（地图学与地理信息系统专业论文）城市地物反射波谱分类及其通道窗口研究.pdf

摘要 城市地物波谱研究是遥感技术的重要部分。由于城市地物波谱特征、城市遥 感所需的光谱分辨率等相关信息的缺乏，城市遥感应用受到了阻碍。因此深入研 究城市典型地物波谱，对提高城市遥感技术的理论、应用有十分重要的意义。本 文以上海市为例，基于实测数值，进行两方面的研究：城市典型地物反射波谱分 类，城市遥感通道窗口。论文得出了一定的结论。并且从方法上为城市遥感定量 研究提供了一种新的途径。 在分类研究中，论文采用自组织神经网络对城市典型地物反射波谱进行了分 类，最终将研究波谱分为1 6 类；并且以光谱角余弦值作为相似度定量指标，用 分类结果来分析城市典型地物。研究对分类结果进行了类型概括归纳，提出t j l 种参考类型，同时分析了城市地物之间的可分性、反射波谱特征、以及在遥感响 应特点。 在通道窗口研究中，论文选择从信息量角度进行出发，提取适宜于城市遥感 的通道窗口。针对原始波谱中各个光谱波段，首先采用波谱曲线一阶导数、相关 系数矩阵分析各光谱波段在表达反射信息上的相似性、相关性。然后用系统聚类 法对光谱波段进行聚类，认为每一个类可以对应一个通道窗口，一系列连续的窗 口构成一个通道组。最后依据信息差提取出恰当的通道组，即2 5 、5 0 、1 0 0 个通 道窗口三组划分。按照这三组通道窗口，分别对原始波谱进行重采样，得到了新 的光谱分辨率下的波谱，根据新波谱对通道窗口划分方法和通道窗口进行了检 验。总波段熵、总波谱熵、平均相关系数、信息差四个度量的检验证明5 0 、1 0 0 通道组优于常见的高光谱通道。通过神经网络分类，证明2 5 通道下的新波谱保 斟了城市地物的反射特征和地物之间的基本可分性。由此得出结论，2 5 通道组 窗口及划分方法，可以作为高维数据压缩的基础和传感器通道设计的参考。 关键词：城市地物，反射波谱、神经网络分类、通道窗口 v a b s t r a c t r e f l e c t a n c es p e c t r o s c p yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nr e m o t es e n s i n g g i v e nt h eh i g h d e g r e eo fs p a t i a la n ds p e c t r a lh e t e r o g e n e i t yo fa n dw i t h i nv a r i o u sa r t i f i c i a la n dn a t u r a ll a n d c o v e r c a t e g o r i e s ，t h ea p p l i c a t i o n o fr e m o t es e n s i n g t e c h n o l o g y t o m a p p i n gt h e u r b a n e n v i r o n m e n tr e q u i r e s s p e c i f i c a t t e n t i o nt ot h e s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e s p e c t r a l d i m e n s i o no fn r b a ns u r f a c e s i nt h i ss t u d y , t h ea c c u r a t er e f l e c t a n c es p e c t r ao fu r b a nt a r g e t sa mc o l l e c t e dw i t hg r o u n d s p e e t r o r a d i o m e t e r c o v e r i n gaw i d ev a r i e t yo fm a t e r i a l sf r o m4 0 0t o9 0 0 a mw i t hp r e c i s e s p e c t r a ls a m p l i n g - l a v e s t i g a t i o no fp u r eu r b a nr e f l e c t a n c es p e c t r ai sc a r r