毕业论文不同植被指数对tm图像植被提取研究以聊城市城区为例

本科生本科生毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 题题 目：目：不同植被指数不同植被指数对对 TM 图图像植被像植被 提取研究提取研究以聊城市城区以聊城市城区为为例例 专业专业代代码码： ： 070703 作者姓名：作者姓名： 苏苏 宁宁 学学 号：号： 2007201932 单单 位：位： 环环境与境与规规划学院划学院 指指导导教教师师： ： 汤汤 庆庆 新新 2011 年年 5 月月 31 日日 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下， 独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论 文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人承担本声明的相应责任。 学位论文作者签名： 日期 指 导 教 师 签 名： 日期 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 目目 录录 前言前言.1 1 1 研究区概况研究区概况.1 2 2 研究方法研究方法2 2.1 数据来源2 2.2 遥感图像数据预处理2 2.2.1 工作范围确定2 2.2.2 辐射校正.2 2.2.3 几何校正.3 2.3 波段选择3 2.4 主成分分析（PCA）.3 3 3 植被信息的提取植被信息的提取.4 3.1 归一化植被指数（NDVI）5 3.2 比值植被指数（RVI）.5 3.3 波段组合7 3.4 监督分类8 3.4.1 训练区选择.8 3.4.2 分类模板评价8 3.4.3 监督分类的结果.8 3.5 评价分类结果.10 3.6 分类后处理12 4 4 分类结果比较与分析分类结果比较与分析12 5 5 结论结论.13 参考文献参考文献15 致谢致谢.16 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 摘摘 要要 植被指数是描述地表植被覆盖程度的重要参数，植被指数的研究对土地复垦、 生态保护等方面具有指导意义。本文将聊城市城区作为研究区域，以 2000 年的 TM 数据为遥感数据源，在 ERDAS IMAGINE 8.6 软件平台上研究了归一化植被 指数（NDVI）和比值植被指数（RVI）对不同地表植被覆盖情况的反映效果。 通过定量化比较表明，归一化植被指数能够更好的反映全区的植被状况。 关键词：关键词：遥感；ERDAS IMAGINE；归一化植被指数；比值植被指数；植被 覆盖 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） Abstract Vegetation index is one of the important parameters to describe vegetation coverage. The research of vegetation index has instructive significance in aspects of land, reclamation and ecological protection ect. Using the remote sense data LandSat- TM of 2000 and taking the Liaocheng government office area as a pilot area. This article studied the vegetation index-NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and RVI (Ratio Of Vegetation Index) for the reflection of differnet vegetation coverage results with ERDAS IMAGINE software. Through the quantitative comparision, it shows that the NDVI is better for indicating the vegetation status. Key words: Remote Sensing; ERDAS IMAGINE; NDVI; RVI; Vegetation Cover 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 1 不同植被指数对不同植被指数对 TM 图像植被提取研究图像植被提取研究 以聊城市城区为例以聊城市城区为例 前言前言 绿色植被是生态环境中最敏感和最主要的环境因子，它的变化直接或间接的 影响到其他环境因子的变化。作为重要的生态参数，植被覆盖度(单位面积内植 被的垂直投影面积所占百分比)是描述生态系统的重要基础数据1。在遥感应用领 域中，植被指数 VI（Vegetation Index）已被广泛用来定量评价植被覆盖及其生 长活力。因此，研究该地区植被指数对于了解该区域的生态环境具有重要的现实 意义。 根据地物光谱反射率的差异做比值运算可以突出图像中植被的特征、提取植 被类别或估算绿色生物量，能够提取植被的算法称为植被指数2。