基于CIWI模型的洞庭湖地区水体变化识别

杨 骁

（湖南师范大学，湖南 长沙 410000）

0 前言

洞庭湖位于长江中游南岸，地处湖南境内，是我国第二大淡水湖。由于其独特的地理环境和气候条件，适宜大量的水生动植物生长、繁殖，自然资源十分丰富。洞庭湖承纳湘、资、沅、澧四水而吞吐长江，是长江流域最重要的集水、蓄洪湖盆，是我国重要的湿地之一[1]。自2003年三峡水库的运行，荆江“三口”入湖流量大为减少，导致洞庭湖水位偏低[2]，使湖区原来稳定的水位涨落规律被打破，同时对洞庭湖区生态环境也产生了重大的影响。因此，研究洞庭湖的水体变化趋势意义深远。

近年来关于水体信息提取的研究方法主要有单波段、多波段和水体指数法等[3-8]。Barton等人利用AVHRR影像数据的第4波段识别水体，并对洪水进行昼夜监测[9]。陈静波等利用SPOT5多光谱影像构建了北京市水体提取的决策树[10]。刘建波等人利用TM遥感影像第4、5和7波段，结合密度分割法获得了北京密云水库面积的变化情况[11]。徐涵秋在分析Mcfeeters提出的归一化差异水体指数（Normalized Difference Water Index，NDWI）的基础上，提出了改进的归一化差异水体指数（Modified NDWI，MNDWI），并分别用该指数提取了湖泊、河流和海洋，提取效果较好[12]。丁凤利用水体在近红外和中红外具有强吸收这一特征，提出了新的水体指数（New Water Index，NWI），该模型可以实现水体的快速提取，且精度较高[13]。混合水体指数模型(Combined Index of NDVI and NIR for Water Body Identification，CIWI)利用近红外和红光波段的灰度比值构成无量纲数，再与归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）相结合，进而达到增强水体、城镇和植被等地物之间的差异[14]。该模型优于其他水体指数模型，能够实现区域水资源分布的快速调查与监测，精确提取区域水体的形状和分布特征[15]。

本研究以洞庭湖地区为研究对象，利用CIWI模型提取洞庭湖地区2003、2008和2013年水体信息，并结合监督分类方法对结果进行对比验证，分析近十年洞庭湖的水体变化趋势。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

洞庭湖位于湖南省东北部，整个洞庭湖包括东洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖、大通湖四个湖区。洞庭湖东滨岳阳、汨罗，西至澧县、常德，南抵益阳、湘阴，北近安乡、华容，周边各县市。本研究根据湘江、资江、沅江、澧水四条河流注入洞庭湖的位置选定研究区域，以各县市行政区为研究单元，选取洞庭湖区15个县市作为研究区，包括澧县、临澧、安乡、汉寿、华容、南县、湘阴、岳阳8个县，津市、沅江、汨罗、临湘4个县级市，常德市、益阳市、岳阳市3个地级市的市辖区，总面积约25800km2，约占湖南省总面积的12.2%。

1.2 数据和方法

2003年2月、2008年3月和2013年2月18天合成的 500m分辨率陆地表面反射率产品MOD09A1和16天合成的250m分辨率植被指数产品MOD13Q1下载于美国国家航空航天局。2003年2月和2008年3月的30m分辨率遥感数据来自美国陆地卫星七号（Landsat-7）ETM+传感器，下载于国际科学数据服务平台。2013年2月30 m分辨率遥感数据来自环境与灾害监测预报卫星 （HJ-1A星）CCD传感器，下载于中国资源卫星应用中心。

图1 研究区地理位置示意图

表1 遥感影像数据说明

NDVI能够反映地表植被的覆盖程度[16]，可以将水体与植被信息分离；城镇和水体在MODIS第七通道近红外上反射率差异最大，可以将水体与城镇信息分离。因此将两者相结合构建CIWI水体指数模型[14]。CIWI模型可以表示为：

式中RED为红光波段反射率，NIR为近红外波段反射率，NIR为近红外波段反射率的均值。C为常数，本文取值范围为0.85～1。

首先，对MODIS数据进行预处理，利用ENVI 4.8对植被指数和地表反射率进行合成、镶嵌、投影和裁剪研究区等操作，然后在ArcGIS 10.0中构建CIWI模型，并反复试验阈值提取水体。监督分类使用ENVI软件中最大似然法，并在后期结合人工目视解译对水体提取结果进行修改。

2 结果和讨论

2.1 结果

CIWI模型提取水体结果表明，2003年水体面积为1471.50km2，2008年水体面积为1920.88km2，2013年水体面积为1236.88km2。监督分类结果表明，2003年水体面积为 2217.64 km2，2008年水体面积为2349.99km2，2013年水体面积为1959.45km2。对比分析发现，CIWI模型提取的水体面积明显比监督分类的水体面积小，但总体变化趋势一致，均为2008年面积最大，2003年次之，2013年水体面积最小。相较于监督分类对水体的提取，CIWI模型提取的水体轮廓不明显，特别是细小河流以及坑塘等小面积水体的提取不完整（图3）。