i e dt oa c q u i r et h e i r s p e c t r a lp r o p e r t i e sa n ds e p a r a b i l i t y , a n dt of i n dt h e m o s ts u i t a b l es p e c t r a lb a n d sw i n d o wf o r f u r t h e rn r b a nr e m o t es e n s i n g u s i n gs e l f - o r g a n i z i n gc o m p e t i t i o nn e u r a ln e t w o r k ( s c n n ) ，t h eu r b a ns p e c t r u m sa r e c l a s s i f i e dt os i x t e e nc a t e g o r i e s a n dt h es p e c t r a la n g l ec o s i n e ( s a c ) r e t u r n sas c a l a rv a l u e b a s e do ns o m en o t i o no fs i m i l a r i t yf o ra n yt w os p e c t r u m s b a s e do nt h ec l a s s i f i e dr e s u l ta n d s a c v a l u e ，t h ep a p e r d i s c u s s e dt h es p e c t r a lp r o p e r t i e so f e a c hc a t e g o r ya n ds u m m a r i z e dt h e p o t e n t i a lt y p e si nc l a s s i f i e d - r e s u l lf i n a l l y , s o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sa b o u tu r b a ns p e c t r a a r cp r e s e n t e d ，a n dg e n e r a la d v i c e sf o ru r b a nr e m o t e s e n s i n g a r ea l s og i v e ni nt h e p a p e r f r o mt h ep o i n to f i n f o r m a t i o n i n v e s t i g a t i o ni sp r o c e s s e dt of i n dt h ep o t e n t i a lf i n eb a n d s w i n d o wf o rr e m o t es e n s i n go fu r b a nm a t e r i a l s f i r s t s p e c t r a ld e r i v a t i v e ，c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n tm a t r i xa r eu s e dt oa n a l y z et h es t m i t s r i t ya n dr e l a t i v i t ya m o n gs p e c t r a lw a v e s t h e n ，t h em e t h o do fc l u s t e r i n gt oo b t a i np o t e n t i a lf i n eb a n d s i sp r o p o s e do nt h ef o u n d a t i o n o f s i m i l a r i t ya n dr e l a t i v i t y f i n a l l y , t h er a n g e f r o m4 0 0 d i nt o9 0 0 a mi sd i v i d e dt ot h r e ek i n d s o fb a n d s ，t h a ti s2 5 , 5 0a n d1 0 0b a n d