基于ETM+图像的混合像元线性分解方法在澳门植被信息提取中的应用及效果评价
2022-09-19
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维普资讯 http://www.cqvip.com 华南师范大学学报(自然科学版) 2007年5月 Mav 2007 JOURNAL OF SOUTH CHINA NORMAL UNIVERSnTY 2007年第2期 No.2,2007 (NATURAL SCIENCE EDITION) 文章编号:1000—5463(2007)02—0131—06 基于ETM+图像的混合像元线性分解方法 在澳门植被信息提取中的应用及效果评价 邹 蒲 ,王云鹏 ,王志石 ,樊风雷 (1.中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室,广东广州510640; 2.澳门大学科技学院科技研究中心,澳门邮政信箱3001号,澳门; 3.中国科学院研究生院,北京100039;4.华南师范大学地理科学学院,广东广州510631) 摘要:利用混合像元线性分解方法(LSMM),对澳门ETM+图像(2003/1/10)进行像元分解提取植被 信息.同时利用同一图像的归一化植被指数(NDVI)、缨帽变换的“绿度”分量(KT2)对提取的植被 信息进行对比分析,发现用LSMM方法提取的植被信息与NDVI的相关系数达到0.93与KT2的相 关系数达到了0.74.同时发现用LSMM方法提取的植被面积(4.19 km )比NDVI阈值法、KT2阈值 法提取的植被面积(分别为8.26 km 、8.68 km )更接近真实植被面积(5.79 kIn2).结果表明混合像 元线性分解方法能有效地提取植被信息,比以像元为单位的常规遥感提取方法精度更高,为快速、准 确、高效的植被监测提供了新思路. 关键词:像元分解;线性混合模型;植被覆盖;澳门 中图分类号:F061.5 文献标识码:A ACCESSⅡ G THE L AR SPECTRAL UN一ⅣⅡX G APPROACH FOR EXTRACT G VEGETATION D旺 ORMATION USING LANDSAT E,I1Ⅵ+DATA IN M-ACAO ZOU Pu。 ,WANGYun—peng。WANG Zhi—shi ,FAN Feng—lei ,(1.State Key Laboratory of Organic Geochemistry,Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences,P.O.Box 1 131,Guangzhou 510640,China; 2.Center of Science and Technology Research,University of Macao,P.O.Box 3001,Macao,China; 3.Graduate Universiyt of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 4.School of Geography,South China Normal University,Guangzhou 510631,China) Abstract:The vegetation information of Macao was quantificationally extracted from Landsat ETM+data of 2003 by using linear spectral un—mixing approach(LSMM).At the same time,the Normalized Diference Vegetation Index(NDVI)image and“greenness”image (KT2),which also obtained based on the ETM+image(2003)of Macao,were used as two important comparison indexes to evaluate the extracted vegetation iformation by LSMM.n The result shows that the three images have high correlation.At the same time.the vegetation 收稿日期:2006—10—26 基金项目:广东省科技攻关资助项目(2005B30801007,2004A30401001);广东省自然科学基金资助项目(04002143) 作者简介:邹蒲(1982一),男,湖南娄底人,中国科学院广州地球化学研究所2004级硕士研究生。