（地图学与地理信息系统专业论文）基于遥感影像的城市绿地信息提取及分析.pdf

华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 摘要 目前，随着遥感技术的迅速发展，特别是遥感影像处理水平的提高，遥感 在社会各领域的应用日益广泛。在城市规划方面，利用遥感可以实现土地利用 的动态监测，空气质量的监督控制，城市生态环境规划建设等。近年来，国内 外许多城市将遥感技术应用到绿地信息提取中，以动态掌握绿地覆盖面积，优 化绿地空间结构，这不仅可以实现城市绿地的整体规划，同时对于改善生态环 境，提高城市的可持续发展潜能具有重要的实际意义。 论文以上海市2 0 0 3 年的e t m 遥感影像为数据源，对影像进行校正、裁剪、 光谱增强等一系列的预处理，然后通过监督分类、非监督分类和模糊c 均值聚 类三种方法分别对上海市地物类型进行分类，提取绿地信息；并以普陀区为例， 对三种分类方法进行了比较分析。研究结果表明，从分类总体效果来看，模糊 c 均值分类方法优于监督分类，而监督分类又优于非监督分类。然后，根据三 种方法得到的上海市绿地信息，对上海市绿化建设现状进行了分析，在此基础 上提出了未来的发展目标及建设措施。最后，提出了模糊c 均值方法的尚存的 一些不足之处。 论文的特色及创新之处在于：针对遥感影像中的混合像元，引入了目前最 流行的模糊c 均值聚类方法，它是结合模糊集理论和k 一均值聚类方法而提出来 的适合进行软划分的模糊聚类分析方法。f c m 方法对于遥感影像中存在的模糊 性和不确定性，能较好的根据隶属度对混合像元加以判别，这对于反映地物的 实际情况，能得到更加准确的效果。 绿地 关键词：遥感影像聚类；监督分类：非监督分类；模糊c 均值聚类；上海 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr e m o t es e n s i n g t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ei m p r o v e m e n to fr e m o t ei m a g ep r o c e s s i n g ， r e m o t es e n s i n gh a sb ea p p l i e di nt h ev a r i o u ss o c i a lf i e l d sm o r ea n d m o r ew i d e l yi n c r e a s i n g l y 。i nt h ew a yo fc i t yp l a n n i n g ，r e m o t es e n s i n g c a nb eu s e di nd y n a m i cs u p e r v i s i o no fl a n du t i l i z i n g ，m o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n to fa t m o s p h e r eq u a l i t y , p r o g r a m m i n ga n dc o n s t r u c t i o n o fc i t ye n t i r o n m e n ta n ds oo n i nt h er e c e n ty e a r s ，m a n yc i t i e so f d o m e s t i ca n do v e r s e a sh a v ea p p l i e dr e m o t es e n s i n gt og r e e ns p a c e i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n ，i no r d e rt of i n do u ta r e ag r e e nc o v e rd y n a m i c a n do p t i m i z et h es p a t i a ls t r u c t u r eo fg r e e ns p a c e 。t h i sn o to n l yc a n d ot h eh o l i s t i cp l a n n i n go fg r e e ns p a c e ，b u ta l s oh a st h ee f f e c t i v e m e a n i n g f o ra m e l i o r a t i n gt h ee n t i r o n m e n tb e n e f i ta n di n c r e a s i n gt h e c i t y ，sp o t e n t i a lo fc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t e t mr si m a g eo fs h a n g h a io f2 0 0 3w e r et a k e na st h ed a t a r e s o u r c e si nt h i st h e s i s i nt h ef l r s tp l a c e ，d ot h ee m e n d a t i o n ，s u b s