s ，t h ee v a l u a t i o nf r o mi n f o r m a t i o nc o n t e n ts h o w st h e d i v i s i o n so f5 0a n d1 0 0b a n d sa r eb e t t e rt h a nt h eu s u a lh i g hs p e c t r a lb a n d s s oi tp r o v e s ，t o s o m ee x t e n t , t h eb a n d s - d i v i s i o nm e t h o di sr a t i o n a l i t y i na d d i t i o n ，t h ec l a s s i f i c a t i o no fn e w s p e c t r ar e s a m p l e db y2 5b a n d sw i n d o ws h o w st h a t n e ws p e c t r ah o l d i n gm a i ns p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c sc a l lb a s i e a n yi d e n t i f yu r b a nt a r g e t s s o2 5b a n d sc a nb ep r o v i d e da sb a s i c b a n d sf o rl a t e ru r b a nr e m o t es e n s i n g a sar e s u l t ，a l lt h ew o r k s m a i n l ya i mt op r o v i d e bm o r e c o m p r e h e n s i v ek n o w l e d g eb a s ef o r a p p l y i n gr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y t ou r b a n a p p l i c a t i o n k e yw o r d ：u r b a n t a r g e t s , r e f l e c t a n c es p e c t r a ，s c n n c l a s s i f i c a t i o n ，b a n d sw i n d o w v 童蝰毯硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 华东师范大学 梅安新教授主席 地理系 华东师范大学 徐建华教授 地理系 华东师范大学 应龙根教授 地理系 v 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客外，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。 作者签名：童绝丛日期：巡： 学位论文授权使用声明 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 予版和纸质版。有权梅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。有权将学位论文昀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：辛魄敏导师签名： 日期：垃：5 i i l 忽 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 城市地物反射波潜分类及苴通道窗口研究 1 引言 1 1 研究背景 地物具有反射、吸收、发射电磁波的特征，并且这些特征随着电磁波波长变化而变化： 地物波谱研究就是关于地物反射、吸收、发射电磁波的能力与特征的研究，其中以反射太阳 辐射的波谱研究为主。 地物波谱研究是遥感理论与应用技术的基础，定量遥感对地物反射波谱研究有着更高的 要求。它既是传感器波段通道选择和设计依据，又是遥感数据大气纠正、数据分析解译、信 息反演的必要信息。研究地物反射波谱曲线主要有三种作用：是有效进行遥感图像处理的前 提之一，是用户判读、识别、分析遥感影像的基础；是选择遥感波段谱、设计遥感仪器的依 据：在外业测量中，它是选择合适的飞行时间和飞行方向的基础资料。 