不同空间分辨率遥感数据对水体提取精度的影响

论文总字数：12756字

摘 要

合适的空间分辨率遥感影像是决定遥感提取水域面积精度的关键之一。本文以洪泽湖、高邮湖及周边流域为例，选用Landsat 8 OLI 和MODIS两种卫星遥感影像数据，采用NDWI和近红外波段法、FAI模型法来提取水体面积。其中Landsat 8 OLI 数据经过像元聚合法和邻近值法两种方法重采样，得到分辨率分别为60*60m、100*100m、200*200m、500*500m、1000*1000m、2000*2000m的影像数据来评估不同空间分辨率对水域面积提取的精度，并以分辨率30*30m的分析结果作为基准。研究结果表明：（1）重采样方法会影响遥感影像的水域面积精度，邻近值法对于精度的影响偏小，精度最低为92.03%，像元聚合法对于精度的影响偏大，精度最低为69.98%。（2）随着影像空间分辨率的降低，提取的结果相较分辨率为30*30m的结果精度逐渐变低，在分辨率30*30m到200*200m之间，对研究区域的湖泊水域面积提取精度影响不大。（3）基于Landsat 8 OLI 影像重采样的分辨率为500*500m的影像数据对水域面积提取精度优于MODIS 分辨率500*500m的影像数据，这与遥感源的光谱分辨率有关。

关键词：洪泽湖，水域面积，重采样，空间分辨率

Abstract：A suitable spatial resolution remote sensing image is one of the keys to determine the accuracy of remote sensing water area extraction. Taking Hongze Lake, Gaoyou Lake and surrounding watersheds as examples, the paper selects Landsat 8 OLI and MODIS satellite remote sensing image data, and uses NDWI and near-infrared band method and FAI model method to extract water area. The Landsat 8 OLI data is resampled by the pixel aggregation method and the neighbor value method to obtain images with resolutions of 60*60m, 100*100m, 200*200m, 500*500m, 1000*1000m, and 2000*2000m, respectively. The data was used to evaluate the accuracy of water area extraction with different spatial resolutions, and the results were analyzed with a resolution of 30*30 m. The results show that: (1) The resampling method will affect the accuracy of the water area of ​​remote sensing images. The influence of the proximity value method on the accuracy is small and the accuracy is the lowest at 92.03%. The effect of the pixel aggregation method on the precision is high, and the precision is the lowest at 69.98 %.(2) As the spatial resolution of the image is reduced, the accuracy of the extracted result is lower than that of the resolution of 30*30m, and the resolution is 30*30m to 200*200m. The area extraction accuracy has little effect. (3) Image data with resolution 500*500m based on Landsat 8 OLI image re-sampling is superior to image data with MODIS resolution of 500*500m for water area extraction. This is related to the spectral resolution of the remote sensing source.

Keywords：Lake Hongze, water area, re-sampling, spatial resolution

• 目 录

1　前言 3

1.1　研究意义 3

1.2　研究进展 3

1.3　研究内容和目的 4

2　数据源与研究方法 4

2.1　研究区域概况 4

2.2　数据来源 5

2.3　研究方法 5

2.3.1　技术路线 5

2.3.2　重采样 6

2.3.3　水体提取方法 6

3　结果与分析 7

3.1　重采样方法对水体提取精度的影响 7

3.2　不同空间分辨率对水体提取精度的影响 8

3.3　不同数据源对水体提取精度的影响 10

4　讨论 11

4.1　阈值是水体指数提取水域面积的关键 11

4.2　空间分辨率是影响水体提取精度的重要因素之一 13

结论 14

参考文献 15

致谢 17

1　前言

1.1　研究意义

古往今来，湖泊一直是人类赖以生存的一个地理空间。湖泊环境作为一个基础的地理环境，它的动态变化体现了复杂的自然进程和人类活动进程，从而引起了大多数学者们的充分关注^[1]。我国水资源十分丰富，河流和众多湖泊为改变自然和促进社会进步奠定了基础，同时也为经济的发展提供了重要来源。但由于人口资源过多，水资源利用率差，水源污染严重导致我国可利用的水资源相当匮乏。因此，21世纪的今天中国仍然是一个可利用水资源十分稀缺的国家，如何充分利用好水资源成为我国贯彻落实科学发展观的关键一步。为了更好的解决这个问题，必须加强对水体的监测力度和监测能力。遥感具有时效性强、信息丰富等特点^[2]成为能够利用的可用于快速获取地面信息以进行环境监测的重要手段之一。

随着经济社会的发展和科技水平的进步，卫星遥感的空间分辨率越来越高，可以快速、准确、大范围地提取水体信息，同时可以有效进行水体变化监测。但由于水体自身的原因以及周围大气环境和复杂的环境地形灯光影响，在不同的分辨率下的遥感影像水体信息存在一定的差异。分辨率过低会造成损失有关信息，而分辨率过高会产生额外的信息。因此，空间分辨率的研究已成为一个值得关注的问题。

1.2　研究进展

到目前为止，湖泊面积的遥感提取主要有单波段阈值法、谱间关系法、多波段运算法、混合像元分解法等^[3]，各有优缺点。单波段阈值法运算的依据是水体在近红外波段反射率较低的特性，通过设立阈值来区别水体和其它地物，这种运算方法简单易操作，但易混淆其他地物信息，识别精度相对较差^[4]。谱间关系法是通过多种波段运算来加强水体信息与陆地信息的差异，从而获得水体信息和陆地信息分界明显的图像。由于运用多种波段的信息，谱间关系法比单波段阈值法优势更显著，所以也被普遍使用。多波段运算法对波段进行处理，构建出水体识别模型，包括NDWI模型、FAI模型，然后再由阈值法快速达到水体信息的提取的要求^[5]。此方法尤其在山地地区，水体和阴影能很好地区分开来^[6]。由于单像元混合有多种地物信息，故混合像元分解法可以根据特征地物的比例，来获得独立像元中的水体信息部分，从而来提高水体提取的精度^[7]。空间分辨率越低，独立像元中多个地物混合的现象就越明显，混合像元分解法的优势就越明显。

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