e t ， s p e c t r a le n h a n c e m e n ta n ds oo n t h e nc l u s t e r i n gw a sd o n eb y u n s u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o n ，s u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o na n df u z z yc m e a n s ，b yw h i c h t h ea r e a so fs h a n g h a iw e r ec l a s s i f i e da n d i n f o r m a t i o no fg r e e ns p a c ew e r ee x t r a c t e d t h i r d l y , t a k ee x a m p l ef o r p u t u od i s t r i c t ，c o r n p a r i s o na n da n a l y s i so ft h r e ec l a s sm e a n sw e r e t a k e n t h er e s e a r c hr e s u l ts h o w st h ew h o l ee f f e c to ft h r e em e a na r e a sf o i l o w s ：t h ef c mi st h eb e s to ft h e s et h r e ea n dt h es u p e r v i s e d c l a s s i f i c a t i o ni sb e t t e rt h a ns u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o n a f t e rt h a t ，a n a l y z i n go fa c t u a l i t yo f s h a n g h a ig r e e ns t r u c t u r ew a s d o n e ，a n d d e v e l o p m e n tg o a la n dc o n s t r u c tm e a s u r ew e r ep u t f o r w a r do nt h ea c c o r d a n c eo f a n a l y s i sr e s u l t f i n a l l y , t h e s h o r t c o m i n g so ff c mw e r ea n a l y z e da tt h ee n do ft h et h e s i s 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 a b s l 埒d t h ec h a r a c t e r i s t i ca n di n n o v a u o no ft h i st h e s i si st h a t ：f u z z yc m e a n s ，w h i c hi so n eo ft h em o s tp o p u l a rc l a s s i f i e dm e t h o da tr e c e n t ， i saf u z z ym e t h o ds u i t a b l ef o rs o f tc l u s t e r i n go nt h ea c c o r d a n c eo f f u z z ys e ta n dk - m e a n sc l u s t e r i n g f c mi sg o o df o rm i x e dp i x e l b e c a u s ei tc a nc o m p a r t m e n t a l i z eb yd e g r e eo fm e m b e r s h i p u s i n g t h em e t h o dc a ng a i nt h ee x a c t e rr e s u l tb a s e do nt h ef a c t u a lc o n d i t i o n o f l a n d k e yw o r d s c l u s t e r i n go fr si m a g e ，s u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o n ， u n s u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o n ，f u z z y cm e a n s ，g r e e n s p a c e o f s h a n g h a i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者躲塑 吼埠卑 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名哆 i 予艮 日期：趣! ：f 导师张j 蛤阳 日期：盐q 。