Email:zoup825@sina.com. 维普资讯 http://www.cqvip.com 132 华南师范大学学报(自然科学版) 2007年 areas extracted by LSMM,NDVI and KT2 are 4.19 km ,8.26 km and 8.68 km respec- tively.The areas by LSMM are closer to the actual vegetable areas(5.79 km ).The re- sults show that the linear spectral un——mixing approach is not only an efifcient way to ex-- rtact vegetation information but also a more accurate measure than routine pixel——based re-- mote sensing methods.Therefore.LSMM provides a novel way for monitoring vegetation more accurately and efficiently. Key words:pixel unmixing;linear spectral unmixing model;vegetation coverage;Macao 植被是陆地表面的主要覆盖类型,作为环境的重要组成及影响因子,是反映区域生态环境 的主要标志之一,也成为了人们研究的主要对象 J.遥感作为提取陆地表面信息的一种手段, 能够对地表进行大面积的同步观测,具有较强的时效特性,能够很好地提取植被信息,监测植 被变化.传统的遥感图像处理方法(植被指数法、监督分类与非监督分类、缨帽变换)都是基于 像元为单位的,1个像元对应1种地物类型.但当遥感影像空间分辨率不高时,像元所记录的 信息很多是来自1个以上的地物类型,即存在混合像元 j,这时传统方法所得结果的精度往往 不高.为了解决混合像元的问题,一些学者提出了“混合像元分解模型”,把混合像元分解为不 同的“终端单元”(Endmember),并求得这些终端单元在每个像元中所占的比例,以提高分类 精度 J.目前混合像元分解模型归纳起来有5类:线性模型、概率统计模型、随机几何模型、几 何光学模型和模糊模型_4 J,其中线性模型最为成熟应用最为广泛.本文在ENVI图像处理软 件的支持下,运用混合像元线性模型分解方法对澳f-j 2003年的Landsat ETM+影像进行处理, 提取出每个像元中的植被含量,并对以单个像元中植被含量所表示的植被信息及其效果进行 评价,为快速、准确、高效的监测植被变化积累经验. 1研究区域 澳门位于广东省东南沿海的珠江三角洲,东经113。 35 ,北纬22。14 ,由澳门半岛、凼仔岛和路环岛组成(图1 为2003年澳f-j Landsat ETM+RGB(751)假彩色合成影 像),2003年总面积为27.3 km .地势南高北低,主要由 低矮丘陵地与平原组成,低矮丘陵从南向北逐渐减少,平 原面积由南向北逐渐增加.澳门地区主要地物类型为城市 建筑和植被,其中澳门半岛城市建筑占了绝大部分只有少 量的植被分布,凼仔岛植被和建筑面积相对比较均匀,而 图1澳门彩色合成影像 路环岛植被占主要成分建筑面积相对较少. 2数据和方法 本研究采用2003年1月10日的Landsat ETM+影像数据,去掉第6波段的热红外波段, 共6个波段.影像空间分辨率为30 m,经过大气辐射校正和初步几何纠正处理,再运用影像边 界矢量掩模将澳门地区从影像中裁减出来,每个波段281×393个像元(包括部分海面). 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 邹 蒲等:基于ETM+图像的混合像元线性分解方法在澳门植被信息提取中的应用及效果评价 133 2.1线性光谱混合模型 线性光谱混合模型是指像元在某一光谱波段的反射率(亮度值)是由构成像元的终端单元 (Endmember)的反射率(亮度值)以其所占像元面积比例为权重系数的线性组合 ’ ,公式如下: =∑ c觑+ , k=1 (1) (2) ∑ =1, k=1 式(1)中: 为第 波段第i像元的光谱反射率, 为对应于i像元的第k个基本组分所占的比 例,c柏为第k个基本组分在第 波段的光谱反射率, 为残余误差值(即光谱的非模型化部 分,值越小分解结果越好).根据上述2个公式利用最/j ̄--乘法求得每个终端单元的丰度,计 算的结果表现为各终端单元的份量值图像和残余误差图像. 2.2终端单元(Endmember)的确定 终端单元是混合像元分解方法的关键也是难点,终端单元的类型、数量、取值都会直接影 响到计算的最终结果.