边线的效果相对较好,b3/b5 方法对围梗、滩涂等非水体信息的提取能力较强,而单波段阈值法则更擅长提取一些细小的水体信息。综合利用这两种 方法,并结合最大似然法建立了厦门湾水边线综合提取方法,该方法的提取精度高于单一提取方法,适用范围更广,且 在处理上具有较大的灵活性,可以作为一种快速提取海岸带复杂地物水边线的参考方法。 关键词:水边线;遥感提取;LandSAT TM;厦门湾

引言 水边线是潮汐波动下起伏不平的海面和陆地的瞬时交接线[1]。水边线信息的提取是进行海岸线调查的重 要内容,对于岸线演变、海岸带变迁、滩涂资源、沿岸工程等研究均有重要意义。遥感影像因其具有空间 覆盖度大、多时相、成本低廉、易获取等优势,已成为水边线信息提取最为重要的数据源。针对遥感影像 的水边线提取,多年来人们已提出很多种不同的方法,比如采用单波段的近红外波段或短红外波段阈值法 [1,2]

、多波段差值或比值关系[3,4]、归一化差异水体指数法[5,6]、密度分割法以及边缘检测法[7,8,9]、决策树法[10]

等等。这些方法有的是针对内陆水区[10,11,12],有的针对近岸潮滩、沙洲等复杂地形的水边线提取[7,8,9],具有 *

基金资助:受 2013 年厦门南方海洋研究中心项目支持资助。 - 133 http://www.j-es.org/


很强的区域性,对干扰背景地物的提取效果也不太一样,算法的难易程度也不尽相同。 可见在不同地区,由于地形地貌,生态环境不同,使得地物的种类及其分布有明显的差异,这就需要 根据研究地区一些典型地物的分布特征,择优选取合适的水体提取方法。近年来,受经济高速发展的影 响,厦门湾围填海活动频繁,沿岸地物类型日趋复杂,加上该海域水动力复杂多变、潮差变化大,海岸线/ 水边线的变化相当剧烈。因此本研究以厦门湾为例,在对常用水体提取方法比较讨论的基础上,选择并建 立一种适合厦门湾地区的水边线提取方法。

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研究区域概况 厦门地处台湾海峡西岸中部、闽南金三角中心,是一个国际性的海港风景城市。厦门湾包括厦门港、

外港区、马銮湾、同安湾、九龙江河口区和东侧水道,海域面积约 390km2,海岸线蜿蜒曲折,海岸带包含 有沙滩、基岩、滩涂、红树林、养殖区等多种类型,港口资源、滨海旅游资源以及海洋生物资源相当丰 富,是发展滨海旅游、港口等海洋经济产业的重镇。厦门湾潮汐属于正规半日潮。本研究区域的经纬度坐 标为北纬 24°17′~24°41′,东经 117°50′~118°16′。

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数据与方法

2.1 数据及其预处理 在充分考虑厦门湾地区典型地物的基础上,本研究使用的数据源为陆地卫星 Landsat-5 TM 影像,下载 于美国 USGS 网站。TM 影像包含 7 个波段的数据,在可见光波段和红外波段分辨率均为 30m,第 6 波段重 采样后空间分辨率为 60m,能较好地反映真实地表信息。图像成像时间为 2008 年 2 月 28 日,云覆盖(百分 比)很小,无条带噪音,潮位在低潮前半小时以内,潮滩上的地物信息(如滩涂等)基本上都被保留着。 利用 Envi 软件掩膜工具裁剪出研究区域,设置投影坐标系为 Beijing_1954_GK_Zone_20。分析前已经 对图像进行了几何精校正。

2.2 典型地物的波谱特征 要将影像上的水体信息和非水体信息最大程度的分离,首先要分析图像的地物波谱特征,根据地物的 波谱特征寻找适合的水体判别方法 [13]。这里我们取滩涂、养殖区、城镇、植被、干燥沙滩、围梗等易与水 体混淆的典型地类,统计它们的灰度平均值并绘制成光谱曲线,如图 1 所示。此外,因海岸带附近水体性质 较为复杂,又将研究区水体细分成养殖区水体、内陆湖泊和海水。