植被指数作为 遥感技术中的一种特定概念，已广泛应用于土地利用覆盖监测、植被覆盖密度评 价、作物长势和产量估测等方面，在定量表达植被生长活力方面，植被指数比用 单波段影像具有更高的灵敏度，因而更有助于增强遥感影像对植被生长活力的解 译能力。据不完全统计，迄今为止已研究和提出了 40 余种植被指数，它们都有 各自的适用条件、优势和局限性3。本文旨在对其中的两种植被指数即归一化植 被指数（NDVI）和比值植被指数（RVI）进行植被信息提取并加以比较分析， 以便为在遥感分析中更好地使用植被指数提供参考。 本文以聊城市城区为研究区域，采用 2000 年 Landsat TM 1TM 7 多波段影 像数据，参考地面资料，借助遥感图像处理软件 ERDAS IMAGINE 8.6，分别用 NDVI 和 RVI 提取聊城市城区的植被信息，通过分类结果比较和分析得出植被信 息提取的最佳方法。 1 研究区概况研究区概况 本研究区位于聊城市东昌府区，是中共聊城市委、市政府驻地，是鲁西政治、 经济、文化的中心，又处于京九、济邯铁路和济聊馆高速公路这个黄金十字架的 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 2 交汇点上，是山东西部、中原一带和京九沿线人流、物流、信息流的一大集散中 心，不仅起着辐射带动鲁西经济发展的龙头作用，而且是山东省与山西、河北等 内陆省份进行交流与合作的主要场所，也是南下北上，东出西进的重要通道。 此外，本区是国家级历史文化名城、国家卫生城市、全国宜居城市、闻名遐 迩的江北水城和运河古都。它地处黄河下游冲积平原，位于东经 11541 11608，北纬 36163642之间。它属于温带季风气候区，气候适宜， 光照充足，全年光照时数在 2463.02741.8 h 之间，全区平均气温 12.813.4， 全年降水量为 567.7637.3 mm，年均相对湿度为 5668%，并且土地肥沃，水 质优良，适宜多种植物生长。聊城市城区是经济发展最为迅速，居民比较集中的 地区之一，所以对聊城市城区的植被信息提取对于生态保护和建设有着重要的现 实意义。 2 研究方法研究方法 2.12.1 数据来源数据来源 采用的遥感数据是 2000 年 6 月份 Landsat TM1TM7 多波段影像数据，分 辨率为 30m。其它非遥感数据包括聊城市城区土地利用现状图及相关年份的统计 资料。上述时期的遥感影像数据摄于植被生长比较好的时期，能够较好的代表研 究区植被的生长状况。 2.22.2 遥感图像数据预处理遥感图像数据预处理 图像数据的预处理主要包括工作范围的确定、辐射校正，几何校正等。 2.2.1 工作范围确定 利用图像裁剪方法将工作范围内的图像提取出来。本实验根据研究需求裁剪 的是聊城市城区部分。 2.2.2 辐射校正 辐射校正包括辐射定标、太阳高度角辐射校正、地形引起的辐射变化校正、 大气校正等4。数据提供商已经根据卫星的记录参数对遥感数据做了辐射校正， 即消除了传感器自身引起的、大气辐射引起的辐射噪声。 2.2.3 几何校正 几何精校正，是把不同传感器具有几何精度的图像、地图或数据集中的相同 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 3 地物元素精确地彼此配准、叠加在一起的过程5。其基本原理是利用地面控制点 数据确定一个模拟几何畸变的数学模型，以此建立原始图像空间与标准空间的某 种对应的关系；然后利用这种对应关系，把畸变图像空间中的全部像素变换到标 准空间中，从而实现图像几何精纠正。在 ERDAS 软件操作中，可以采用二次多 项式拟和法进行影像配准，然后运用邻近点插值法进行重采样，误差控制在一个 像元内。 2.32.3 波段选择波段选择 本实验采用的 TM 影像有 7 个波段，但某些波段之间相关性很高，造成信息 冗余。为减少相互干扰，信息提取时应选择信息量较大的波段，尽量选择相关性 较小的波段参与分析，根据各波段之间的相关性得出：TM 1TM 3 波段具有很 高的相关系数，TM 4 波段比较独立，TM 5 波段和 TM 7 波段相关性较高。因此， 通过各波段相关分析拟选择 TM 2、TM 4 和 TM 5 波段组合，组合前后的效果 如（图 1） 、 （图 2）所示： 图 1 原始图像 图 2 波段选择后图像 2.42.4 主成分分析（主成分分析（PCA） 图像增强是为了突出影像中的某些特定信息而作的处理，当一幅图像的目视 效果不太好时，或者有用的信息突出不够时，就需要作图像增强处理。在实际运 用中，不是所有的图象增强处理方法都要用到，具体采用哪种图象增强处理方法， 还要视具体的研究区域，研究内容和对象而定。本实验经过多次操作和比较，采 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 4 用光谱增强中的主成分变换（Principal Components）对于信息增强效果最佳。 主成分变换是一种常用的数据压缩方法，它可以将具有相关性的多波段数据 压缩到完全独立的较少的几个波段上，使图像数据更易于解译。本实验中，对波 段组合的 TM 影像进行主成分分析，其中前 3 个分量集中了影像大部分信息 95%，第 1 分量信息量最大 80% 。