终端单元可以从波谱库或影像自身中提取,但从波谱库中的光谱和影 像数据中几乎是不可能在完全相同的条件下取得的,因此这种方法存在一定的风险.相比之 下从影像自身选出的组成成份易于获得、简化和具有与数据相同的度量尺度,因此本研究终端 单元取自影像本身. 首先对影像进行MNF变换,MNF(Minimum Noise Fraction)变换被称为“最小噪声分离 法”,由格林等人1988年提出,是主成分变换的一种.MNF不仅可以通过去相关处理降低数据 量,还可以分离噪声用于计算数据的有效维数;然后提取MNF变换后的有效成分进行PPI (Pixel Purity Index)处理,即像元的纯净指数计算,计算结果表示为像元纯净指数的空间分布 图,该值越大表示人选纯净指数的次数越多,也表示该像元在多波段影像空间里表现越独特, 光谱也越纯净,像元地物也越单一l_8 ;最后以PPI计算结果为基础,利用ENVI的多维可视化 工具(n—D Visualizer)把PPI值较大的像元点投影到MNF变换主成分空间.当在2个成分 (主要成分)为特征的空间中,由单一纯粹物质组成的像素点发出的波谱信息可由极值点表 示.而在N个成分组成的空间中,终端单元将发生在多面体的顶角上,而这一多面体被定义为 以该空间的像素点极值为边界的几何空间. 根据上述方法对澳f-1 ETM+影像数据经过MNF变换,共生成6个主成分,各主成分相互 独立,其中第1主成分包含所有波段61.67%的光谱信息,第2、第3、第4主成分分别包含 24.71%、5.56%、4.69%的信息.选择前4个主成分计算出像元纯净指数(PPT),把像元纯净 指数(PPI)值大于lO的像元投影到MNF主成分空间.较纯像元在MNF主成分空间的散点图 大致呈四面体结构,在每个顶点选择几个像元作为该类地物终端单元(如图2(a)).分析各终 端单元光谱特征曲线(如图2(b)),结合研究区ETM+影像7(红)、5(绿)、1(蓝)的假彩色合 成图像,可以较容易的判断出各终端单元的代表的地物类型一植被、低反照率地物(主要是水 体)、土壤、高反照率地物(主要为城市建筑).其中植被分布在散点图中右上角1号位置,低反 照率地物分布在左下角3号位置,土壤和高反照率地物分别分布在右下角2号位置和左上角 4号位置. 2.3线性波谱分离 利用选择的终端单元对澳门地区6个波段的ETM+影像进行线性光谱分离处理,结果得 维普资讯 http://www.cqvip.com
134 华南师范大学学报(自然科学版) 2007年 终端单元特征光谱曲线 ① ④ ② (D 一一一+一一波长…一一… … 低反照率地物 土壤 植被高反照率地物 (a)PPI大于l0的像元在MNF (b)终端单元光谱反射特征 主成分空间的散点图 图2终端单元的选择及特征曲线图 到植被、低反照率地物、土壤、高反照率地物在每个像元的 丰度图像和残余误差的空间分布图像,其中残余误差图像 中最大误差值为0.001.图3为利用像元分解方法提取的 澳门植被的覆盖度图像(植被在每个像元的丰度). 3结果和讨论 由以上线性波谱分离的结果,得到植被在每个像元 的百分含量,植被信息被定量化提取(图4).分析植被覆 盖度图像可以看出,研究区域中植被覆盖度最大值为1, 最小值为0由植被覆盖度及所在覆盖度下的像元数,求 得影像中植被覆盖区域纯植被面积为4.19 km .另外澳 图3澳门植被覆盖度图像 门植被分布差异明显,植被覆盖度大的区域主要分布在路环岛和凼仔岛上,其植被面积占总植 被面积的80%以上,澳门半岛的植被分布比较少.对照分析2003年澳门Landsat ETM+RGB (751)彩色合成影像和澳门植被覆盖度图像,二者是完全吻合的.由于澳门半岛城市建筑是主 体,在植被覆盖度图像上很大一部分区域没有植被分布,值为0.而路环岛主要地物是植被,在 植被覆盖度图像上,植被分布的范围广植被覆盖度也大. 一般认为,NDVI和缨帽变 。 换的第2通道结果(绿度值)可 i 00 以有效探测区域植被覆盖状况 喜 75 有必要把像元分解法得到的植 50 被信息和NDVI和缨帽变换得 套 25 到的植被信息比较分析一下. 1 00 3.1与归一化植被指数(ND一 0 VI)的对比分析 图4澳门植被覆盖图像与NDVI图像二维散点图 归一化植被指数(NDVI)被定义为近红外波段与可见光红波段之差和这2个波段数值之 和的比值,即NDVI=(NIR—R)/(NIR+R),是植被遥感中应用最广泛的一种植被指数,也是 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 邹 蒲等:基于ETM+图像的混舍像元线性分解方法在澳门植被信息提取中的应用及效果评价 135 植被生长状态及植被覆盖度的重要指示因子.将提取的植被覆盖图像与同期提取的归一化 植被指数图像做回归分析.图4为植被覆盖度图像和归一化植被指数图像提取的植被图像的 二维散点图,可以发现两者具有很高的相关性,回归方程为C =0.615NDVI+0.12相关系数 为0.93(Cvo.