：l 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 第一章绪论 1 1 遥感及其发展史简介 遥感是2 0 世纪6 0 年代发展起来的对地综合探测技术。遥感一词来自于英 语r e m o t es e n s i n g 一遥远的感知f 1 1 ，即不直接与对象接触而收集有关该对象的 信息1 2 l 。通常是指通过某种传感器从空中或太空获取地表各类地物信息，并对 这些信息进行提取、分析，以此来测量与判定地表目标地物的性质或特性f 3 1 。 遥感技术的发展是一个历经几百年的漫长的积累过程，大致可分为三个阶 段；第一阶段是从1 8 4 0 s 到1 8 5 0 s 中后期的有记录的地面遥感阶段；1 8 5 8 1 9 5 6 是空中摄影遥感阶段；从1 9 5 7 年起，人类进入了航天遥感阶段，遥感技术也随 之有了重大进步。 1 8 3 9 年，法国人达意尔( l u i s j m d a g u e r r e ) 发明了摄影术，第一次成功 的把自然界信息形象的记录在胶片上，世界上第一张照片问世。1 8 4 9 年，法国 入艾米劳赛达特( a i m el a u s s e d a t ) 制定了摄影测量计划，成为有目的有记 录的地面遥感发展阶段的标志f 1 1 。 1 8 6 0 年美国人j w 布莱克( j a m e sw a l l a c eb l a c k ) 与s 金( s a mk i n g ) 在波士顿海港从气球上拍摄了第一幅空中照片。1 9 0 3 年莱特兄弟发明了飞机， 真正促使航空遥感向实用化的迈进。1 9 1 0 年怀特( w i l b u rw a g h t 诱；一次成功地 从飞机上拍摄了意大利c e n t oc e l l i 地区的航空像片，揭开了航摄的序幕。在此 前后，航空摄影主要服务于军事侦察、地形测量及制图。 随着摄影技术和空间运载工具的发展，航天遥感也日益发展成熟。1 9 5 7 年 苏联第一颗人造地球卫星发射成功，3 个月后美国也发射了一颗人造地球卫星， 由此开始了航天遥感的历史。真正从航天器上对地球进行长期观测是从1 9 6 0 年 美国发射的t i r o s 1 和n o a a 1 太阳同步气象卫星开始的1 1 1 。从此，航天遥感 技术的进展开始突飞猛进。 随着空间技术、光学技术、传感器技术、计算机技术以及现代通讯技术的 3 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 发展，遥感技术有了极大的进步。自2 0 世纪6 0 年代兴起以来，遥感技术的发 展日益迅速，在航空摄影测量的基础上，随着空间技术、电子计算机等现代科 技的迅速发展，以及地学、生物学等学科发展的需要1 4 l 逐渐发展形成的一门 新兴技术学科，目前己经形成了比较完善的基础理论体系以及一系列的技术支 持。遥感技术作为一种信息获取的手段，已经渗透到国民经济各个领域中，如 农业、林业、地质、气象、海洋、环境、城市规划及土地管理等专业领域和部 门。 随着2 1 世纪信息社会的到来，以及数字图像处理等技术的迅速发展，遥感 技术的发展也进入了一个崭新的时代。从以飞机为主要运载工具的航空遥感， 发展到以人造地球卫星、宇宙飞船和航天飞机为运载工具的航天遥感，大大地 扩展了人们的观察视野及领域，形成了一个从地面到空中，乃至空间，从数据 收集、处理到判读分析和应用，对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多 领域的观测体系1 5 l 。 在各种遥感技术系统中，近几十年来已形成以美国l a n d s a t 、法国s p o t 民 用遥感卫星系列为主流的地球资源、环境卫星遥感数据源，同时也发展了日本 的m o s - j e r s d e o s 卫星系列、加拿大的i l l s 卫星系列和欧空局的e r s 系y o l 6 。 未来几年内，遥感将在空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率3 个方面出现新 的突破，形成高、中、低轨道结合，次、小、微型卫星协同，粗、精、细分辨 率互补的遥感网络川。 1 2 城市遥感及选题意义 随着遥感技术的发展，特别是遥感影像处理水平的提高，遥感在社会各领 域的应用日益广泛。在城市规划方面，利用遥感可以实现土地利用的动态监测， 空气质量的监督控制，城市生态环境规划建设等。 我国的遥感起步较晚，2 0 世纪5 0 年代才开始大面积在大小兴安岭由原苏 联进行以森林资源调查和资源开发为目的的航空摄影1 4 1 。我国首次进行城市航 空摄影的城市是南京市，大连和天津是我国环境遥感的第一批试点城市。1 9 7 8 年，大连的海港污染遥感监测实验得到了可喜的突破，接着1 9 8 0 年天津市在大 4 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 气、水体、土壤、交通、植被、土地利用等多方面的环境遥感监测中，进行了 比较系统的分析，评价，出版了计算机辅助制图的环境质量地图集i 拼。1 9 8 3 年 北京市组织了规模宏大的航空遥感综合调查( 8 3 0 1t 程) ，进行了深入细致的分 析研究，取得了显著的社会、经济效益。