变换结果如（图 3）所示： 图 3 主成分变换后图像 3 植被信息的提取植被信息的提取 植被指数是遥感监测地面植物生长和分布的一种方法。由于不同绿色植被对 不同波长光的吸收率不同，光线照射在植物上时，近红外波段的光大部分被植物 反射，而可见光波段的光则大部分被植物吸收，通过对近红外和红光波段反射率 的线性或非线性组合，可以消除地物光谱产生的影响，得到的特征指数称为植被 指数6。 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 5 目前，计算植被指数主要有归一化植被指数（NDVI） 、比值植被指数 （RVI） 、差值植被指数（DVI）和垂直植被指数（PVI）等。利用遥感影像处理 软件提取植被指数流程一般为：使用遥感处理软件打开遥感图像。依据植被 指数公式，对图像不同波段进行波段计算。生成植被指数影像文件。本文主要 计算了归一化植被指数和比值植被指数。 3.1 归一化植被指数（归一化植被指数（NDVI） 归一化植被指数（NDVI）是广泛使用的一种植被指数，最初由 Rouse 等人 提出：NDVI = （TM4 - TM3） / （TM4 + TM3） 。在植被指数计算中，通常选 用的是对绿色植物强吸收的可见光红波段（0. 60. 7m）和对绿色植物高反射 的近红外波段（0. 71. 1m） 。上述 NDVI 计算公式中，TM4 表示第四波段即近 红外波段的反射率，TM3 表示第三波段即红光波段的反射率。越健康的植物， 红光反射值越小，红外反射值越大，其比值也就越大。 NDVI 是植被生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示因子，与植被覆盖 分布呈线性相关，当植被覆盖度较低时，NDVI 对覆盖度增减反应灵敏，当覆盖 度较大时，NDVI 趋于饱和7。应用 ERDAS 软件提取 NDVI 的输出结果是灰度 图像，较亮的部分表明其长势较好，覆盖度较高，最终得到的 NDVI 灰度图如 （图 4）所示。 3.2 比值植被指数（比值植被指数（RVI） 比值植被指数 RVI = TM4 / TM3，TM4 表示第四波段即近红外波段的反 射率，TM3 表示第三波段即红光波段的反射率。它是绿色植物的灵敏指示参 数，与叶干生物量(DM)、叶绿素含量相关性高，可用于检测和估算植物生物 量。植被覆盖度影响 RVI，当植被覆盖度较高时，RVI 对植被十分敏感；当 植被覆盖度0。该指数对土壤背景的变化比较敏 感，在很大程度上消除了地形和群落结构阴影的影响，消弱了大气的干扰，从而 大大扩展了对植被覆盖度的灵敏度。从归一化植被指数的区域面积统计特征及其 分类评价的结果来看，对整个研究区域的总体地表情况反应良好，除植被信息提 取良好外，对水体、建筑用地的分布情况反应也比较准确，尤其是当植被覆盖度 较低时，NDVI 对覆盖度增减反应特别灵敏。但对于植被覆盖良好的地区， NDVI 值的面积统计比例与植被覆盖度有稍大的差异，植被指数不可避免的会存 在一些被压缩的现象。 比值植被指数：从分类精度评价结果来看，对地表总体反映情况稍差一些。 植被覆盖度影响 RVI，当植被覆盖度较高时，RVI 对植被十分敏感，当植被覆盖 度50%时，这种敏感性显著降低（例如，在中心市区植被覆盖度不高的情况下， 比值植被指数的适用性就不如归一化植被指数） 。当比值植被指数在 01 之间变 化时，地表上基本无植被，主要为水域、建筑用地、云区等覆盖，比值植被指数 在低值区间（0.50）和高值区间分辨率均较弱。此外，比值植被指数对区域内 的植被低覆盖和高覆盖地区反应情况存在偏差，从而在一定程度上影响该指数在 研究区的进一步研究应用。 5 结论结论 本文借用 ERDAS 软件平台，运用归一化植被指数和比值植被指数对研究区 域的植被信息进行提取，通过综合分析得出如下结论： 第一，基于聊城市城区的植被状况和植被种类，选取一个能最大程度反映该 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 14 地区植被状况的植被指数十分必要。从两幅植被分类图及其对精度评价结果的基 本分析中得出，NDVI 是反映植物生长状况以及植被空间分布密度的最佳指示因 子，除能消除地形和群落结构的阴影和辐射干扰、削弱太阳高度角和大气所带来 的噪音外，对于植被的检测灵敏度较高且植被覆盖的检测范围较宽。 第二，从解译出的遥感图像资料作统计分析可以得出，聊城市城区的绿地覆 盖率达到 29.7 %。但是，该地区也存在植被分布不均匀的现象：植被绝大部分集 中于城市公路沿线；在繁华的中心城区，由于人口密度大，建筑物密集，植被面 积较少；在东昌湖附近，建筑物特别密集，植被面积明显比较少；在城区的西北、 东北地区，由于人口密度比较小，植被面积明显高于其它地方。因此，在今后的 土地资源利用过程中，本区应重视城市植被覆盖的规划和研究，以便在有限的区 域面积内，优化绿地空间结构，实现城市植被覆盖的合理布局，提高植被覆盖的 质量，充分发挥植被在改善城市生态环境中的作用。 聊城大学本科毕业论文（设计）聊城大学本科毕业论文（设计） 15 参考文献参考文献 1朱金兆.林业生态工程技术体系J.中国农业科技导报,2002,2(1):1217. 2韦玉春,汤国安,杨昕等.遥感数字图像处理教程M.北京:科学出版社,2007. 3李开丽,倪绍祥,扶卿华.垂直植被指数及其解算方法J.农机化研究,2005,2(1):8485. 4赵英时