随着城市规模的不断增大、城市用地结构日益变迁，城市遥感越来越重要。城市下垫面， 除自然地表( 河流、湖泊、草地等) 之外，还包括了大量的不同年代、材料、成分的人工建 筑物，如：屋顶、道路、人行道、停车场，人工绿地等其它城市类型。它们的光谱多样性远 远超过自然环境，城市下垫面的复杂性及其特征波谱绘城市遥感带来了挑战。由于城市地物 波谱特征和区分城市地物所需光谱分辨率等相关信息缺乏城市遥感应用受到了阻碍l2 1 。深 入研究城市典型地物波谱特性( 反射特征是其重要内容) ，对提高城市遥感技术的理论、应 用水平有着十分重要的意义。 目前，地物波谱特性研究的主流方向是：定量的测量、分析和系统研究地物波谱特征， 以便深入认识地物波谱的内在客观整体规律性；研究影响和决定地物波谱特性的因素、条件 和过程的机制和机理：研究定量提取地物波谱特征和相关遥感信息的原理和方法。 在博士点基金课题“g i s 支持下大气遥感数字图像的生成与大气质量监测研究”中，利 用卫星影像反演地面反射率是其重要环节，因此进行了户外地物反射波谱采集。在这些数据 的支持下，本文以上海市为例，进行了城市典型城市地物反射波谱分类及通道窗口两方面研 究。 1 2 国内外研究现状 国内外对地物波谱的研究已经有了一定的基础。自1 9 4 8 年原苏联的克里诺夫出版了有 关地物波谱特性研究的书以来，人们开展了大量的地物波谱特性研究。2 0 世纪6 0 年代美国 为发射地球资源卫星曾全面地开展了地物波谱特性研究，美国科学家h u n t ，s a l i s b u r y 领导 的试验室，从2 0 世纪6 0 年代开始对岩浆岩、沉积岩、和变质岩三大岩类中不同矿物组合波 谱特征系统进行了测试和研究，7 0 年代该项研究进入高潮。8 0 年代我国李小文建立了几何一 光学模型反演遥感二向反射，探索光学遥感信息机理。中国科学家重庆禧等人，经过多年的 积累在1 9 9 0 年出版了中国典型地物波谱及其特征分析。近来，植被光谱和生物地球化学、 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 城市地物反射波谱分类及其通道窗口研究 叶片光谱与微量元素之间的关系是研究热点之一眠 随着遥感应用的深入，特别是高光谱遥感提供了大量的地物波谱信息，不仅显示了地物 波谱特性研究的重要性，而且也推动了这一领域的研究。目前地物波谱特性研究的波段基本 覆盖了遥感所使用的波段，测量和研究的对象包括了自然赛的植被、土壤、岩石、水体和人 工建筑等地物。这些研究对认识遥感成像机理、遥感图像解译、计算机分类、遥感仪器最佳 波段选择和遥感仪器研制等起到了推动作用1 4 】。 从目前地物波谱研究的内容来看，主要包括了：针对某种地物类型，试图提取单种波谱 类型的特征，分析其光谱特征与物理化学构成之间的关系，或者是进行地物类型识别方法的 研究；针对几种地物类型，对比它们的光谱特征、评价物质类型和地面覆盖类型之间的光谱 可分性；根据对光谱反差的贡献率，进行波谱区间排序，挑选出最佳波段区间等| 5 j 。这类研 究中采用的数据来源主要为：从影像提取和实地测量获得。 其中以单种地物类型波谱的研究较多，并且偏重于以植被、水体、岩石为实例。张昭贵 丁树柏等( 】9 9 7 ) 对塔里木翁地塔北地区植被反射波谱特征的研究表明，油气区与非油气区 相比，同类植被的反射率明显偏低，其差值可达2 0 ：同时还表现出一定的蓝移和吸收蜂深 度的差异：油气区的植被病变可导致反射峰的消失嘲。刘华根、杨树峰等( 1 9 9 7 ) 选择了广 东早古生代耐类花岗岩为研究对象，测定并分析了两类花岗岩及其围岩的反射光谱特征，并 且依据它们光谱特性差异确定了相应的遥感图像处理的技术和方法1 7 l 。马建文( 1 9 9 9 ) 研究 了植被光谱和生物地球化学的关系，进行叶片光谱与微量元素之间的相关性分析和一阶导数 光谱分析【3 】o a t i o nk a m i e l i ，g i o r aj k i d r o n ( 1 9 9 9 ) 分析了半于旱地区土壤的波谱特征，得 出了土壤波谱与土壤生物成分、化学成分、水分之间变化的关系j 。王建，陈子丹( 2 0 0 0 ) 通过对中分辨率成像光谱仪图像2 6 个连续波段的同名点进行采样，获得从可见光到红外光 的一个完整的积雪反射特征系列，对比分析了图像积雪反射特性与同类积雪实测反射特征 9 1 。