图 1 厦门湾地区典型地物的光谱曲线

从图 1 可以看出,在第五波段(短红外波段),不同类型水体的灰度均值近似相等,且因水体在该波段 有强烈的吸收,其灰度均值与其他类型的背景地物相比,有较为明显的差异,所以单波段阈值法可以作为 一种有效提取复杂水体的方法。图 1 还表明不同水体类型光谱曲线的变化趋势大体相同,其中养殖区水体是 海岸带地区的典型地物特征,易与海水混淆,但因其围梗亮度与周围水体的亮度在红外波段有较为明显的 - 134 http://www.j-es.org/


差异,因此可通过提取围梗水边界将养殖区边界线勾勒出来。

2.3 常用水边线提取方法 论文比较使用到的水体提取方法有单波段阈值法、多波段谱间关系法、水体指数法和最大似然分类 法。各方法的提取模型如表 1 所示。除了最大似然分类法外,其它方法基本上是通过设置适当的阈值进行判 断的。阈值的精确度,决定了信息提取的准确性 [11] 。实际操作中,阈值的选取可以通过直方图来大致确 定,然后通过反复实验,直至确定最佳阈值 [14]。最大似然法是常用的一种监督分类法,它是用统计方法根 据最大似然比贝叶斯判决准则法建立非线性判别函数集,假定各类分布函数为正态分布,计算各待分类样 区的归属似然度,而进行分类的一种图像分类方法[15]。 表 1 水体提取模型的比较 方法 单波段阈值法 多波段谱间关系法

水体指数法

监督分类法

模型 TM5<阈值 (Band2+Band3)-(Band+Band5)>阈值 (Band2+Band3)/(Band4+Band5)>阈值 Band3/Band5>阈值 NDWI=(Band2-Band4)/(Band2+Band4)>阈值 MNDWI=(Band2-Band5)/(Band2+Band5)>阈值 NDWI3=(Band4-Band5)/(Band4+Band5)>阈值 RNDWI=(Band5- Band3)/( Band5+ Band3)<阈值 NWI=( Band1-( Band4+ Band5+ Band7))/ (Band1+( Band4+ Band5+ Band7))>阈值 最大似然法分类

不同水边线提取方法的比较

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我们先通过最值差来判断背景地物对水体提取的干扰情况。所谓最值差是在使用不同的水体提取方法 时,将三类水体分别计算得到的数值与周围背景地物相减,求取绝对值为最小的一个值。其统计结果如表 2 所示,当最值差最小时,一般可以说明水体与该地物类型最难区分。从表 2 可以看出,提取水体过程中较难 区分的背景地物类型主要集中在植被、滩涂和围梗上,尤以围梗居多。因此,准确提取围梗、滩涂边界, 可以看做是衡量不同方法在提取细小水体方面效果优劣的一个重要的参考指标。 进一步从各种方法所计算的不同地物类型均值差异上看,单波段阈值法和多波段谱间关系法对于区分 背景地物,提取水体信息都有相对较好的效果。其中单波段阈值法在提取围梗、滩涂、城镇、干燥沙滩方 面较好,而多波段谱间关系法对于植被提取效果相对好一些。水体指数法中以 b3/b5 方法在区分水体与各种 背景地物上效果最为明显,该方法所获得的水体与各种背景地物的最值差都要比其他方法得到的最值差要 大;其次是 RNDWI 方法。 表 2 使用不同方法计算得到的最值差 水体提取方法 最 值 差

