趙文舉 李聰聰 馬 宏 曾 凱

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 蘭州 730050; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730050)

0 引言

內(nèi)陸地表水體在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2],如何準(zhǔn)確有效地識(shí)別干旱區(qū)水體,監(jiān)測(cè)其時(shí)空動(dòng)態(tài),是干旱區(qū)水生態(tài)安全、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水資源高效利用等領(lǐng)域的關(guān)鍵[3-4]。傳統(tǒng)的水體數(shù)據(jù)獲取方法主要依靠流域監(jiān)測(cè)站或大量的野外調(diào)查,數(shù)據(jù)獲取需耗費(fèi)大量的時(shí)間及人力,數(shù)據(jù)精度高但工作效率低[5]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,光學(xué)多光譜數(shù)據(jù)、高光譜數(shù)據(jù)、合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)等多元化遙感數(shù)據(jù)用于水體提取,為大范圍水體監(jiān)測(cè)提供了一種新方法[6]。而高光譜數(shù)據(jù)、合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)因復(fù)雜的預(yù)處理過程、高成本等原因限制了它們?cè)诖蠓秶L(zhǎng)時(shí)間序列的應(yīng)用研究[7]。目前,由Sentinel衛(wèi)星、中國(guó)高分衛(wèi)星、Landsat衛(wèi)星等獲得的光學(xué)多光譜數(shù)據(jù)仍是最常見的數(shù)據(jù)源,而Sentinel-2衛(wèi)星在空間分辨率、重訪周期、信噪比方面表現(xiàn)優(yōu)異,具有廣闊的應(yīng)用前景。

超分辨率重建技術(shù)能夠以低分辨率影像為基礎(chǔ)提升影像分辨率,重建出高分辨率影像,以減輕采集設(shè)備和環(huán)境因素對(duì)遙感成像結(jié)果的影響[8]。當(dāng)前使用超分辨率重建技術(shù)對(duì)遙感影像進(jìn)行增強(qiáng)重建,并對(duì)重建影像進(jìn)行深層次研究一直是環(huán)境生態(tài)、地學(xué)、農(nóng)林等應(yīng)用領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。DU等[9]使用超分辨率重建技術(shù)處理高光譜影像數(shù)據(jù),高分辨率重建影像在近海水產(chǎn)養(yǎng)殖地提取上取得較好成效。COURTRAI等[10]采用基于輔助生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的超分辨率重建技術(shù)對(duì)遙感影像小目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,證實(shí)了超分辨率方法在小型、不規(guī)則物體識(shí)別任務(wù)方面的有效性。干旱區(qū)農(nóng)業(yè)與細(xì)小水體、破碎水體及復(fù)雜地物環(huán)境聯(lián)系密切,當(dāng)采用多光譜影像對(duì)大范圍水體進(jìn)行定量研究時(shí),低分辨率衛(wèi)星影像中圖像噪聲和模糊對(duì)細(xì)小水體及破碎水體影響較大,不利于精準(zhǔn)掌握干旱區(qū)水體信息,通過超分辨率重建技術(shù),有望通過技術(shù)手段突破低分辨率影像局限,增強(qiáng)圖像信息及細(xì)節(jié)度,提高水體提取精度。

目前多光譜影像的水體提取方法,主要有基于波段組合的水體提取方法、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的水體提取方法和面向?qū)ο蟮乃w提取方法[11]。楊振華等[12]針對(duì)城市化地區(qū)Landsat衛(wèi)星水體指數(shù)適用性進(jìn)行了研究,以深圳市為研究區(qū),發(fā)現(xiàn)城市地區(qū)歸一化水體指數(shù)(Normalized difference water index,NDWI)適用性最強(qiáng)。LI等[11]采用閾值法、支持向量機(jī)、面向?qū)ο蟮确椒ㄔ诨春恿饔虻鹊貐^(qū)進(jìn)行水體提取實(shí)驗(yàn),均取得較為可靠的結(jié)果。王小標(biāo)等[13]以秦淮河流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū),探究復(fù)雜環(huán)境下水體指數(shù)有效性,發(fā)現(xiàn)多波段水體指數(shù)(Multi-band water index,MBWI)總體上較其他水體指數(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)。水體指數(shù)法因簡(jiǎn)單、高效、可重復(fù)、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用,但現(xiàn)階段對(duì)增強(qiáng)光譜影像分辨率以提高水體提取精度方法及水體提取過程中使用短波紅外(Short-wave infrared,SWIR)波段與近紅外(Near-infrared,NIR)波段的提取結(jié)果差異性和干旱區(qū)適用性卻鮮有研究。