姚国清( 2 0 0 1 ) 成功应用了二阶b p 神经网络技术对3 1 个波段的成像光谱数据进行监 督分类，识别出岩石矿物【i o l 。谭倩( 2 0 0 1 ) 进行了波谱特征定量提取研究，通过分析大量野 外植被高波谱曲线，选择了s 个光谱特征位置，并由它们衍生出了一一系列特征参量i i “。 m i m s l a w d a r e c k i ，a l i s o nw e e k s ( 2 0 0 3 ) 研究了两种类型海水，通过比较水体中叶绿素含量 不同时的波谱特征，提出了适合提取叶绿素特征的波段比率，认为不同的海域需要独立建立 提取叶绿素的波谱比率组合【1 2 1 。张振飞，胡光道，杨明国( 2 0 0 3 ) 设计了一种基于m o n t e c a r l o 抽样进化机制的c h c 遗传算法对野外实测岩性波谱数据的岩性进行判别，应用于云南北衙 金矿蚀变岩的识别。w gr e e s ，o v t u t u b a l i n a ( 2 0 0 4 ) 对比了4 0 0 到2 4 0 0 纳米之间三 种苔藓的高光谱特征，采用了窗口平滑、聚类分析、主成分分析等方法处理数据，研究表明 苔藓的波谱特征与典型植被的波谱特征不同，水分含量对苔藓波谱特征影响不大，可见光波 段表达了苔藓的主要信剧。王海平张彤( 2 0 0 4 ) 以e t m 为输入量，野外测量波谱为目 标，训练人工神经网络，实现了应用b p 网络滇西红山区进行找矿试验，取得了好的效果”。 也有部分研究涉及定量提取单种地物波谱特征。刘建明，陈建平( 1 9 9 5 ) 从视觉角度介 2 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 城市地物反射波谱分类及其通道窗口研究 绍了一种将复杂的原始波谱曲线简化成简单指数的思路和方法，通过波源的刺激值矩阵和对 波谱的采样，得出两个波谱系数、波谱主波长、饱和度四个波谱指数f 埯 。在超维特征空间挖 掘地物的光谱信息方面，王晋年、张兵等( 1 9 9 9 ) 采用数据挖掘技术，初步探讨以地物识别 与分类为目标的高光谱数据挖掘的几种方法，包括基于模式识别的高光谱信息挖掘技术，基 于光谱波形特征的挖掘技术，如光谱吸收指数s a i 、导数光谱波形匹配技术，光谱角相似度 测定，以及亚像元光谱信息挖掘7 j 。 近年来在多种地物波谱特征及其可分性，波段通道选择方面也有不少研究。陈光明 ( 1 9 9 1 ) 通过野外实地测试，对土壤、植物、水体、岩石这四种主要地物的波谱特性进行了 探讨，并对其它地物的波谱特性随不同测试条件的改变作了对比分析，得出了定性的结论【1 8 1 。 j o h nc p r i c e ( 1 9 9 8 ) 从4 5 幅高光谱影像中采用波段选择程序抽取了1 4 0 0 0 条波谱，在先验知 识前提下找出足够取分5 种基本地物的5 个波段，2 0 个几乎包括所有信息的波段f 憎l 。姜小 光，唐伶俐( 2 0 0 2 ) 以北京顺义区高光谱数据为例，分析了高光谱数据各个通道间的相关性 和高光谱数据的光谱信息特征，提出了面向对象的分层多次选择最佳波段和提取特征参数的 基本思路和方法，最后用其它地区的成像光谱数据对此方法进行了验证【2 0 1 。罗音，舒宁( 2 0 0 2 ) 以武昌地区和鄱阳湖地区为例，分析了各通道的标准差、亮度差以及各通道问的相关性，解 释了信息熵、联合熵的概念，并将其用于最佳波段的选择【2 1 1 。林辉，唐代生( 2 0 0 3 ) 等以航 空像片和t m 影像作为信息源，以波段为横坐标，灰阶作为纵坐标，作出各类地物的灰阶曲 线，从而得到地物波谱曲线，对各地类的波谱值和波谱特征进行了定性比较1 2 孙。在提取高光 谱数据最佳波段选择方面，杜华强，赵宪文、范文义( 2 0 0 4 ) 使用了分形维数作为高光谱波 段选择的一个指标，考虑了信息的空间结构i z ”。 在这些众多的研究中，针对城市典型地物波谱特征的系统定量研究还不多1 2 j l 。m a r t i n h e r o l d ( 2 0 0 3 ，2 0 0 0 ) 利用b h a t t a c h a r y y a 距离针对3 5 0 - 2 4 0 0 n m 的城市实地测量波谱库进行了 城市物质波谱间的可分性研究，提出了一个用于城市遥感的不连续中心波谱子集，认为常见 的多光谱传感器的光谱通道的位置及宽度只在适用城市地物波谱予集的边缘部分【2 ，5 i 。