水体-围梗 水体-滩涂 水体-城镇 水体-植被 水体-沙滩 最难区分地类

单波段 阈值法 32.8 32 77.8 23.4 146.2 植被

谱间关 系法 26 27.4 59.8 84.6 142.4 围梗

(b2+b3) /(b4+b5) 0.727 0.744 0.965 1.176 1.157 围梗

NDWI

RNDWI

MNDWI

NWI

NDWI3

b3/b5

0.154 0.136 0.187 0.467 0.277 滩涂

1.27 1.337 1.619 1.657 1.806 围梗

0.449 0.479 0.709 0.629 0.879 围梗

0.405 0.41 0.634 0.573 0.866 围梗

0.225 0.273 0.452 0.077 0.547 植被

1.372 1.436 1.72 1.76 1.906 围梗

以同安湾部分地区(24°35′N~24°40′N,118°9′E~118°13′E)为例,该地区包含水体、养殖区、滩涂、山 体植被、裸地、城镇等一些典型地物,基本上能代表厦门湾附近地区的地形地貌特征,原始图像如图 2a 所 示。对不同水体提取方法设置合适的阈值并进行二值化处理,结果如图 2b~2j 所示,设定 0 为水体(黑色表 - 135 http://www.j-es.org/


示),1 为非水体(白色表示)。

(a)原始图像

(b)单波段法,30 (c)谱间关系法,90 (d) NDWI,0.15

(e) MNDWI,0.2

(f)b3/b5,1 (g)RNDWI,2.5 (h)NWI,0.1 (i)NDWI3,0.1 (j)(b2+b3)/(b4+b5),0.12

图 2 不同方法二值化处理效果图

从图 2 可以看出水体提取效果最好的是 b3/b5 方法和单波段阈值法,这两种方法对水边界处理效果较为 准确,可以较清晰地将养殖区围梗给勾勒出来,且受背景地物如亮度较高的水泥地、裸地等的影响相对较 小。其次是 RNDWI 法,但其对于背景地物的处理不如单波段阈值法和 b3/b5 方法。尽管(b2+b3)/(b4+b5)方 法对养殖区水边界以及一些细小滩涂边界有很好的处理效果,但因其受部分背景地物干扰严重,所以这里 不做讨论。 最后,我们选择 b3/b5 方法、单波段阈值法以及最大似然分类法三种方法,比较并分析它们在处理复杂 的细小水体边界方面效果的差异,如图 3 和图 4 所示。

(红色水边线表示单波段阈值法提取的边界,白色水边线表示 b3/b5 方法提取的边界)

图 3 单波段阈值法和 b3/b5 方法提取细小水体的比较

从图 3 细小水体提取的比较可以发现单波段阈值法提取的水体的范围更大,因此也更容易发现一些细小 的围田内的水体的存在,但不排除有误提的可能性(图 3a)。但在布满围梗的养殖区,b3/b5 方法提取的围 - 136 http://www.j-es.org/


梗等非水体信息较多,提取的围梗水边界也较单波段阈值法更加清楚(图 3b)。而对于一些难处理的细小 滩涂的水边界线,两者的提取效果差别不大(图 3c)。 再将 b3/b5 方法与最大似然分类法进行比较(图 4),可以看到,在滩涂区域,b3/b5 方法可以将一些细 小围田边界提取出来,而最大似然分类法在此区域提取效果较差,几乎没有多少围田水体信息被提取出来 (图 4a)。而在养殖区,最大似然分类法和 b3/b5 方法均能利用光谱值的差异充分提取围梗信息,且两者之 间差别不大(图 4b)。但是在图 4c 中可以发现最大似然分类法在提取一些细小的、不易发现的滩涂等非水 体边界的效果非常显著,而 b3/b5 方法在此方面效果不佳。

(红色水边线表示 b3/b5 方法提取的边界,白色水边线表示最大似然分类法提取的边界)

图 4 b3/b5 方法和最大似然分类法提取细小水体的比较

统计单波段阈值法、b3/b5 方法和最大似然分类法提取水体、非水体像元面积,结果表明在水体面积提 取上:单波段阈值法>b3/b5>最大似然分类法;而非水体面积:最大似然分类法>b3/b5>单波段阈值法。但在 实际操作过程中,由于阈值的正确选取较难把握,或者是由于方法本身的局限性,难免会出现水体漏提或 误提。就方法本身而言,单波段阈值法虽然提取水体效果最好,但可能存在水体多提的现象,同样最大似 然分类法也不能排除由于人为误差造成的非水体多提的可能。因此,综合目视解译的效果来看,b3/b5 方法 在克服水体误提和漏提方面可能做到了相对较好。

