应用卫星遥感影像分析厦门市地表植被变化.pdf

第?卷 专刊? ? ? ? ?年?月 林业科学 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 应用卫星遥感影像分析厦门市地表植被变化 肖 胜 叶功富 ?福建省林业科学研究院 福州? 倪志荣 吴锡麟 陈 杰 ?福建省厦门市林业局 厦门? 摘 要? 以厦门市地表植被变化为研究对象?以? ? ?年为时间跨度?在计算机的支持下?利用? ? ? ? ? ? ?卫星遥感影像数据进行处理分析?计算影像的植被指数并进行多波段彩色合成?分析地表植被变化和特 征?提取变化分布地点及类型?形成专题图件?为厦门市森林生态网络建设提供依据 关键词? ?影像?植被指数?植被变化?彩色合成 收稿日期? ? ? ? ? ? 基金项目?国家攻关项目专题? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地表植被是生态环境的重要组成部分?与人们日常生活息息相关及时准确地掌握其动态变化?分 析其发展趋势?对于维护区域生态平衡有着重要作用遥感技术因其实时性!多时相性!多波段性和空 间分析能力等特点?可以及时准确地对地表植被动态变化进行监测?李本纲等? ? ?肖胜? ? 相对 于传统的地面观测?有速度快!收效大!效率高的优势?并且有利于实现信息管理的自动化?丁建丽等? ? 本文以卫星遥感数据为基础?分析厦门市地表植被变化?为建立厦门市森林生态网络监测系统? 提高厦门市生态环境建设的水平提供依据 ? 研究区自然概况 厦门市位于福建省东南沿海?东经?. ?. ?北纬?. ?. ?地处漳厦平原和泉州平 原中心?处于九龙江口?东临台湾海峡?全市土地总面积? ? ? ? ?海岸线总长? ? 厦门市位于戴 云山脉的西南段和博平岭东南的延伸支脉交界处?地势自西北向东南倾斜?并向海洋延伸?地貌类型以 丘陵为主?地形复杂多样?最高山峰云顶山海拔? ? ? 厦门市地带性植被为亚热带季风常绿阔叶林? 原始森林已绝迹?现多为人工林?树种单一?植被类型层次结构简单?森林覆盖率为? ? ? 研究资料及方法 2 .1 研究资料 本文研究的卫星影像资料为覆盖厦门市范围?个时相的美国? ? ? ?影像?成像期为?年 ?月及?年?月? ? ? ? ? ?另有法国卫星影像数据? ? ? ?下移? ? ?成像 期为?年?月其它资料有厦门市政区图! ? ? ?万地形图!林业基本图!土地利用现状及规划图!绿地 系统规划图等遥感影像处理系统为? ? ? ?地理信息系统平台为? ? ?及? ? 2 .2 影像导入及预处理 利用? ? ? 软件中的? 功能将两个时期的卫星遥感影像导入到系统中?利用? ? ? 万的地形图?选取?个?控制点?采用多项式的方法进行几何校正?校正后的总体? ?误差均控制 在一个像元点之内卫星遥感影像投影方式采用? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?投影?参考椭球体为? ? ? ? ? ? ? ?中央 经线根据厦门市所处位置取东经?经过几何校正后的影像才可进行后续的各项运算与处理 2 .3 范围的选定 将厦门市政区图数字化之后?利用地理信息系统? ? ?平台?形成市界范围的多边形图层?经 过投影转换与坐标纠正之后?使之与卫星遥感影像的投影方式相同?按照市界范围? ? ? ? ? ?选取?区 域?然后利用?功能项提取厦门市行政范围内的卫星遥感影像数据 2 .4 植被指数 植被指数是由多光谱数据经过线性与非线性组合构成的对植被有一定意义的各种数值?植被指数 被广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其生长活力?它是从卫星影像数据中了解植被分布及变化状况 的一种指标植被指数的计算公式有若干种?在这里采用?式的 指数? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 其中?为?卫星影像的第?波段?为?卫星影像的第?波段计算结果 与植物生物 量!叶面积指数和光有效辐射等有着密切的联系?其数值表示植被覆盖率的状况?如果影像中 的 值越大?植被覆盖率越高? 的值越小?植被覆盖率越低由?式所计算出来的? ?值分布在? ? 到?的范围内?这往往超出了通常影像处理中影像灰度值的范围?为了便于图像处理运算及表示?通常 把 值限定在? ?内?进行线性变换这样?式转化为?式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 利用?式对两时期的卫星影像均作变换计算?计算结果形成 ? ? ? ?和 ? ? ? ?两幅植被 指数影像?影像中明亮的部分表示植被分布多的地方?暗的部分表示植被分布少的地方?图?为?年 ?月份的厦门市植被指数影像 2 .5 植被变化影像计算 为了从遥感影像中了解地表植被变化?可以用不同时相的影像分量作减法运算?以得到不同时期的 影像动态变化情况虽然两幅影像季相?月和?月?有些不同?但是由于厦门市的植被多为常绿类型? ?月和?月又为厦门市的春夏季节?中间只有?个月的间隔?植被生长基本保持在同一水平状态?所以 季相对差值的计算影响不大采用?式的公式计算? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式中 !为影像的行列号?经过计算后?植被变化的信息在影像中得到增强?差值影像值? ? ? ? ?表 示? ) ?年之间的植被变化情况如果? ? ? ? ? ? ?表示植被覆盖率降低?若? ? ? ? ? ? 表示植被覆盖率增加?若? ? ? ? ?值在?左右?表示该地植被覆盖变化不大?呈平衡状态同样地?对 差值影像值? ? ? ? ?也拉伸到? ?之间如图?所示为植被指数差值影像 2 .6 影像多波段的彩色合成及分类 利用? ? ? 中? ? ? ? ? ? ?模块将 ?1? ?! ?1? ?和? ? ? ?进行组合? 用? ?红!绿!蓝?三色合成的假彩色方式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?可以建立彩色判读标志?以不同的色彩 特征表示植被分布及变化状况由于在? ? ? 系统中?各影像层配色? ?的顺序可以按用 户需要进行调用?因此?丰富的影像色彩增加了影像的适用性 将彩色合成后的影像用最小距离法进行自动分类?对变化类型进行区分?按地表植被覆盖变化状况 逐一统计?得出植被变化的强度及变化性质 ? 专刊?肖 胜等?应用卫星遥感影像分析厦门市地表植被变化 图? ?