n i r m a l k e s h a v a ( 2 0 0 0 ) 计算了光谱角、最小欧氏距离，在已知地物类型的前提下，提出了一种基于可 分性的迭代选择波段的方法( b a o ) 【2 钔。h o n g t a od u ( 2 0 0 3 ) 对高光谱数据进行了降维研究， 采用了独立成分分析法( i c a ) ，估计出每个波段对i c a 分解的权重矩阵，对比所有波段绝 对权重矩阵的平均值与部分选择出的能够包含大量信息的波段的权重平均值，进行基于i c a 的波段选择f 2 引。s i m h o pk a e w p i j i t ( 2 0 0 4 ) 利用小波技术对商光谱数据进行波段维数的降维处 理，通过保留低频信息而保留了波谱间的特征区别睇“。 就城市遥感而言，一些重要的问题还未得到很好的解答：各种城市地物的波谱响应有哪 些特征；哪些波段通道适宜予表达城市地物信息、突出地物特征；哪些波段可以使城市地物 得到最好的区别；目前常见的各种传感器对于城市遥感研究有何局限性等等。 因此，本文研究的主要目的在于：在采集城市典型地物反射波谱的基础上，对城市典型 地物反射波谱进行定量研究，从而为城市地物波谱研究提供一种新的途径，同时为城市遥感 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文城市地物反射渡谱分类及其通道窗口研究 提供信息和技术参考。 1 3 研究内容与技术路线 城市地物波谱研究包括了：实验室波谱研究、地面波谱仪实地测量研究、机载星载成像 光谱仪、多光谱扫描仪、高光谱扫描仪等方面的研究。在这些研究中，实地测量研究能够帮 助人们了解地物在自然条件下的光谱响应特征，展开信息挖掘可以获得对分类具有指导性的 反 射 渡 谱 数 据 采 集 波 谱 数 据 预 处 理 波谱神经网络分类 光谱角余弦计算 波谱曲线 一阶导数 分析 光谱相关 系数分析 图1论文技术路线 城市地物渡谱 特征发可分性分析 城市 地物 波谱 通道 划分 光谱知识。论文基于实测城市典型地物反射波谱，对城市地物反射波谱数据进行了“横向” 的波谱可分性分析。“纵向”的通道窗口划分研究。技术路线见图l 。 研究首先建立了城市典型地物波谱采样体系，并在此基础上进行反射波谱采样：对采集 波谱进行数据的初步整理和格式转换，建立了文件体系的城市典型地物波谱库。 然后以m a t l a b 6 5 为分析平台，进一步研究城市典型地物波谱的可分性与通道窗口划分。 从“横向”角度，论文采用了自组织神经网络方法对城市典型地物波谱进行了分类，以 光谱角余弦值为相似度的定量指标，根据分类结果：概括各个类别的样本类型提出参考类型， 分析城市典型地物的反射波谱特征、可分性以及在城市遥感中的响应特点。 从“纵向”角度，针对原始波谱的各个光谱波段，论文用波谱曲线一次导数、相关系数 矩阵来分析各个光谱波段在表达反射信息上的相似性和相关性；在此基础上采用系统聚类法 对光谱波段进行聚类，认为每一个类可以对应一个通道窗1 3 ，一系列连续的窗1 3 构成一个通 道组，然后依据信息蓑提取出适合城市典型地物特征表达的通道组；最后对这种通道窗口花 分方法和所得通道组进行检验。 论文的框架结构共分为五个部分：第一部分，介绍国内外研究现状、研究内容、技术路 线与研究意义：第二部分。城市典型地物采样类型、采样点的确定，地物反射波谱数据预处 理：第三部分，利用自组织神经网络对城市地物反射波谱进行分类，定量研究典型城市地物 之间的可分性及其特征；第四部分，通过波谱曲线一次导数、相关系数分析光谱波段，用聚 4 城市地物波谱采样类型确定 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 城市地物反射波谱分类及其通道窗口研究 类树、信息差异来提取通道窗口，并且从信息量、分类的角度进行检验：第五部分，研究的 总结与展望。 论文进行城市典型地物反射波谱研究的基本前提假设为：城市土地覆盖和城市物质的光 谱具有复杂性，这一基本假设是普遍接受的【”。