随后，沈阳、太原、广州、武汉、上 海、杭州、九江、海口、三亚等9 0 多个城市陆续开展了以彩红外航空摄影为主 要信息源的城市综合遥感调查，涉及到土地详查、热岛效应、水源及固体污染、 绿地保护、文化考古、旅游资源、道路规划等许多方面，应用领域愈来愈广泛， 并得到了社会的认可与支持。一些沿海城市从遥感监测入手，结合地理信息系 统( g i s ) 和全球定位系统( g p s ) ，进一步开展区域规划、城市规划、小区规划、 土地管理和道路、通讯及其他管线的基础设施调查等更加深化的遥感应用工作 【9 l 。 城市绿地是城市生态系统的一个子系统【1 0 l ，它作为城市生态系统的重要组 成部分，对于改善城市生态环境质量，提高居民生活水平具有重要作用。近几 年国内外许多城市将遥感技术应用到绿地信息提取中，动态掌握绿地覆盖面积， 优化绿地空间结构，提高城市的可持续发展潜能，实现了绿地的整体规划【3 。 利用航空遥感影像进行绿地信息提取，与传统方式相比，具有视域范围广、 宏观性强、图像清晰逼真、信息量多、重复周期短、资料收集方便等优势，无 论在入力、物力还是财力上都非常经济，而且时间短、效率高。因此，本文运 用2 0 0 3 年的e t m 遥感影像对上海市的绿地信息通过监督分类、非监督分类及 模糊c 均值聚类方法进行提取，研究成果对于分析上海城市绿化结构，优化绿 地空间结构，充分利用有限的土地资源，实现城市生态绿地的合理布局，使城 市绿地充分、高效地发挥其生态效益和使用功能具有重要的理论意义和实践价 值。 1 3 国内外研究现状 城市是人类发展的产物，其特点是人口密集，建筑林立。因此，城市绿地 无疑是人们缓解生态压力、改善人居环境的一种行之有效的方法。 国外在这方面进行了较多的研究。s i n g h e l l l 等早在1 9 8 9 年就将城市遥感的 5 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 主要方法总结为分类后对比法、多时相复合法、影像差值比值法、植被指数法、 主成分分析法和变换向量分析等。r i l e y l l 2 】等于1 9 9 7 年利用m s s 影像对墨西哥 t u x t l a s 地区的1 9 8 6 - 1 9 9 4 年土地利用变化进行了动态监测，结果表明试验可达 到8 1 8 7 。vk a r a t h a n a s s i l l 3 1 于2 0 0 0 年提出了一种新型的城市土地利用分类 方法，这种方法根据影像纹理判断出城市建筑密度从而确定土地利用类型。他 们利用s p o t 全色光谱影像对希腊的雅典地区进行了试验，分类精度为 8 3 4 0 8 9 6 1 ，高于传统的最大似然法( 7 9 7 ) ，这种方法可用于城市土地利 用变化、城区扩展、非法建筑物监测等城市遥感监测。j g m a s e k 1 4 l 等在2 0 0 0 年的时候对华盛顿地区进行了城市扩展动态遥感监测，利用1 9 7 3 、1 9 8 5 、1 9 9 0 和1 9 9 6 年m s s 影像和t m 影像，采用n d v i 差值法，利用空间纹理信息，设 定一定的限制条件剔除了农业用地变化信息，准确提取出1 9 7 3 1 9 9 6 年城市扩 展的区域。 近年来，我国许多大中城市也逐渐开始了城市绿地信息遥感动态监测。江 苏省张家港市2 0 0 3 年申报国家级园林绿化城市时，利用了真彩色航空遥感影像 调查了建成区的绿地现状，提出了航空影像绿地专题提取的一般步骤以及具体 的提取方法【5 9 1 。2 0 0 4 年大庆市绿地信息快速获取中，采用了多尺度分割的技术， 侧重于影像的高分辨率与城市中的重要景观绿地。 目前，大多数城市都采用了更为先进快捷的卫星遥感影像来进行影像信息 提取分析，如t m 。e t m ，s p o t , i k o n o s 等。如福州市植被生态的遥感分析 【1 5 1 、哈尔滨市绿地系统规划初步分析【捌、南京市城市绿地现状遥感分析f 1 6 1 、厦 门市植被变化的遥感动态分析【切、大庆市应用卫星遥感技术进行城市绿地调查 1 1 8 1 、广州市基于i m 图像的城市生态绿地格局分析与评价【1 9 j 等等。用到的软件 有e r d a s ，e n v i , a r c l n f o ，m a p g i s ，b l i k o , e c o g n i t i o n ( 第一个面向对象 的遥感信息提取软件1 等。 深圳在2 0 0 4 年对绿地信息的提取研究，以0 6 1 m 的快鸟影像数据作为主要 信息源，s p o t 5 卫星影像作为补充用于对快鸟( o b ) 的云层覆盖区域进行修补， 同时与快鸟( q b ) 影像进行对比分析，辅助提取相关特征要素 2 0 l 。2 0 0 3 年延安市 及环城地区也进行了绿地信息提取方法的研究，对研究区遥感图像进行了波段 6 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 组合、对比度拉伸、几何纠正，并对3 种图像增强方法( 密度分割、差值运算， 植被指数) 进行了比较，对植被指数图像进行了非监督分类处理1 2 1 l 。 上海市先后在1 9 8 8 年、1 9 9 4 年进行了两轮城市航空遥感绿化调查。 1 9 8 8 - 1 9 9 1 年，上海采用遥感技术研究了市区二维空间的绿化覆盖率、人均绿地、 绿化与环境等问题。