为植被覆盖度值,NDVI为规一化植被指数).同时利用NDVI阈值法对照遥感影 像RGB(7/5/1)假彩色合成图像,结合实地调查资料,把NDVI值大于0.06的像元当作植被像 元能有效提取出植被面积,求得研究区植被面积为8.29 km . 3.2与缨帽变换(K—T)中绿度指数的对比分析 缨帽变换是指在多维光谱空间中,通过线性变换、光谱空间旋转使植被与土壤的光谱特征 得以有效分离。变换后的第2分量(KT2)表征“绿度”,反映植被光谱信息 J.同样将混合像元 线性光谱分解得到的植被覆盖图和缨帽变换的第2分量,即“绿度”图像进行回归分析,可以 发现二者也具有较好的相关性.图5为植被覆盖图和缨帽变换“绿度”图像二维散点图,相关 系数为一0.74,求得回归方程为C =0.0203KT:+0.624(C,,eg为植被覆盖度值,KT:为缨帽变 换的“绿度”值).再利用阈值法结合遥感影像RGB(7/5/1)彩色合成图像和实地考察数据,选 择“绿度”值为一42作为阈值有效提取出“绿度”图像的植被信息,求得研究区域的植被面积 为8.68 km . 通过归一化植被指数、缨帽 变换绿度分量的回归分析,充分 说明运用混合像元分解方法提 取植被信息是可行的.但也发 现3种方法提取出的植被面积 存在很大差异.根据澳门特别 行政区民政总署园林绿化部的 图5澳门植被覆盖度和缨帽变换“绿度”图像二维散点图 表1 3种方法提取及实测的植被面积 /km 绿地统计数据,2003年澳门的 绿地面积为5.79 km Ⅲ .为了 比较3种方法提取的植被面积, 在表1中列出了三者提取的植 被面积的比较,可以发现:应用混合像元分解方法提取植被更具有优势.归一化植被指数、缨 帽变换绿度分量阈值法求得的植被面积由于像元不是纯的像元,混有一定的“杂质”,这样求 得的植被面积结果偏大.而混合像元线性分解方法直接得到植被的覆盖图像,进入到像元内 部,估算植被的比例,求得的是纯植被的面积,更加接近已经公布的实测面积统计值. 4 结论 运用混合像元线性分解方法提取植被信息,能定量的获得植被信息,直接得到植被覆盖度 图像,同时可以在缺乏地面调查资料的情况下,求得地表纯植被覆盖面积.很好的解决}昆合像 元问题,为进一步进行生态环境评价提供依据.比以像元为单位的常规遥感提取方法如NDVI 及缨帽变换精度更高,更实用.同时在研究中发现,植被分布的区域存在一些丘陵,丘陵地形 阴影遮盖了地表真实的植被信息,对植被面积的计算有较大的影响,使得阴影区的植被覆盖度 维普资讯 http://www.cqvip.com 136 华南师范大学学报(自然科学版) 2007年 偏低,植被面积偏小.如何减小阴影的影响,提取阴影区的真实地物信息,是有待进一步解决 的问题.通过提取澳门2003年的植被信息,发现澳门的植被总量不大,分布不均衡.澳门半岛 植被分布太少,有待进一步提高绿化面积. 参考文献: [1]梅安新,彭望禄,秦其明,等.遥感导论[M].4版.北京:高等教育出版社,2002:240. [2]延昊,张国平.像元分解法提取积雪边界线[J].山地学报.2004,22(1):I10. [3]赵英时.遥感应用原理与方法[M].北京:科学出版社,2003:328—330. [4]IEHOKU C,KARNIELI A.A ie'view of mixture modeling techniques for sub—pixel and cover esitmation[J]. Remote Sensing Review,1996,13:161—186. [5]澳门特别行政区政府地图绘制及地籍局,澳门地图集[s].2版.澳门:2005:62. [6]张熙川,赵英时.应用线性光谱混合模型快速评价土地退化的方法研究[J].中国科学院研究生院学 报,1999,16(2):170—172. [7]万军,蔡运龙.应用线性光谱分离技术研究喀斯特地区土地覆被变化——以贵州省关岭县为例[J]. 地理研究,2003,22(4):44J0—443. [8]Boardman J W,Kruse F A,Green R O.Mapping target signatures via partial unmixing of AVIRIS data:in Summaries[C]//Fifth JPL Airborne Earth Science Workshop.1995,95—1(1):23—26. [9] 赵英时.美国中西部沙山地区环境变化的遥感研究[J].地理研究,2001,20(2):214—217. [10] 澳门特别行政区民政总署园林绿化部.澳门绿化区面积及指标[EB/OL].http://nature.iacm.gov.mo/ doc/d ̄.doc.2006—06—18. 【责任编辑成文】