為此,本文基于超分辨率重建的Sentinel-2多光譜影像數(shù)據(jù)與同時(shí)期地面真實(shí)水體數(shù)據(jù),將增強(qiáng)重建的近紅外波段與短波紅外波段作為水體提取特征波段,采用超像素分割算法確定水體像元范圍,構(gòu)建基于MBWI、改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)(Modified normalized difference water index,MNDWI)、增強(qiáng)型水體指數(shù)(Enhanced water index,EWI)、支持向量機(jī)(Support vector machine,SVM)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural network,NN)、K-means等水體提取方法,采用總體精度(Overall accuracy,OA)、準(zhǔn)確率(Precision)、F1值、馬修斯相關(guān)系數(shù)(Matthews correlation coefficient,MCC)等水體提取精度指標(biāo)對(duì)所構(gòu)建的60種水體提取方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以黑河流域甘肅段為例,確定干旱區(qū)最佳水體提取方法,以期為干旱區(qū)復(fù)雜環(huán)境下快速、準(zhǔn)確地提取水體及在農(nóng)林、生態(tài)等領(lǐng)域精準(zhǔn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于黑河流域甘肅段(39°40′～40°18′N,97°48′～99°07′E),黑河流域?qū)儆诘湫偷母珊祬^(qū)氣候,其北部屬中溫帶干旱區(qū),南部屬高原溫帶干旱區(qū),上游年平均氣溫在-5～4℃之間,年均降水量由低山或丘陵地帶約250 mm增加到高山地帶約500 mm,流域從上游到下游包含眾多干旱區(qū)典型地物[14]。研究區(qū)非水體地物包含耕/林地、裸地、城市地物等,其中裸地包括荒漠、沙地、裸巖、鹽堿地等;水體地物主要包括城市含沙細(xì)小河流、城市不含沙景觀河流、小型池塘、水庫(kù)、湖泊等,以上地物基本覆蓋干旱區(qū)典型地物,能夠較為完整地展示干旱區(qū)的地物特征。本文研究區(qū)內(nèi)河流與湖泊零散分布于城市、農(nóng)業(yè)區(qū)及裸地,湖泊多為小型湖泊、水庫(kù)及魚塘,河流細(xì)長(zhǎng)蜿蜒且多支流,水體邊界不易區(qū)分,水體識(shí)別困難。此外,云層、陰影等因素也會(huì)對(duì)水體的準(zhǔn)確識(shí)別造成干擾。綜上,研究區(qū)不同區(qū)域水體差異較大,影響因素較多,水體特征模糊,進(jìn)行大范圍水體提取難度大,圖1為研究區(qū)概況圖。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Study area overview map

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

地面數(shù)據(jù)采集工作于2022年8月開展,對(duì)研究區(qū)內(nèi)典型地物(包括水體及非水體)進(jìn)行標(biāo)記處理,同時(shí)記錄其精確的位置坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)記錄典型水體包括湖泊、水庫(kù)、含沙河流、不含沙河流、城市景觀河流、坑塘等;記錄典型非水體包括耕/林地、城市地物、裸地等。同時(shí),對(duì)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)較難獲取的區(qū)域如荒漠、山地內(nèi)部、鹽堿地內(nèi)部等,采用Google Earth影像數(shù)據(jù)進(jìn)行人工識(shí)別,并記錄其位置信息。

本研究采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)為公開獲取的歐空局Sentinel-2多光譜衛(wèi)星影像(https:∥scihub.copernicus.eu/)。歐空局發(fā)射的Sentinel-2衛(wèi)星包括A/B兩星,均搭載多光譜傳感器,提供13個(gè)波段的遙感影像(表1)。通過A、B兩星,Sentinel-2衛(wèi)星可達(dá)到空間回訪周期為5 d。本研究從歐空局官方網(wǎng)站公開獲取2022年8月16日L1C級(jí)大氣頂層反射率影像,該影像已進(jìn)行幾何精校正。本研究利用Sen2Cor插件進(jìn)行大氣校正,將影像大氣頂層反射率轉(zhuǎn)換為大氣底層反射率,消除大氣和光照等因素對(duì)地物反射的影響。使用Sen2Cor插件對(duì)L1C級(jí)大氣頂層反射率影像進(jìn)行輻射定標(biāo)及大氣校正時(shí),處理精度選擇10 m,處理過程中B10波段被剔除,其他波段保持不變,保留12個(gè)波段,最終生成L2A級(jí)大氣底層反射率數(shù)據(jù),該組數(shù)據(jù)主要包括經(jīng)輻射定標(biāo)和大氣校正后遙感數(shù)據(jù)。

表1 Sentinel-2衛(wèi)星波段信息Tab.1 Sentinel-2 satellite band information

1.3 研究方法

1.3.1超分辨率波段重建及評(píng)價(jià)

Sen2Res算法為BRODU[15]針對(duì)多光譜、多分辨率的影像提出的一種利用相鄰像元之間“共享”幾何信息的超分辨率多光譜多分辨率影像重建方法[15]。本研究在L2A級(jí)大氣底層反射率數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用Sen2Res算法構(gòu)建出超分辨率重建(Super-resolution,SR)影像,共重建出7個(gè)10 m增強(qiáng)波段,分別為SRB5、SRB6、SRB7、SRB8a、SRB9、SRB11、SRB12,考慮到Sentinel-2衛(wèi)星波段情況,移除了沿海氣溶膠(B1)波段,并從重建質(zhì)量和光譜一致性角度對(duì)超分辨率重建波段重建性能進(jìn)行信度評(píng)價(jià)。為對(duì)比Sentinel-2 L2A級(jí)影像與超分辨率重建影像的重建質(zhì)量及光譜相關(guān)關(guān)系,本研究對(duì)L2A級(jí)影像進(jìn)行3次卷積重采樣,生成S2R(Sentinel-2 resampled)影像。