1 9 9 4 - 1 9 9 5 年，又从三维空间上，对上海市区的立体绿化结 构进行了定量研究，并对市区现有绿地的环境效益与直接经济产值进行了评估 2 2 1 1 2 3 1 。 对于遥感影像的信息提取及城市绿地信息提取，国内学者也做了大量的研 究。陈永富等采用面向对象的信息提取技术，研究了退耕还林的遥感特征提取 技术1 2 4 l 。蒲智等应用面向对象的多尺度分割技术，对乌鲁木齐市的城市绿地进 行了信息提取嘲。郑光等利用亮度指数和垂直植被指数，对南京市的e t m + 遥 感影像进行了城市绿地动态分析【硐。徐涵秋等采用遥感影像融合算法对厦门市 的植被变化进行了遥感动态分析1 2 7 1 。车生泉等利用t m 数据和s p o t 数据对上 海外环线内城市绿地景观进行了分类研列2 8 l 。李宝华等运用遥感和g i s 技术， 对开封市绿地信息进行了提取研究。郭程轩等对广州的城市绿地从宏观和微 观两方面进行研究，实现了对城市绿地的信息提取和精度分析【1 9 1 。 1 4 研究内容 论文的主要结构如下：第一章首先介绍了遥感及城市遥感的发展情况，并 阐述了本文的研究背景及意义；第二章主要对城市绿地的遥感调查情况进行研 究，分析了城市绿地特点，植物光谱特征等，并对影像提取当中的各类植被指 数作了分析，在本文中主要采用传统的n d v i ( 归一化差植被指数) 进行研究， 可取得较好的效果；第三章主要研究了在遥感影像分类中常用到的监督分类及 非监督分类方法，同时引入了针对混合象元信息提取的模糊c 均值聚类( f c m ， f u z z yc - m e a n s ) 方法；并对e t m 影像进行了预处理；第四章以上海市为例， 详细介绍采用监督分类、非监督分类及模糊c 均值聚类方法对上海城市绿地信 息的提取，并以普陀区为例，对上述三种方法进行了比较分析，发现针对混合 像元的f c m 方法在绿地信息提取中总体效果优于监督分类和非监督分类，根据 7 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 分类结果对上海城市绿地的发展情况进行了一定的分析评估；第五章介绍了本 论文研究方法以及还存在的问题，并讨论了本研究方法的发展方向。 1 5 技术路线 遥感图像解译，即为从遥感影像上获取目标地物信息的过程。一般分为两 种：一种是目视解译，一种是遥感影像计算机解译。目视解译，又称目视判读， 是指专业人员通过直接观察或借助辅助判读仪器在遥感影像上获取特定目标地 物信息的过程。计算机解译，是指以计算机系统为支撑环境，根据遥感影像中 目标地物的各种影像特征( 如光谱特征，纹理特征、形状特征和空间特征等) ， 实现对遥感影像的分类提取【1 1 而在对遥感影像的研究和应用中，人们往往仅对影像中的某些部分感兴趣。 这些部分称为目标( 其他部分称为背景) ，它们一般对应遥感影像中特定的、具 有独特性质的区域，为了辨识和分析影像中的目标，需要将它们从图像中分离 提取出来，在此基础上才有可能对目标进行检测和识别，才能对图像进行分析 和理解i 蚓。遥感影像分类提取就是把影像分成各具特性的区域，并利用影像信 息中部分特征提取影像中若干感兴趣目标的技术和过程。地物分类依据的图像 特征一般包括光谱特征，纹理特征、形状特征和空间特征等( 空间特征主要指 地物间的拓扑邻接特征1 3 2 j ) 。 总的来说。对于遥感影像城市绿地信息的提取研究主要以面向像元的、根 据光谱特征的提取方法为主。一般首先根据遥感影像选择处理软件，然后对影 像进行预处理，接下来结合g i s 技术，对影像进行信息提取，建立专题数据库 或者制作专题图，为城市规划提供参考。在本论文中，针对本次实验所采用的 2 0 0 3 年上海市e t m 遥感影像，首先采用传统的、基于纯像元的遥感图像分类 方法：监督分类和非监督分类，即根据地物的光谱信息特征进行影像分类提取 ( 同类地物像元的特征向量将集群在同一特征空间区域，而不同的地物其光谱 信息特征或空间信息特征将不同) ；然后采用针对混合像元的模糊c 均值聚类 方法，对上海城市绿地信息进行提取分析，技术路线如下： 8 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 1 6 论文特色 图1 1 技术路线图 以往多光谱图像分类技术认为一个像素仅仅保护某一类地面目标的信息， 这种像素称为纯像素( p u r ep i x e l ) ，当某个像素位于某一类区域内部时这样的假 设是正确的。但对于位于多类地物交界处的像元或纹理区域内的像元，一个像 元往往包含有多类地面目标的信息，这种像素称为混合像元( m i x e dp i x e l ) 。在 实际应用过程中，混合像元是客观存在的f 删。 遥感对地物的探测是以像元为单位，利用光子探测器或热探测器检测地物 对特定波长( 频率) 的电磁波的作用结果。像元除了有一定的光谱参量外，还表 征了地物的空间分布，即具有一定的面积。事实上，遥感影像中像元很少是由 单一均匀的地表覆盖类型组成的，一般都是几种地物的混合体，遥感影像中混 合像元数目的多少很大程度上由遥感影像成像的空间分辨率以及不同的地表对 象决定。早在1 9 8 5 年i r o n s 等就指出l a n d s a t t m 专题图影像中，水体中混 合像元出现的可能性为2 9 6 ，草地为6 8 3 。