一种基于Landsat8的富营养化水体提取方法

本发明涉及水体提取方法，具体为一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法。

背景技术：

1、水面面积是描述湖泊水情变化的基本水文量，水面面积变化反映了湖泊的动态变化；提取水体面积有助于水资源合理调节、利用和保护，有助于河湖生态治理，对于生态环境建设、社会发展具有重要作用；水面面积也是衡量水库储水量的一个重要指标；从卫星遥感影像中快速、准确地提取水体面积已成为水资源调查、水资源宏观监测及湿地保护的重要手段。

2、水体提取通常采用单波段阈值法、多波段运算两种方法。单波段阈值法对于如山区阴影提取水体时存在混淆信息，使得水体提取的识别精度降低。多波段运算法中最常用的是谱间关系法，其是通过不同波段间的组合运算构建水体指数来提取水体信息，相较于单波段阈值法提取水体时更有优势。利用水体指数进行水体提取需要阈值对结果进行分类，阈值的选择直接影响分类的误差，人工选择阈值主观性强，而以大津法为代表的自适应阈值算法可自动获取最佳阈值。

3、目前常用的水体指数包括归一化水体指数ndwi(normalized difference waterindex)、改进的归一化差异水体指数mndwi(modified normalized difference waterindex)、自动取水指数awei(automated water extraction index)、增强归一化差异水体指数andwi(augmented normalized difference water index)等。其中2021年提出的增强归一化差异水体指数andwi(augmented normalized difference water index)在分类精度、水体识别精度上达到了目前指数中很高的水平，但在某些情况下andwi会将漂浮水生植被的水域划分非水区域，且可能不适用于富营养化水体。

4、目前已有了一些关于富营养化水体提取的研究，包括基于tm影像的富营养化水体和重污染水体提取模型、基于landsat 8影像的富营养化水体提取模型，此类模型是根据阴影与富营养化水体的波段特征及差异构建的，能够避免阴影的影响。但是根据某几个波段的特征来判断水体，其阈值不够确定，对于不同的地区，阈值可能不同，而且应用到的波段较少，判别精度会有一定限制。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种高精度、水样适用范围广的富营养化水体提取方法。

2、技术方案：本发明所述的一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法，包括以下步骤：

3、步骤一，数据准备：以湖泊、河流水域为研究对象，以landsat 8为数据源；

4、步骤二，数据预处理：对影像进行裁剪以获得研究区范围的影像数据；

5、步骤三，水面面积提取：将landsat 8波段按照修正的增强归一化差异水体指数mandwi(modified augmented normalized difference water index)进行组合运算，获得计算后的结果，再通过设定阈值或大津法获得水体提取结果。

6、进一步地，步骤一中，数据源为landsat 8影像。

7、进一步地，步骤二中，通过遥感数据处理软件获取研究区范围。

8、进一步地，步骤三中，修正的增强归一化差异水体指数mandwi的数学表达式为：

9、

10、其中，b为landsat 8中的蓝光波段的反射率，g为landsat 8中的绿光波段的反射率，r为landsat 8中的红光波段的反射率，nir为landsat 8中的近红外波段的反射率，swir1为landsat 8中的短波红外1波段的反射率，swir2为landsat 8中的短波红外2波段的反射率。

11、上述富营养化水体提取方法，还包括步骤四，通过假彩色影像目视解译对每个验证点进行判断，将各水体提取方法的提取结果与参考值相比较，并建立与参考值之间的混淆矩阵，计算以下精度评价指标。

12、进一步地，精度评价指标包括错分误差ce、漏分误差oe、总体精度oa和kappa系数。

13、进一步地，错分误差ce的计算公式为：

14、

15、其中，fp为样本的真实类别是负类，但是模型将其预测成为正类；tp为样本的真实类别是正类，并且模型预测的结果也是正类。

16、进一步地，漏分误差oe的计算公式为：

17、

18、其中，fn为样本的真实类别是正类，但是模型将其预测成为负类；tp为样本的真实类别是正类，并且模型预测的结果也是正类。

19、进一步地，总体精度oa的计算公式为：

20、

21、其中，tp为样本的真实类别是正类，并且模型预测的结果也是正类；tn为样本的真实类别是负类，并且模型将其预测成为负类；fn为样本的真实类别是正类，但是模型将其预测成为负类；fp为样本的真实类别是负类，但是模型将其预测成为正类。

22、进一步地，kappa系数的计算公式为：

23、

24、其中，p0是每一类正确分类的样本数量之和除以总样本数，即总体精度oa；pe为每一类真实数量乘以该类预测数量的总和除以所有类别总数的平方。

25、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：通过遥感影像获取大范围区域水体分布情况的方法，并不针对特定的水样进行检测，构建修正的增强归一化差异水体指数mandwi，该指数不但具有较好的清水提取效果，且能够提取富营养化水体；提出了新的水体提取模型，解决了富营养化水体提取问题，解决了常规水体指数容易将富营养化水体分为非水的问题，实现了高精度的水体提取，在湖面信息获取方面具有良好的适用性，拓展了遥感数据在岸线提取、水体识别等方面的应用。

技术特征：

1.一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法，其特征在于：所述步骤一中，数据源为landsat 8影像。

3.根据权利要求1所述的一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法，其特征在于：所述步骤二中，裁剪是通过遥感数据处理软件获取研究区范围。

4.根据权利要求1所述的一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法，其特征在于：所述步骤三中，修正的增强归一化差异水体指数mandwi的数学表达式为：

5.根据权利要求1所述的一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法，其特征在于：还包括步骤四，通过假彩色影像目视解译对每个验证点进行判断，将各水体提取方法的提取结果与参考值相比较，并建立与参考值之间的混淆矩阵，计算以下精度评价指标。

6.根据权利要求5所述的一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法，其特征在于：所述精度评价指标包括错分误差ce、漏分误差oe、总体精度oa和kappa系数。

7.根据权利要求6所述的一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法，其特征在于：所述错分误差ce的计算公式为：

8.根据权利要求6所述的一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法，其特征在于：所述漏分误差oe的计算公式为：

9.根据权利要求6所述的一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法，其特征在于：所述总体精度oa的计算公式为：

10.根据权利要求6所述的一种基于landsat 8的富营养化水体提取方法，其特征在于：所述kappa系数的计算公式为：

技术总结
本发明公开了一种基于Landsat 8的富营养化水体提取方法，包括以下步骤：以水域为研究对象，获取研究区域范围内的数据源；数据预处理。通过验证数据MODIS数据确定不同时期的Landsat 8富营养化程度；水体提取及精度验证。将不同时期Landsat8数据分别按照水体指数MANDWI和ANDWI进行计算，通过大津法获得水体提取结果；通过结果对比及随机点精度验证，结果表明，MANDWI对于不同富营养化程度的水体均具有较好的水体提取效果。本发明的修正的增强归一化差异水体指数MANDWI，具有较好的清水提取效果，能够提取富营养化水体；实现高精度的水体提取，拓展遥感数据在岸线提取、水体识别的应用。

技术研发人员：潘鑫,宋昊,谢文英,杨英宝,袁洁,杨子,刘苏仪,王展传
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15