超分辨率增強(qiáng)波段重建性能采用信息熵(Information entropy, IE)、平均梯度(Average gradient, AG)、結(jié)構(gòu)相似度(Structural similarity index measurement, SSIM)、峰值信噪比(Peak signal-to-noise ration, PSNR)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文計(jì)算平均梯度時(shí)采取前置處理,具體方法為:首先對(duì)原始影像像元?dú)w一化處理,其次采取相對(duì)高斯平滑處理歸一化遙感影像,最后選取二階Laplacian算子計(jì)算平均梯度。

超分辨率影像與原始影像光譜一致性評(píng)價(jià)采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)R、均方根誤差(RMSE)和估計(jì)精度(EA),定量分析超分辨率重建前后波段反射光譜變化情況。EA的計(jì)算公式為

(1)

1.3.2水體提取方法

本研究水體提取方法可分為兩大類,一類基于光譜指數(shù)方法,另一類基于機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法。基于光譜指數(shù)構(gòu)建的水體提取方法數(shù)據(jù)來源為L(zhǎng)2A級(jí)大氣底層反射率產(chǎn)品波段(B2、B3、B4、B8)與超分辨率重建波段(B5、B6、B7、B8a、B9、B11、B12),采用目前常用的24種涉及水體的光譜指數(shù),同時(shí)由于部分光譜指數(shù)原始研究對(duì)象為MODIS、Landsat 8、Landsat 5衛(wèi)星,因此在構(gòu)建Sentinel-2光譜指數(shù)時(shí)需要根據(jù)光譜范圍的重合度調(diào)整不同衛(wèi)星的波段,以Sentinel-2衛(wèi)星近紅外波段與短波紅外波段作為水體提取特征波段(表2),進(jìn)而使用超像素分割算法識(shí)別水體像元,共構(gòu)建57種基于光譜指數(shù)的水體提取方法。其中超像素分割算法是FELZENSZWALB等[16]提出的一種基于圖論的圖像分割方法,使用該算法進(jìn)行水體像元識(shí)別時(shí)采用定性與定量相結(jié)合的方法來綜合確定不同光譜指數(shù)影像中水體像元的最佳提取范圍,定性方法采用人工目視判斷64位單通道光譜指數(shù)灰度影像,確定分割算法參數(shù);進(jìn)而對(duì)不同閾值范圍下水體像元進(jìn)行量化,找到最佳閾值范圍。

表2 光譜指數(shù)方法Tab.2 Spectral index method

機(jī)器學(xué)習(xí)方法同樣基于L2A大氣底層反射率產(chǎn)品波段與超分辨率重建波段,將11個(gè)波段融合形成機(jī)器學(xué)習(xí)算法輸入數(shù)據(jù),具體算法選用監(jiān)督分類中NN和SVM算法,以及無監(jiān)督分類中K-means算法。其中SVM與NN樣本數(shù)據(jù)綜合2022年8月實(shí)地實(shí)驗(yàn)與Google Earth數(shù)據(jù)構(gòu)建,K-means方法樣本數(shù)據(jù)集為自動(dòng)抽取。為平衡樣本類間分布,監(jiān)督學(xué)習(xí)分類樣本選取時(shí)水體樣本包括湖泊、城市細(xì)小水體、水庫(kù)、破碎小池塘等,非水體樣本包括耕地、裸地、鹽堿地、城市地區(qū)多種地物等,最終構(gòu)建的監(jiān)督學(xué)習(xí)分類樣本數(shù)據(jù)集可分為兩大類,一類為水體,共6 497個(gè)像元,一類為非水體,共78 867個(gè)像元。

1.3.3水體提取方法精度評(píng)價(jià)

本研究采用總誤差(Total error)對(duì)基于原始影像波段與超分辨率重建影像波段構(gòu)建的水體提取方法進(jìn)行評(píng)價(jià),主要考察水體提取過程中錯(cuò)分像元與漏分像元數(shù)量,計(jì)算公式為

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式中ETotal——總誤差

TP——實(shí)際地物為水體被正確分類為水體的像元數(shù)量

FP——實(shí)際地物為非水體被錯(cuò)誤分類為水體的像元數(shù)量

FN——實(shí)際地物為水體被錯(cuò)誤分類為非水體的像元數(shù)量

本研究對(duì)基于超分辨率重建影像構(gòu)建的水體提取方法進(jìn)行精度評(píng)價(jià)時(shí)采用總體精度(OA)、準(zhǔn)確率(Precision)、召回率(Recall)以及Kappa系數(shù)(Kappa coefficient,KC)[25]。由于研究區(qū)內(nèi)水體面積占總面積的0.85%,而非水體面積占比達(dá)99.15%,在分類數(shù)據(jù)量極不平衡的情況下,上述指標(biāo)在表征水體提取精度時(shí)可能出現(xiàn)失效情況[34],故本研究引入F1值、幾何平均值(G-mean)以及馬修斯相關(guān)系數(shù)(MCC),對(duì)不均衡水體樣本提取結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