尤其是中低分辨率的遥感影像 ( 如n o a a a v h r r ，s p o t v g t ，t e r r a m o d i s 等) ，混合像元出现的几率 更大【叫。 因此，混合像元问题目前是影响遥感影像分类精度的主要原因之一。遥感 9 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 影像中像元的光谱特征通常都是几种地物光谱特征的混合反映【6 ，不同地物具 有不同的辐射特性，故混合像元的辐射特性与任何典型像元的辐射特性都不相 同，从而使这个像元不属于任何典型地物，而是介于各典型地物之间，这给遥 感解译造成困扰【6 2 l 。根据地物光谱特性进行分类时，典型像元则易于判别，而 混合像元无论直接归属到哪一类地物，都不完全正确，因为它至少不完全属于 这种典型地物。 聚类就是按照事物间的相似性进行区分和分类的过程。传统的聚类分析是 一种硬划分，它把每个待辨识的对象严格地划分到某个类中，具有非此即彼的 性质，因此这种分类的类别界限是分明的。然而，在现实生活中许多事物之间 的界限可能是模糊的、不清晰的，一个事物可能以不同的隶属度隶属于两个或 更多的类别，并没有严格的属性，它们在形态和类别方面存在着中介性。因此， 引入“模糊概念”，研究就由硬性的定性，变为对事物属性的定量描述，这种方 式会使问题的描述更贴近实际问题。 遥感信息的不确定性和混合像元问题使部分像元很难进行非此即彼的划 分遥感影像数据所反映的大多数地物在形态和类别方面存在着中介性，没有 确定的边界来区分它们。因此只能考虑各个像元属于各个类别的隶属度问题， 进行模糊划分，从而才能更好地区分不同的地物类别【6 4 l 。 在本论文中，针对遥感影像中的混合像元，引入了目前最流行的模糊c 均 值聚类方法，通过计算数据和聚类中心在遥感图像特征空间的距离来确定混合 像元对于某类地物的隶属度，它是结合模糊集理论和k 均值聚类方法而提出来 的适合进行软划分的模糊聚类分析方法【6 5 1 。f c m 是一种非监督的模糊聚类方 法，在实现过程中不需要人为的干预，对于遥感影像中存在的模糊性和不确定 性，能较好的根据隶属度对混合像元加以判别，这对于反应地物的实际情况， 能得到更加准确的效果。 1 0 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 第二章遥感在城市绿地调查中的应用 随着城市规模的不断扩大，自然环境正受到越来越严重的破坏，特别是大 量的植被被高楼大厦取代，导致原有的生态系统严重失衡。而植被是环境的天 然调节器，因此，无论在新城区还是老城区，绿化都显得尤其重要。对于土地 资源极为珍贵的特大城市来说，良好的绿地规划方案可以有效地提高绿化生态 环境效益。 另一方面，随着社会和经济的发展，城市化步伐在不断加快，城市规模日 渐扩大，因此，城市正面临着一系列的生态和环境问题，例如城市热岛效应， 厄尔尼诺现象，沙尘暴，台风等。为了解决这些问题，人们逐渐发现城市绿地 对城市生态环境的改善有着不可替代的功效，为此，许多国家将城市绿化制定 为城市可持续发展战略的一个重要内容，并将城市绿地作为衡量城市综合质量 的重要指标之一。 2 1 城市绿地的概念 所谓“绿地”，辞海释义为“配合环境创造自然条件，适合种植乔木、 灌木和草本植物而形成一定范围的绿化地面或区域”，或指“凡是生长植物的土 地、不论是自然植被或人工栽培的，包括农林牧生产用地及园林用地，均可称 为绿地。它包含了以下几层含义：( 1 ) 由树木花草等植物生长形成的绿色地块， 如森林、花园、草地等；( 2 ) 植物生长占大部分的地块，如城市共有、自然风 景保护区等；( 3 ) 农业生产用地。而城市绿地则可以理解为位于城市范围内( 包 括城区和郊区) 的绿地。由于我国建国以来一直延用原苏联的绿地概念，所以 我国许多城市规划赋予城市绿地的含义只是前两个方面，即狭义城市绿地，也 就是一些专家提出的“城市绿化用地”或“城市园林用地”1 4 ”。车生泉等学者 【驾】认为城市绿地是城市的一种景观，他将城市绿地定义为：“城市绿地是城市中 保持着自然景观，或自然景观得到恢复的地域，是城市自然景观和人文景观的 综合体现，是城市中最能体现生态性的生态空间( e c o l o g i c a ls p a c e ) ，是构成 城市景观的重要组成部分。其功能上具有改善城市生态环境、维持城市生态平 衡或提供休憩活动的场所、营造城市景观风貌和城市景观文化的作用。在结构 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 上为人工设计的植物景观、自然植物景观或半自然植物景观。包括城市区域内 的各类公园、居住区绿地、单位绿地、道路绿化、牧地、农地、林地、生产防 护绿地、风景名胜区、植物覆盖较好的城市待用地。此定义从结构、功能、类 别方面较好的概括了城市绿地的概念。 各国的法律规范和学术研究对绿地( g r e e ns p a c e ) 的定义和范围也有着各 自的解释，西方城市规划概念中一般不提城市绿地，而表述为“开敞空间( o p e n s p a c e ) ”。英国的公共开敞空间定义为：“所有具有确定的及不受限制的公共通 路并能用开敞空间制度加以分类而不论其所有权如何的公共公园、共有地、杂 草丛生的荒地以及林地”p 1 1 。