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厦门湾水边线综合提取方法

4.1 方法的建立 考虑到使用单一水体提取方法难以对复杂以及细小水体进行有效的提取,尤其是在有滩涂、围梗等复 杂背景地物存在的厦门海岸带地区,加上各种水体提取方法的阈值选取较难准确把握,因此我们在综合比 较各种常用水体提取方法的基础上,选择对对滩涂、养殖区等边界处理相对较好的单波段阈值法和 b3/b5 方 法,将两者的二值化图像通过波段相加生成一幅灰度图像,再结合最大似然分类法对一些误提和漏提的水 体信息进行人工修正,以此来建立厦门湾水边界线综合提取方法。 该综合提取方法是对吴文渊[4]等人提出的水边线提取方法的改进。首先,采用波段相加的方式将两幅二 - 137 http://www.j-es.org/


值化图像生成一幅灰度值为 0、1、2 图像,通过扩大阈值的选择范围减小对于下限阈值的严格要求。其次, 对于灰度图像上灰色部分,即两幅图提取结果存在差异的地方可以进行重点分析,判断水体误提或漏提的 情况。再次,对图像进行矢量化过程中可以继续对提取效果不理想的感兴趣区模块进行编辑,如漏提水体 的区域。最后若有图像提取水体的误差在允许的范围内,则可直接进行矢量编辑,不需要再进行最大似然 分类法,因此具有较大的灵活性。

(红色水边线代表 b3/b5 方法提取的边界,白色水边线代表水体综合提取方法提取的的边界)

图 5 综合水体提取方法和 b3/b5 方法在提取细小水体的比较

4.2 提取效果 将综合提取水体方法所提取的水体矢量边界与原始图像叠加,效果如图 5 所示。通过简单的目视解译可 以看到,水体、滩涂以及养殖区水边界可较好地被提取出来。与 b3/b5 方法比较后可发现,综合法提取水边 线在减少水体误提和漏提方面效果相对更好。 进一步利用高分辨率 Google Earth 地图,在容易混淆的细小水体边界附近随机均匀选取 100 个水体像 元点和 100 个非水体像元点作为待验证点,对综合提取方法的结果进行精度验证,总体验证精度为 88%。 与单波段阈值法和最大似然分类法相比而言,综合提取法在提取海岸带复杂水体方面具有相对较高的提取 精度。

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结语 本研究以厦门湾为研究区域,结合 2008 年 LandSAT TM 遥感影像,在比较常用水体提取方法判别效果

的基础上,建立了厦门湾水边线综合提取方法。结果表明:滩涂、围梗等背景地物对厦门湾水体提取的干 扰最大;对单波段阈值法、多波段谱间关系法、水体指数法和最大似然分类法在厦门湾水体提取效果的比 较可以看出,b3/b5 方法以及单波段阈值法的提取效果相对较好,其中 b3/b5 方法对围梗、滩涂等非水体信 息的提取能力较强,而单波段阈值法更擅长提取一些细小的水体信息。本研究综合利用这两种方法,并结 合最大似然分类法建立了厦门湾水边线综合提取方法,该方法在数据处理上具有较大的灵活性,提取效果 优于单一水体提取方法。不过在提取判断中不可避免增加了一些人为因素,会有一些主观偏差,需要加以 注意,但总体精度是高的。 - 138 http://www.j-es.org/


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【作者简介】 1

黄路(1989-),男,汉族,硕士研究

生,主要从事海岸带遥感方面的研究。

2

张彩云(1972-),女,汉族,博士学位,副教授,主要从

事海洋遥感应用研究。Email: cyzhang@xmu.edu.cn

Email: huangyie321@163.com

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Lu Huang, Caiyun Zhang

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