由于單一指標(biāo)無法衡量水體提取方法的所有優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì),故本文采用了熵權(quán)-TOPSIS方法對(duì)60種干旱區(qū)水體提取方法的7個(gè)精度指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,以確定能夠正確識(shí)別水體及非水體的干旱區(qū)水體提取方法。熵權(quán)-TOPSIS方法是使用熵權(quán)法來科學(xué)地確定7類水體提取精度指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),進(jìn)而將TOPSIS法與熵權(quán)系數(shù)綜合集成進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[35],本文實(shí)現(xiàn)過程見圖2,其中確定主觀初始指標(biāo)即確定正向、負(fù)向指標(biāo)個(gè)數(shù),本研究中7類精度評(píng)價(jià)指標(biāo)均為正向指標(biāo)。

圖2 熵權(quán)-TOPSIS排序過程流程圖Fig.2 Flowchart of entropy weight-TOPSIS sorting process

2 結(jié)果與分析

2.1 超分辨率重建評(píng)價(jià)

本節(jié)從定性與定量?jī)煞矫娣謩e對(duì)三次卷積重采樣、超分辨率重建影像進(jìn)行評(píng)估。定性地對(duì)2022年8月60 m分辨率單波段(以B9為例)和20 m分辨率波段組合(R∶B12,G∶B7,B∶B5)Sentinel-2衛(wèi)星原圖像、三次卷積重采樣圖像、超分辨率重建圖像進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于單波段影像(圖3a～3c),使用超分辨率算法從原始60 m分辨率增強(qiáng)重建為10 m分辨率,已基本消除原始圖像中像元的顆粒感,并通過獲取臨近波段地物幾何信息,基本完成還原地物真實(shí)細(xì)節(jié),三次卷積重采樣影像極大地消除了像元顆粒感,影像整體較為平滑,但依然不能準(zhǔn)確區(qū)分地物特征,超分辨率增強(qiáng)重建效果明顯優(yōu)于三次卷積重采樣影像。相較原始60 m分辨率B9影像與三次卷積重采樣10 m分辨率B9影像,超分辨率重建后影像清晰程度大幅提升,原因?yàn)槌直媛手亟ㄟ^程中,低分辨率波段通過鄰近高分辨率波段補(bǔ)充了大量的地物固有物理信息。對(duì)于波段組合影像(圖3d～3f),使用超分辨率算法從20 m分辨率增強(qiáng)重建為10 m分辨率,影像地物輪廓與紋理細(xì)節(jié)進(jìn)一步增強(qiáng),細(xì)小水體邊緣更加清晰,水體范圍更加凸出,三次卷積重采樣影像較好地實(shí)現(xiàn)了平滑效果,但影像整體對(duì)比度較差,較難區(qū)分水體邊界,超分辨率增強(qiáng)重建效果優(yōu)于三次卷積重采樣影像。通過對(duì)比單波段影像與波段組合影像,可得超分辨率增強(qiáng)重建后,影像清晰度進(jìn)一步增加,地物邊緣更易區(qū)分,有利于水體像元的識(shí)別。

圖3 重建對(duì)比圖Fig.3 Reconstruction comparison charts

定量評(píng)估超分辨率重建影像質(zhì)量具體指標(biāo)見表3,經(jīng)超分辨率重建后,B9波段信息熵提升0.06,其余波段信息熵略有下降。對(duì)比超分辨率重建與原始影像信息,超分辨率重建影像各波段平均梯度提升較大,平均提升66.3,原始低分辨率影像經(jīng)超分辨率重建,補(bǔ)充了缺失的細(xì)節(jié)信息,使圖像更加清晰、更具可識(shí)別性。對(duì)比超分辨率重建波段與原始影像波段,超分辨率重建波段整體結(jié)構(gòu)與原始影像波段高度相似,B9波段的結(jié)構(gòu)相似度為0.828 7,B5、B6、B7波段結(jié)構(gòu)相似度均達(dá)到0.85以上,B8a、B11、B12波段結(jié)構(gòu)相似度為0.90以上。對(duì)比超分辨率重建與原始影像,B5、B6、B7、B8a、B11、B12波段峰值信噪比均達(dá)到38 dB以上。經(jīng)過超分辨率算法重建后,重建波段噪聲少,重建梯度細(xì)節(jié)豐富,包含更為豐富的信息量,有利于水體提取。

表3 超分辨率重建質(zhì)量評(píng)價(jià)Tab.3 Super-resolution reconstruction quality evaluation