美国的开敞空间定义为：“城市内一些保持着自然 景观的地域，或者自然景观得到恢复的地域，也就是游憩地、保护地、风景区 或者为调节城市建设而预留下来的土地，城市中尚未建设的土地并不都是开敞 空间，城市绿地有：娱乐价值、自然资源保护价值、历史文化价值、风景价值” 日本的高原荣重把开敞空间定义为“游憩活动，生活环境，保护步行者安全， 及整顿市容等具有公共需要的土地、水、大气为主的非建筑用空问且能保证永 久性的空间，不论其所有权属个人或集体”。波兰学者认为：。开敞空间一方面 指比较开阔、较少封闭和空间限定因素较少的空间，另一方面指向大众敞开的 为多数民众服务的空间，不仅指公园、绿地这些园林景观，而且是城市的街道、 广场、巷弄、庭院等都在其内”湖。 城市森林是城市化进程中应运而生的一个新概念。1 9 6 2 年，美国肯尼迪政 府在户外娱乐资源调查报告中，首次使用“城市森林( u r b a nf o r e s t ) ”这一名 词，从此以后，北美、欧洲及至全球掀起了城市森林的研究热潮1 3 6 1 。国外对城 市森林的概念有着不同的定义，其中以美国学者m i l l e r 和美国林业工作者协会 对城市森林所作出的定义较具有代表性，m i l l e r 认为：城市森林是人类密集居 住区内及周围所有植被的总和，这个范围涉及市郊小社区直到大都市。美国林 业工作者协会则认为：城市森林是森林的一个分支，是一门研究潜在的生理、 社会和经济福利学的城市学，目标是城市树木的栽培和管理，任务是综合设计 城市树木和有关植物以及培训市民，在广义上，城市森林包括城市水域、野生 动物栖息地、户外娱乐场所、园林设计、城市污水再循环、树木管理和木质纤 维的生产1 3 7 1 。我国学者也对城市森林开展了广泛的研究，不同学者从不同的角 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 度、不同的侧重点给城市森林下过不同的定义，但由于研究角度的不同，对城 市森林的定义及其与城市绿地的关系有很大的差异。城市绿地与城市森林、城 市绿地系统、城市林业等相关概念的界定仍然较为混乱，在学术界未能形成一 个共识，城市绿地至今还没有一个公认的、统一的概念。城市绿地的划分种类 较多，没有统一的标准，各地城市的绿地分类差别较大，已严重影响了整体绿 化的管理进程，为此，国家建设部出台颁布了城市绿地分类标准 ( c j j t 8 5 - 2 0 0 2 ) ，将城市绿地定义为哪l ：以自然植被和人工植被为主要存在形 态的城市用地，并将城市绿地划分为公园绿地、生产绿地、防护绿地、附属绿 地和其他绿地五大类，1 3 个中类和1 1 个小类( 中华人民共和国行业标准，2 0 0 2 ) 。 它包括两个层次的内容：一是城市建设用地范围内用于绿化的土地；二是城市 建设用地之外，对城市生态、景观和居民休闲生活具有积极作用、绿化环境较 好的区域。这个定义不论从内涵还是外延上都包含了。城市森林”。 综上所述，本文认为城市绿地是存在于城市( 包括郊区) 中的以改善城市 生态环境、维持城市生态平衡、促进人类健康、提高文化生活水平为主要目的， 能提供人们游憩活动场所的所有的自然景观或自然景观恢复的地域及其相关的 人文景观的总称，城市森林是城市绿地的一部分。城市绿地系统是包括城市( 包 括郊区) 范围内对改善城市生态环境和城市生活具有直接影响的所有绿地及其 相关植被，它们之间相互联系、相互作用的一个绿色的有机整体。 2 2 城市绿地的光谱特征及植被影像特征 与其他物体相比较，各类植被具有极为相似的反射波谱特征，原因是一般 植物都具有光合作用1 2 1 。健康植被的反射波谱具有以下明显特征：在可见光 0 5 s u m 附近有一个反射率为1 0 一2 0 的小反射峰；在0 4 s u m 和0 6 5 u m 附近 有两个明显的吸收谷；在0 7 - - 0 8 u m 是一个陡坡，反射率急剧增高。在近红外 波段0 弘1 3 u m 之间形成一个高的，反射率可达4 0 或更大的反射峰；在 1 4 s u m 。1 9 5 u m 和2 6 - 2 7 u m 处有三个吸收谷【1 i 。 在不同植物的光谱曲线中，反射率涨落最大的是0 8 1 1 u m 的近红外区。 对于不同的植物种类而言，一般阔叶乔、灌木和草地在该波段具有较高的反射 率，而针叶树的反射率也会有1 0 2 0 的涨落，一般春末夏初反射较高，而秋 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 季较低。此外植物的健康程度也会在近红外波段有所显示，对于同一种植物而 言，受环境污染及病虫害等影响的反射率较低，健康植物的反射率较高。 图2 1 几种植物的光谱曲线 城市植物以人工绿化群落为主，与天然植物群落相比，城市植物群落具有 如下特征：第一，分布不均匀。一般公园及花园内较多，科教文卫单位及新居 住区次之，工厂及老式居住区较少；第二，图案较规则。城市中植物的分布形 式一般只有片栽( 公园、花园等) ，点栽( 单株树等) 等少数几种；第三，人工修剪 较普遍。考虑到美观、通视等原因，城市中的部分植物需经常进行人工修剪； 第四，单位绿地面积内栽种密度大、种类较多。由于城市土地利用紧张，所以 绿地的复层率一般较高，成片的绿地也多采用乔、灌、花、草多层结构；另外 考虑图案、色彩组合美观等要求，植物的种类也比较多。在彩红外航片上，由 于植被显示为醒目的红色调，极易与其他地物相区别；此外，根据乔、灌、花、 草的规则人工组合图案也容易将城市绿地与城郊菜地等相区别【3 j 。 