图2 洞庭湖地区2003年-2013年水体面积变化

图3 洞庭湖地区CIWI模型和监督分类提取的水体

2.2 讨论

本研究使用CIWI模型，对洞庭湖地区近十年水体面积进行提取，并结合监督分类方法对结果进行验证。研究发现，2008年3月洞庭湖地区水体面积最大，2003年2月水体次之，2013年2月水体面积最小。使用CIWI模型提取的水体面积和使用监督分类提取的水体面积变化趋势一致，表明CIWI可以有效的提取区域水体面积。相关研究表明，洞庭湖水体面积整体在不断减少，调蓄洪水能力在不断减弱[2,17]。三峡工程运行后，受三峡水库蓄水和清水下泄河道冲刷的影响，干流水位下降，加之三口洪道淤积，减少了三口洪道的分流作用，从而影响洞庭湖水位变化[18]。湖体面积变化与降水量也有着密切的联系[19]，本研究发现2008年3月水体面积较2003年2月水体面积大，这可能是受到2008年降水的影响。

研究中CIWI模型提取的水体面积整体小于监督分类提取的水体面积，这可能是受数据分辨率的影响。监督分类的遥感数据分辨率分别为30m，而CIWI使用的遥感数据分辨率分别为250m和500m，会导致很多小面积的水体不能被提取。监督分类虽然提取的水体较准确，但受主观因素影响较多，且消耗时间较长。CIWI则可以实现水体快速的提取，而且方便对水体的时序变化进行研究。但是，本研究使用CIWI模型提取水体也还存在一定的不足。一方面，实验使用的是2月～3月的遥感数据，如果能使用5月～9月水体植被等地物反应更明显的遥感数据将更有利于水体的提取。另一方面，如何确定CIWI模型适当的阈值来有效的提取水体也有待进一步研究。

［1］李景刚,李纪人，黄诗锋,等.Terra/MODIS时间序列数据在湖泊水域面积动态监测中的应用研究：以洞庭湖地区为例[J].自然资源学报,2009,24(5):923-933.

［2］赖锡军,姜加虎,黄群.三峡工程蓄水对洞庭湖水情的影响格局及其作用机制[J].湖泊科学,2012,24(2):178-184.

［3］Paul SF,Kennetii JP.Water body detection and delineation with Landsat TM data[J].Photogrammetric Engineering&Remote Sensing,2000,66(12):1461-1467.

［4］Geneletti D,Gorte BG.A method for object-oriented land cover classification combining TM data and aerial photographs[J].International Journal of Remote Sensing,2003,24(6):1273-1286.

［5］邓劲松,王珂,李军.决策树方法从SPOT-5卫星影像中自动提取水体信息研究[J].浙江大学学报：农业与生命科学版，2005,31(2):171-174.

［6］李玉凤.基于SPOT-5卫星影像的南四湖水体信息提取与土地覆被分类研究[D].济南:山东大学,2008.

［7］骆剑承,盛永伟,沈占峰,等.分布迭代的多光谱遥感水体信息高精度自动提取[J].遥感学报,2009,13(4):610-615.

［8］Mcfeeters SK.The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI)in the delineation of open water features[J].International Journal of Remote Sensing,1996,17(7):1425-1432.

［9］Barton IJ,Bathols JM.Monitoring floods with AVHRR [J].Remote Sensing of Environment,1989,30(1):89-94.

［10］陈静波,刘顺喜,汪承义,等.基于知识决策树的城市水体提取方法研究[J].遥感信息,2013,28(1):29-37.

［11］刘建波,戴昌达.TM图像在大型水库库情监测管理中的应用[J].环境遥感,1996,11(1):54-58.

［12］徐涵秋.利用改进的归一化差异水体指数(MNDWI)提取水体信息[J].遥感学报,2005,9(5):589-595.

［13］丁凤.基于新型水体指数(NWI)进行水体信息提取的实验研究[J].测绘科学,2009,34(4):155-157.

［14］莫伟华,孙涵,钟仕全,等.MODIS水体指数模型(CIWI)研究以及应用[J].遥感信息,2007,93:16-21.

［15］凌成星,张怀清,林辉.利用混合水体指数模型(CIWI)提取滨海湿地水体的信息[J].长江流域资源与环境,2010,19(2):152-157.

［16］李惠敏,刘洪斌,武伟.近10年重庆市归一化植被指数变化分析[J].地理科学,2010,30：119-123.

［17］黄群,姜加虎,赖锡军,等.洞庭湖湿地景观格局变化以及三峡工程蓄水对其影响[J].长江流域资源与环境,2013,22(7):922-927.

［18］孙占东,黄群,姜加虎.洞庭湖主要生态问题变化分析[J].长江流域资源与环境,2011,20(9):1108-1113.

［19］刘可群,梁益同,黄靖,等.基于卫星遥感的洞庭湖水体面积变化及影响因子分析[J].中国农业气象,2009,30(2):281-284.