對(duì)超分辨率重建影像波段與原始影像波段光譜一致性分析時(shí),將研究區(qū)域均勻劃分為500×500區(qū)塊,提取區(qū)域中心點(diǎn)像元值,即均勻選取250 000個(gè)樣本進(jìn)行光譜一致性分析。超分辨率重建后,重建影像各波段光譜反射率與原始影像對(duì)應(yīng)波段光譜反射率R均在0.96以上,RMSE小于0.020 5,估計(jì)精度均在94%以上,具體結(jié)果見表4。由重建波段與原始影像波段散點(diǎn)圖(圖4)可得,B5、B6波段光譜反射率分布于0～0.7,SRB5、SRB6波段光譜反射率分布于0～0.6,呈正線性相關(guān),B7、B8a、B11、B12波段光譜反射率分布于0～0.8,分別與SRB7、SRB8a、SRB11、SRB12呈正線性相關(guān),B9波段光譜反射率分布于0～1,與SRB9呈正線性相關(guān)。

表4 超分辨率重建光譜一致性分析Tab.4 Super-resolution reconstructed spectral coherence analysis

圖4 光譜反射率散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plots of spectral reflectance

為研究原始圖像與超分辨率重建影像實(shí)際應(yīng)用的精度差異,本節(jié)通過對(duì)比二者采用同一光譜指數(shù)方法進(jìn)行水體提取任務(wù)時(shí)錯(cuò)分像元與漏分像元的數(shù)量,并通過水體提取總誤差進(jìn)行定量考察。因構(gòu)建水體指數(shù)影像時(shí),光譜波段空間分辨率需統(tǒng)一,故將原始影像B7、B8a、B11、B12波段使用三次卷積方法重采樣為10 m,再進(jìn)行水體提取。通過分析重采樣影像相較超分辨率增強(qiáng)影像水體提取總誤差減少量,得到使用超分辨率增強(qiáng)影像提取水體時(shí),典型光譜指數(shù)如MNDWI、EWI、MBWI、N-M、WI1、RNDWI、AWEIsh、NDVI、WRI總誤差分別減少17.693 2%、18.233 5%、5.540 0%、14.899 3%、25.865 7%、37.244 2%、7.674 1%、16.717 5%、29.885 7%,平均總誤差減少19%(圖5)。超分辨率重建影像相較原始影像在進(jìn)行水體提取任務(wù)時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖5 誤差分析Fig.5 Error analysis graph

綜上,超分辨率重建后各波段重建質(zhì)量較好,在保留原始影像固有信息的基礎(chǔ)上,增強(qiáng)了原始影像中低分辨率(20、60 m)原始影像地物之間的細(xì)節(jié),提高了影像清晰度,減少了影像噪聲,并且經(jīng)超分辨率重建后,重建影像各波段光譜反射率與原始影像光譜反射率之間存在極高的一致性,且誤差較小,可在保證影像可靠性的前提下將超分辨率影像代替原始低分辨率影像應(yīng)用于科學(xué)探究與工程實(shí)踐,提高研究精度。

2.2 水體提取方法構(gòu)建

基于超分辨率重建波段的水體提取方法構(gòu)建流程見圖6。基于光譜學(xué)指數(shù)構(gòu)建水體提取方法時(shí)使用超像素分割算法處理表2中57種特征光譜指數(shù),并基于超分辨率重建波段,構(gòu)建出64位單波段水體識(shí)別輸入波段,通過調(diào)整分割尺度、高斯核、分割區(qū)域最小尺度3個(gè)參數(shù),實(shí)現(xiàn)地物精細(xì)化分離,并識(shí)別水體范圍,不同特征光譜指數(shù)水體識(shí)別閾值范圍計(jì)算結(jié)果見表5,共構(gòu)建57種基于光譜指數(shù)的水體提取方法?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行水體提取任務(wù)時(shí),共構(gòu)建3種機(jī)器學(xué)習(xí)方法,樣本數(shù)據(jù)集來源及構(gòu)建方法見1.3.2節(jié)。SVM與NN采用分層抽樣的方法,從監(jiān)督學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)集中將水體及非水體樣本隨機(jī)抽取,按8∶1∶1組成訓(xùn)練集、測(cè)試集、驗(yàn)證集[36]。K-means方法進(jìn)行聚類時(shí),聚類數(shù)目劃分主要參考研究區(qū)水體及非水體特征,經(jīng)多次試驗(yàn)后聚類數(shù)目選擇4,訓(xùn)練集、測(cè)試集、驗(yàn)證集的樣本數(shù)據(jù)選取無需人工操作,由隨機(jī)方法抽取組成,隨機(jī)抽取比例為8∶1∶1。

表5 不同光譜指數(shù)方法的水體閾值范圍Tab.5 Water body threshold range of different spectral index methods

圖6 水體提取方法構(gòu)建流程圖Fig.6 Flowchart for construction of water body extraction method

2.3 水體提取方法適用性分析

本節(jié)中利用所構(gòu)建的60種干旱區(qū)水體提取方法計(jì)算水體提取精度指標(biāo)并進(jìn)行區(qū)域適用性分析。水體提取過程關(guān)鍵識(shí)別區(qū)塊包括湖泊、水庫(kù)、陰影、云層、復(fù)雜環(huán)境細(xì)小水體、鹽堿地等(圖7),精度評(píng)價(jià)所需真實(shí)地物關(guān)鍵識(shí)別區(qū)塊樣本數(shù)據(jù)根據(jù)2022年8月實(shí)地考察、研究區(qū)流域資料、Google Earth影像數(shù)據(jù)綜合確定,并采用熵權(quán)-TOPSIS方法對(duì)7種水體提取精度指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),得到干旱區(qū)水體提取方法適用性結(jié)果,具體精度指標(biāo)結(jié)果及熵權(quán)-TOPSIS方法綜合排序見表6。