年?月的厦门市植被指数影像 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图? 植被指数差值图像 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 .7 对比遥感影像的处理 为了对植被变化进行详细解译和特征分析?了解变化成因及发展趋势?需要利用较高分辨率? ?及?卫星遥感影像数据进行综合处理?以求对比分析?植被变化的区域!地点!类型等可在对比影 像上得到清晰地显示?利于变化类型的解译与判读 将经过预处理后的? ?与?除第?波段?数据进行融合?融合方法采用? ? ? ? ?法?这是基于 信息特征的一种融合方法?陈德超等? ? ?很适合于? ?与?影像的融合见?式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 其中?!?!分别代表?的不同波段? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?为? ?波段?为灰度值对融合后 的影像进行适当的增强处理?使各地物!碎部更清晰?然后再进行土地利用分类?得到对比影像图分类 方法采用最大似然分类法? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?假设各类地物光谱的条件概率为多维正态分 布?按最大似然度测定其平均值及方差!协方差此时?像元数据?观测值? 归为类别的似然度?为 式?所示?经过计算?把该像元分到似然度最大的类别中去 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 经过处理后的卫星影像见图? ?所示为厦门岛!海沧!杏林!集美!鼓浪屿等局部地区?该图可以用于 植被变化的对比分析 ? 结果与分析 3 .1 技术路线图 根据卫星影像数据的处理过程与目的?可以知道?分析厦门市地表植被变化的技术路线归纳为图? 所示?处理后的影像能够用于分析植被变化 3 .2 彩色合成判别方案 根据不同时相的遥感分量彩色合成及对比分析?得到表?所示的解译结果依据影像色彩表现的 不同?结合对比遥感影像?可以判读出不同的植被变化趋势与所在区域 ?林业科学?卷 图? 厦门岛周围区域卫星影像图 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图? 厦门市地表植被变化分析处理的技术路线图 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 专刊?肖 胜等?应用卫星遥感影像分析厦门市地表植被变化 表1 彩色合成判别方案与图像表现结果的解译 . 1 图层 ? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ? ?1? ? 配色方案 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 红色? ? ? 绿色? ? ? ? ? 蓝色? ? ? ? 图像表现结果 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 像元灰度值 ?高? ?低? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? 2? ? ?灰白? ? ? ?黑灰? ? ? ? ? ?品红? ? ? ? ? ? ? ? 黄色? ? ? ? ? ? 红色? ? ? ? 青色? ? ? ? 蓝色? ? ? ? ? 绿色? ? ? ? 3 .3 植被变化分析 根据本文中的方法?经处理分析!归并统计后?经总结得到表?所示的厦门市地表植被变化类型统 计表?结合该表?植被变化类型可以很容易地从卫星遥感影像图中直接判读出植被变化的地点及现状? 也可以利用全球定位系统?接收机在野外进行现地调查和研究根据森林资源调查档案及样地!厦 门市土地利用统计数据进行验证?植被变化类型的判对率?精度?为?1? ? 表2 厦门市地表植被变化类型统计 . 2 序号 ? ? 地 表 植 被 变 化 类 型 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 卫星影像像元数 ? ? ? ? ? ? 面积 ? ? ? ? 百分比 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地表植被覆盖高!生长良好的森林地带?变化不大?基本稳定?分布 在生态环境好的低丘山地 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1?1? ? 地表植被变好的区域!覆盖率保持上升的有林地?分布在生态环境 好的低丘山地 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1?1? ? 地表植被覆盖率略有上升的区域?如幼林郁闭的林地!绿化面积增 加的城镇绿地? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1?1? ? 地表植被覆盖波动地区?一般分布在城市近郊农业用地地带?如耕 地和园地等? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1?1? ? 地表植被严重破坏或退化的区域?如火烧迹地!采伐迹地!农业用地 开发 等? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1?1? ?林业科学?卷 续表? 序号 ? ? 地 表 植 被 变 化 类 型 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 卫星影像像元数 ? ? ? ? ? ? 面积 ? ? ? ? 百分比 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地表植被退化!覆盖率下降较多的区域?如城市建成区的扩展占用 等? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1?1? ? 地表植被从无到有!覆盖率变大的区域?如新植林地!迹地更新!城 镇用 地重 新 绿化 而 变成 绿 地等? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?