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基于高光谱卫星影像的水体提取方法对比
背景介绍
水资源是人类极其宝贵的自然资源之一，我国淡水资源总量虽居世界第四，但人均占有量仅为世界人均 的 1/4。利用遥感技术准确快速地获取陆上水体动态信息，是水资源调查、面积监测的一种高效技术手段。
现阶段关于水体信息提取的研究不在少数，数据源多为多光谱。目前有多种用于提取不同类型、不同地区水体方法，各有优势，而在高光谱卫星数据上的应用研究较少。因此本文通过西光壹号05星（天仙配号）对不同水体提取方法进行对比分析。
方法和原理
该案例中使用2025年5月21日西光壹号05星（天仙配号）拍摄的潍坊市地区高光谱影像，开展了水体提取，并根据提取结果对不同方法进行对比分析。
表1. 数据介绍
该案例中，指数计算使用经过大气校正的L2C级反射率数据，具体操作流程如下：
1. 数据预处理
（1）辐射定标：对原始DN值数据，使用辐提供的射定标系数进行辐射校正，得到表观辐亮度数据，可以使用ENVI中的Radiometric Calibration工具进行。
（2）大气校正：使用基于6S或MODTRAN模型的大气校正工具进行大气校正，得到地表反射率数据，例如ENVI中的FLAASH大气校正工具。
（3）光谱平滑：在ENVI中对地表反射率数据使用Savitzky-Golay（SG）算法进行平滑，光谱降噪的同时提高后续分类的可靠性，使用ENVI中的App Store拓展工具Savitzky-Golay Filter或自带的THOR Spectral Smoothing工具均可，使用Savitzky-Golay Filter时，参数设置如下：
（4）影像配准（可选）：对处理完成的数据依据底图进行地理配准，配准可以在ENVI中也可以在qgis、arcgis中进行，参考地图推荐使用谷歌影像。
2. 水体提取
（1）单波段阈值法
单波段阈值法是指选定某一具体波段，通过设置适当的阈值对水体进行提取。阈值定义式为：
式中RNIR为近红外的反射率值；δ为阈值。当反射率≥δ判断为非水体，<δ时判断为水体。阈值通过分析相关波段的灰度直方图可确定。
（2）归一化差异水体指数法（NDWI）
水体范围的提取采用光谱指数法。具体是基于FLAASH处理后的地表反射率图像进行归一化水体指数 NDWI （Normalized Difference Water Index） 计算，然后基于NDWI图像的直方图，设定阈值完成水体提取。计算公式如下：
（3）改进的阴影水体指数法（MSWI）
改进的阴影水体指数（Modified Shade Water Index，MSWI）是基于阴影水体指数，使阴影和水体的分离程度更高的比值模型。计算公式如下：
其中，阈值设为 0，大于 0 为水体，否则为背景
（4）综合权重水体指数法（CWWI）
综合权重水体指数（Comprehensive Weight Water Index，CWWI）利用蓝、 绿、近红外三个波段，通过赋予三个波段不同权值，进行波段组合, 该方法通过强化水体反射与吸收的差异进一步区分水体与非水体。定义式为：
（5）阴影建筑指数法（SBI）
阴影建筑指数（Shaded Building Index，SBI）是利用 NDWI 和近红外波段的乘积，通过阈值选择实现 水体的提取。若单纯采用 NDWI 极容易造成阴影与水体的混淆，噪声杂质较多。研究区中典型地物 NDWI 值从大到小的排序为：水体、建筑、山体阴影、植被，亮度依次降低，其中水体和建筑明暗度相似，数值交叉现象严重。水体在近红外波段与其它地物有显著差异，反射率从大到小的排序为：植被、山体阴影、 建筑、水体。因此，SBI 的表达式为:
式中NDWI 为归一化差异水体指数；RNIR为近红外波段反射率。NDWI 与近红外波段的平方相乘，在便于识别结果灰度值和有效提取水体的情况下，能使水体与其它地物的数值差异最大化，尤其与建筑的灰度值不再存在交叉现象。
结果展示
图1 真彩色合成影像，西光壹号05星（天仙配号）， 20250521
SG滤波前后不同地物光谱曲线对比（反射率扩大10000倍，西光壹号05星（天仙配号），20250521）
图2 SG滤波后不同地物光谱曲线
对西光壹号05星（天仙配号）进行上述水体提取，为尽可能忽略人工干预阈值的影响，将上述方法除单波段方法外阈值均设为0，得到以下结果：
图3 单波段提取水体分布图，西光壹号05星（天仙配号），20250521
图4 NDWI水体分布图，西光壹号05星（天仙配号），20250521
图5 MSWI水体分布图，西光壹号05星（天仙配号），20250521
图6 CWWI水体分布图，西光壹号05星（天仙配号），20250521
图7 SBI水体分布图，西光壹号05星（天仙配号），20250521
由上述水体提取分布结果以及表2可知，单波段阈值提取较其他方法提取水体更为细致、面积最大，主要表现为峡山水库渠河南段，水体较为连续，可以直观看到河流汇入城区；而其他方法提取结果在渠河下游处均有间断；此外单波段阈值提取可以很好的提取面积较小的小型水体，但单波段阈值法依赖阈值的设定，对阈值设定的要求较高，需要人工参与。其他四种水体提取结果中，NDWI与SBI方法提取结果很接近，而MSWI和CWWI方法在大型水体上提取效果更好，但在面积较小的水体上会有遗漏。
表2 不同方法提取水体面积统计表