表6 水體提取精度評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Evaluation results of water body extraction accuracy

圖7 水體提取關(guān)鍵區(qū)位圖Fig.7 Key zone maps for water body extraction

為便于對(duì)比水體提取結(jié)果,本節(jié)對(duì)水體提取影像進(jìn)行二值化處理,將水體像元賦值1,非水體像元賦值0,同時(shí)僅挑選對(duì)比度較高影像進(jìn)行可視化處理,放大展示不同水體提取方法提取結(jié)果(圖8)。機(jī)器學(xué)習(xí)方法提取水體時(shí),監(jiān)督分類中SVM算法水體識(shí)別效果最優(yōu),總體精度為99.75%,召回率達(dá)98.51%,Kappa系數(shù)、F1值、G-mean、MCC均超過0.85;NN算法識(shí)別水體時(shí),對(duì)城市上空云層識(shí)別較差,總體精度為99.57%,G-mean與MCC超過0.80,以上兩種方法在去除干擾的情況下,漏分較少,存在少量錯(cuò)分。無監(jiān)督分類中K-means算法總體精度為96.87%,F1值為31.81%,G-mean、MCC為0.409 7、0.401 1,對(duì)陰影和裸地識(shí)別較差,對(duì)大型水體如湖泊和水庫(kù)能夠正確分類,但細(xì)小水體存在較多漏分。

圖8 水體提取對(duì)比Fig.8 Comparisons of water body extraction

光譜指數(shù)方法中MNDWI、RWI、RNDWI1、WRI對(duì)SWIR波段敏感性較強(qiáng),特征波段取Band11進(jìn)行水體提取時(shí)水體識(shí)別精度相較Band12提升較大。MNDWI-11相較MNDWI-12召回率提升10個(gè)百分點(diǎn),水體漏分較少;相較RWI-11,RWI-12水體提取對(duì)鹽堿地處理錯(cuò)分較多,準(zhǔn)確率下降7.49個(gè)百分點(diǎn);相較RNDWI1-12,RNDWI1-11在準(zhǔn)確率、召回率、MCC等方面表現(xiàn)優(yōu)秀,水體識(shí)別較好;相較WRI-12,WRI-11能明顯去除鹽堿地對(duì)水體提取的影響,水體識(shí)別準(zhǔn)確率提升超過37個(gè)百分點(diǎn)。

光譜指數(shù)方法中EWI、N-M進(jìn)行水體提取時(shí),對(duì)NIR波段敏感性較弱,對(duì)SWIR波段敏感性較強(qiáng),相較使用Band11,EWI與使用Band12進(jìn)行水體提取時(shí),召回率提升超2.65個(gè)百分點(diǎn),在云層干擾下,水體漏分較少,N-M進(jìn)行水體提取時(shí),波段差異較大,N-M-8-12水體識(shí)別效果最好,準(zhǔn)確率達(dá)97.22%,存在少量漏分,召回率為75.57%。光譜指數(shù)方法中,SWM、NDWI對(duì)NIR波段較為敏感,相較于SWM-8a,SWM-8能夠較好地處理破碎湖泊及池塘,召回率、F1值、G-mean、MCC提升超2.5個(gè)百分點(diǎn),NDWI-8較好地去除了陰影干擾,但 NDWI-8對(duì)細(xì)小河流識(shí)別較差,召回率為73.89%。光譜指數(shù)方法中MBWI、ANDWI、WI2015、MuWIR、NWI、MLSWI、NCIWI、AWEIsh、NDVI提取水體時(shí),對(duì)NIR波段與SWIR波段無明顯敏感性,其中MBWI對(duì)云層干擾識(shí)別較差,ANDWI、AWEIsh、WI2015對(duì)破碎水體識(shí)別較差,MuWIR云層錯(cuò)分噪點(diǎn)較多,NWI基本無錯(cuò)分,存在少量漏分水體,MLSWI對(duì)云層識(shí)別較差,NDVI對(duì)細(xì)小河流及破碎水體識(shí)別較差。