2 3 主要植被指数类型及应用 在遥感应用领域，植被指数己广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其生长 活力。由于植被光谱表现为植被、土壤亮度、环境影响、阴影、土壤颜色和湿 度复杂混合反应，而且受大气空间时相变化的影响，因此植被指数没有一 个普遍的值，其研究常表现为不同的值1 3 9 1 。研究结果表明，利用在轨卫星的红 光和红外波段的不同组合进行植被研究非常好，这些波段在气象卫星和地球观 测卫星上都普遍存在，并包含9 0 以上的植被信息，这些波段间的不同组合方 式被统称为植被指数。植被指数有助于增强遥感影像的解译力，并已作为一种 1 4 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 遥感手段广泛应用于土地利用覆盖探测、植被覆盖密度评价、作物识别和作物 预报等方面，并在专题制图方面增强了分类能力【帅l 。植被指数还可用来诊断植 被一系列生物物理参量：叶面积指数( u 址k a fa r e ai n d e x ) ，植被覆盖率、生 物量、光合有效辐射吸收系数( f a p a r , t h ef r a c t i o n o fa b s o r b e d p h o t o s y n t h e t i c a l l ya c t i v er a d i a t i o n ) 等；反过来又可用来分析植被生长过程：净 初级生产力( n p p ：n e t p r m a r y p r o d u c t i v i t y ) 和蒸散( 蒸腾) 等。 植被指数随着遥感技术的发展也日益改进。从最早期由经验方法发展而来 的单纯基于波段的线性组合( 差或和) 或原始波段的比值( 如r v i , r a t i o v e g e t a t i o ni n d e x ) ；到中期综合考虑了电磁波辐射、大气、植被覆盖和土壤背景 等，通过数学和物理及逻辑经验以及通过模拟将原始植被指数不断改进而来( 如 p v l p e r p e n d i c u l a rv e g e t a t i o ni n d e x 、s a v i ，s o i la d j u s t e dv e g e t a t i o ni n d e x 、a v i , a g r i c u l t u r ev e g e t a t i o ni n d e x 、n d v i ，n o r m a l i z e dd i f f e r e n c ev e g e t a t i o ni n d e x 等) ； 直到现在针对高光谱遥感及热红外遥感而发展的植被指数( 如d v l , d i f f e r e n c e v e g e t a t i o ni n d e x 、p r i , p h y s i o l o g i c a lr e f l e c t a n c ei n d e x 等) 1 3 j o 最早出现的比值植被指数( r v i ) 虽然便于估算和监测植被，但对大气影响 敏感，而且当植被覆盖不够浓密时( 小于5 0 ) ，它的分辨能力较弱。农业植被指 数( a v d 主要针对作物生长阶段测量绿色植被；多时相植被指数( m t v i ) ，将两个 不同日期的数值简单相减，可以观测获得两个日期植被覆盖条件的变化和作物类 型的分类，并可用来探测由于火灾和土地流失造成的森林覆盖变化。归一化差异 绿度指数( n d g i ) 。可用来对不同活力植被形式进行检验。归一化差异指数( n d i ) 建立了光谱反射率和棉花作物残余物的表面覆盖率的关系，以用来对作物残余物 的制图。归一化差异植被指数( n d v l ) 对绿色植被表现敏感，该指数常被用来进 行区域和全球的植被状态研究。对低密度植被覆盖，n d v i 对于观测和照明几何非 常敏感。但在植被生长的初始季节，将过高估计植被覆盖的百分比；在植被生长 的结束季节，将产生估计低值。将各波段反射率以不同形式进行组合可以消除外 在的影响因素，如遥感器定标、大气、观测和照明几何条件等。通过这些线性组 合或波段比值的指数能够满足特定的遥感应用，如作物产量、森林开发、植被管 理和探测等【3 9 1 。 尽管许多新的植被指数综合考虑了土壤、大气等多种因素并得到发展，但 1 5 华东师范大学2 0 0 7 届硕士论文 目前n d v i ( 归一化差值植被指数) 还是应用最为广泛的一种植被指数1 4 1 1 ，并常 被用来作为参考，评价新的植被指数。在本文中也采用n d v i 植被指数进行研究。 2 4 基于遥感的城市绿地研究内容 城市绿地是一个具有系统性、整体性、连续性、动态稳定性、多功能性、 地域性等特征的城市生态系统的子系纠4 6 l ，是由城市中不同类型、性质和规模 的各种绿地共同构成的一个稳定持久的城市绿色环境体系【明，它对城市居民的 生活质量、工农业生产、城市景观等起着举足轻重的影响。因此，城市绿地系 统状况己成为衡量城市文明和城市现代化的重要标志【咽。根据我国建设部规定， 城市绿化规划指标包括人均公共绿地面积、城市绿化覆盖率和城市绿地率。人 均公共绿地面积指市民平均可分享的公共绿地面积，即每人平均可拥有的公共 绿地面积( 单位：m 2