光譜指數(shù)方法中,MNDWI-11、RWI-11、EWI-8-12、EWI-8a-12、MBWI-8a、MBWI-8、EWI-8-11、EWI-8a-11、SWM-8對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水體提取時(shí),水體提取總體精度大于99.75%,F1值大于85.27%,Kappa系數(shù)、G-mean、MCC均高于0.85,在復(fù)雜地物的情況下,能夠忽略干擾,完整提取水體且基本無錯(cuò)分漏分,水體提取效果較好。光譜指數(shù)方法中,N-M-8-12、RWI-12、N-M-8a-12、MNDWI-12、WI1、MuWIR-8、ANDWI-8、ANDWI-8a、SWM-8a、MuWIR-8a、N-M-8-11、N-M-8a-11、NWI-8、WI2015-8、NWI-8a、WI2015-8a在較完整地提取水體的同時(shí),有較少的錯(cuò)分及漏分現(xiàn)象,水體提取總體精度大于99.68%,F1值大于78.36%,Kappa系數(shù)、G-mean、MCC高于0.78,能夠達(dá)成識(shí)別、提取水體的任務(wù)。采用AWEInsh-8、AWEInsh-8a進(jìn)行水體提取時(shí),對(duì)云層、鹽堿地識(shí)別較差,水體提取F1值低于9.87%;基于SWI指數(shù)構(gòu)建的光譜指數(shù)方法提取水體時(shí),對(duì)鹽堿地、云層及陰影識(shí)別較差,F1值低于11.15%;基于NDMI指數(shù)構(gòu)建的光譜指數(shù)方法提取水體時(shí),對(duì)耕地影響較大,水體提取F1值低于8.83%;采用IWI-8a、IWI-8提取水體時(shí),受裸地影響較大,水體提取F1值低于5.31%。

綜上,基于Sentinel-2綠色波段(中心波長(zhǎng)為560 nm)與超分辨率增強(qiáng)重建短波紅外波段(中心波長(zhǎng)為1 610 nm)構(gòu)建的改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)方法(MNDWI-11)對(duì)水體提取的總精度為99.81%,準(zhǔn)確率為92.04%,F1值為88.02%、G-mean、馬修斯相關(guān)系數(shù)均大于0.88,在不均衡地物環(huán)境下,能夠準(zhǔn)確識(shí)別陰影及云層,是干旱區(qū)最佳的水體提取方法(圖8b)。水體指數(shù)方法中RWI-11、EWI-8-12、EWI-8a-12、MBWI-8a、MBWI-8、EWI-8-11、EWI-8a-11、SWM-8,機(jī)器學(xué)習(xí)方法中SVM,總體精度超過99.75%,F1值大于85.27%,G-mean、MCC指標(biāo)超過0.85,可在復(fù)雜地物的情況下,較為有效地排除陰影、云層等干擾,水體提取適用性較好,也可用于干旱區(qū)水體提取。

3 討論

本研究利用超分辨率算法將Sentinel-2衛(wèi)星影像的分辨率提升至10 m,增強(qiáng)了Sentinel-2衛(wèi)星中低分辨率波段,整體提高多光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量,超分辨率重建過程中,從最高分辨率的波段開始,將反射率信息與場(chǎng)景元素的幾何體信息分開,在保持高分辨率圖像細(xì)節(jié)的同時(shí),能有效地降低噪聲和偽像的影響,不改變某一像元區(qū)域內(nèi)相同地物的固有物理特性,為未來水體相關(guān)研究提供了更豐富的數(shù)據(jù)支持,特別對(duì)水體提取有較大提升。本文建立了評(píng)估多光譜影像超分辨率重建性能的系統(tǒng)框架,為今后進(jìn)一步優(yōu)化衛(wèi)星影像超分辨率重建提供相關(guān)依據(jù)。

同時(shí),經(jīng)超分辨率重建的分辨率10 m紅邊波段(Band5、Band6、Band7)、近紅外波段(Band8a)、短波紅外波段(Band11、Band12)數(shù)據(jù)源對(duì)其他領(lǐng)域的研究也具有一定促進(jìn)作用。任建強(qiáng)等[37]基于Sentinel-2A數(shù)據(jù)估算冬小麥?zhǔn)斋@指數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)紅邊波段在大范圍作物動(dòng)態(tài)收獲指數(shù)空間信息獲取上具有較大的潛力,許章華等[38]發(fā)現(xiàn)Sentinel-2A多光譜衛(wèi)星Band6、Band7、Band8、Band8a對(duì)剛竹毒蛾危害具有較強(qiáng)的響應(yīng)能力,紅邊與近紅外波段參與構(gòu)建的指數(shù)可有效反映竹林的受害情況,以上學(xué)者充分利用了Sentinel-2紅邊波段、近紅外波段進(jìn)行相關(guān)研究,并取得了較為優(yōu)秀的成果。根據(jù)本研究,超分辨率重建后,相關(guān)波段重建質(zhì)量較高且重建波段與原始波段光譜一致性較好,未來使用Sentinel-2多光譜影像研究時(shí),若使用超分辨率重建影像,可發(fā)掘更多信息。

光譜指數(shù)方法提取水體時(shí),在復(fù)雜地物情況下,水體識(shí)別與分割較為困難。超像素分割算法較好地利用圖像中像元之間的全局關(guān)系,處理本研究中不均衡樣本水體分割任務(wù)表現(xiàn)較好。此外,水體識(shí)別過程中,不同光譜指數(shù)中心波長(zhǎng)范圍差異較大,使用光譜指數(shù)方法進(jìn)行干旱區(qū)水體提取時(shí),由于近紅外波段與短波紅外波段不同導(dǎo)致水體提取結(jié)果存在較大差異,故應(yīng)用光譜指數(shù)方法提取水體時(shí),需考慮傳感器中心波段差異造成的影響。

機(jī)器學(xué)習(xí)方法中監(jiān)督分類算法SVM與NN因大量的人工數(shù)據(jù)參與,精度表現(xiàn)較好,但無監(jiān)督分類算法(K-means)則表現(xiàn)較差。并且MNDWI-11、RWI-11等進(jìn)行干旱區(qū)水體提取時(shí),精度可超過機(jī)器學(xué)習(xí)算法中SVM、NN與K-means,這對(duì)目前進(jìn)行水體提取時(shí)是否應(yīng)更傾向于人工數(shù)據(jù)參與及是否應(yīng)該選擇使用復(fù)雜模型有一定參考意義。

評(píng)估光譜指數(shù)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)方法水體提取性能時(shí),需考慮樣本不均衡產(chǎn)生的影響。本研究中若僅以總體精度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),將會(huì)對(duì)水體提取方法適用性產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷,當(dāng)大量水體被錯(cuò)誤的識(shí)別為非水體時(shí),總體精度仍可達(dá)到90%以上,這與實(shí)際情況相悖。若單獨(dú)以準(zhǔn)確率作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),此時(shí)又會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的漏分情況,難以滿足水體提取時(shí)的尺度需求,需要根據(jù)實(shí)際需求,選取適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行綜合考量后判斷最佳的方法。本研究中引入F1值、G-mean、MCC補(bǔ)充評(píng)估不均衡水體提取精度,綜合分析OA、準(zhǔn)確率、召回率、KC、F1值、G-mean、MCC對(duì)最終結(jié)果的影響程度,進(jìn)而評(píng)估干旱區(qū)水體提取方法適用性。

本文基于Sentinel-2衛(wèi)星增強(qiáng)影像研究了干旱區(qū)最優(yōu)水體提取方法,并對(duì)影像超分辨率重建、超像素分割、光譜指數(shù)波段差異性進(jìn)行了初步探索。在超分辨率重建過程中,信息量的變化對(duì)未來水體提取及Sentinel-2衛(wèi)星紅邊波段、近紅外波段、短波紅外波段擴(kuò)展應(yīng)用的影響有待進(jìn)一步研究。并且根據(jù)本研究,部分光譜指數(shù)方法對(duì)波段、地物的敏感性較大,研究區(qū)域不同時(shí)如何快速尋找適合的光譜指數(shù)仍需進(jìn)一步分析。在未來的研究中,可嘗試根據(jù)波段對(duì)不同地物的響應(yīng)機(jī)理來優(yōu)化超分辨率算法及水體提取方法,以期發(fā)現(xiàn)精度更高、適用性更強(qiáng)的水體提取方案?？傮w而言,本研究對(duì)多光譜數(shù)據(jù)分辨率提升及干旱區(qū)復(fù)雜環(huán)境下水體提取方法的適用性研究具有一定參考意義。

4 結(jié)論

(1)通過利用超分辨率算法將Sentinel-2衛(wèi)星影像分辨率提升至10 m,對(duì)比原始分辨率與三次卷積重采樣影像,重建影像平均梯度平均提升66.3、結(jié)構(gòu)相似度大于0.828 7、峰值信噪比均大于38 dB,重建質(zhì)量較好;通過250 000點(diǎn)光譜反射率一致性校驗(yàn),重建影像與原始影像反射率具有高度相關(guān)性,所有波段相關(guān)系數(shù)均大于0.96,估計(jì)精度大于94%;使用超分辨率重建影像進(jìn)行水體提取時(shí),相較原始影像,平均總誤差減少19%。通過超分辨率重建,增強(qiáng)原始影像地物輪廓、紋理信息等空間細(xì)節(jié),提高影像清晰度,對(duì)水體提取提升較大,為更進(jìn)一步研究大尺度水體信息提供方法支撐。

(2)通過研究Sentinel-2增強(qiáng)影像光譜指數(shù)提取方法中不同光譜指數(shù)近紅外波段及短波紅外波段水體識(shí)別性能差異,得到光譜指數(shù)中MNDWI、RWI、RNDWI1、WRI對(duì)SWIR波段較為敏感;EWI、N-M對(duì)NIR波段較不敏感但對(duì)SWIR波段較為敏感;SWM、NDWI對(duì)NIR波段較為敏感;而MBWI、ANDWI、WI2015、MuWIR、NWI、MLSWI、NCIWI、AWEIsh和NDVI對(duì)NIR波段沒有明顯的敏感性。

(3)通過對(duì)干旱區(qū)水體提取方法進(jìn)行了探索,得到基于超分辨率重建影像構(gòu)建的MNDWI-11,能夠精準(zhǔn)識(shí)別水體及非水體,有效地降低錯(cuò)分與漏分像元數(shù)量,水體提取總精度達(dá)99.81%,準(zhǔn)確率為92.04%,F1值為88.02%,G-mean、馬修斯相關(guān)系數(shù)大于0.88,是干旱區(qū)最佳水體提取方法。