水蒸气的主要吸收峰在1 4 0 0 h m 、1 9 0 0 h m ， 二氧化碳的则在2 0 0 0 h m 一2 2 0 0 h m 处强吸收，均在论文的研究范围4 0 0 9 0 0 r t m 之外，因此假 设收集到的城市地物反射波谱没有大气损耗。4 0 0 9 0 0 n m 主体上属于人眼的可视范围，人眼 可看作是天然的波谱仪，人眼从多个角度看天然物体，物体的颜色均不变，说明在这一范围 内视场角度对反射波谱信息影响不大，因此论文不考虑地物的方向反射对反射波谱特性的影 响，将所有典型城市地物均假设为均匀朗伯体。 1 4 研究意义及创新 城市典型地物波谱是城市遥感研究的基础，目前对城市地物波谱特征和区分城市地物所 需光谱分辨率等相关信息掌握不多城市遥感应用受到了阻碍。 论文以上海市为例，采用定量的方法，进行两方面研究：研究城市地物反射波谱的特性 和地物之间可分性；从信息量角度提出并实现了针对城市地物的适宜通道窗口的划分。从而 为城市地物波谱研究提供一种新的途径，同时为城市遥感提供信息和技术参考，以扩大城市 遥感应用范围和提高使用精度。 从波谱的角度，研究城市典型地物之间的可分性，将有助子掌握城市地物反射波谱的整 体变化规律、各类典型地物反射波谱的特征，为遥感信息提取奠定基础。例如一些城市地 物在一定光谱分辨率下是不可分，那么它们在更低的光谱分辨率下就很难分离开来，这时就 需要增加更多的信息来提取，而不是仅仅在方法上和光谱分辨率上的改进。这样可以提高城 市遥感技术的使用精度，扩大应用范围。 从波段通道角度，城市遥感应用越来越多，但常见多光谱、商光谱传感器均不是专门针 对城市地物而设计的，因此论文以城市地物波谱为基础，研究适合表达城市地物信息的通道 窗口，可以为城市遥感传感器通道设计、高维数据降维方法提供参考。 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 城市地物反射波潜分类及其通道窗口研究 2 城市典型地物反射波谱数据实地采集 要了解城市地物反射波谱的特点，首先就要采集城市地物反射波谱。城市地物类型多种 多样，不可能收集所有城市地物的反射波谱进行研究。这就要求结合遥感影像的特征，对各 种各样的单个城市地物进行类别划分，从众多类型中选取占主要地位的、具有代表性的城市 地物类型，作为本次研究的城市典型地物采样类型；因为波谱的收集工作是针对单个具体的 城市地物，所以还需确定采样范围、采样点。 上海是中国城市化进程较快的城市之一，城市规模大，城市用地类型复杂多样，因此本 文研究以上海市作为研究的城市背景。结合上海市遥感影像、其他有关城市地物分类研究， 来确定上海市典型地物采样类型，进而针对这些类型确定采样范围和采样点。 2 1 上海市城市典型地物采样类型及采样点确定 基于不同的研究目的和应用范围，不同的学科和领域对城市地物类型的划分不同。上海 市典型地物反射波谱采样类型的确定，其目的是为了：确定收集具有研究意义的数据，使之 能够结合遥感数据为生产、生活服务；为波谱收集具体工作提供参考，并且与具体收集经验 结合，规范城市地物波谱收集工作。这与一般城市研究中土地利用类型划分、遥感影像中的 地物分类系统并不完全一样。 2 1 i 上海市城市典型地物采样类型确定 从两个角度来确定上海市典型地物采集类型，分别是：地物的遥感影像的响应特征，已 有的相关研究应用。 ( 1 ) 基于遥感影像的特征 通常影像获取的是地物顶部信息，即应从城市主要覆盖类型的角度来划分城市典型地物 类型。徐丽华博士对上海市2 0 0 2 年6 月地面分辨率为5 m 的s p o t 5 遥感影像进行的模糊神经 网络分类，认为城市地物类型可以分为：植被、水体、其他城市表面三个大类，其下则可以 分为3 0 个驻类。研究认为：三个大类( 植被、水体、其他城市表面) 可包括全部城市地物类型： 影像中地物的颜色是区剐地物的主要标志之一，因此颜色应该是城市典型地物采样类型体系 中一个考虑因子：在一定空间分辨率下，虽然小面积的单个地物在影像上无法单独识别出， 但是它们对大背景的影像值影响不可忽视，会造成影像值浮动，即混合像元效应，因此小型 地物也应该考虑入城市典型地物采样类型中。 ( 2 ) 从已有的相关应用研究来看 u s g s 波谱数据库中将波谱分为矿物、土壤岩石、覆盖物、液体挥发类、人工物质、植 被微生物六个类型，每个类型下包括了具体的样本【2 9 】。a s t e r 波谱库为三级结构，将波谱分 为共8 个大类：土壤、植被、水雪冰、人工物质、矿物、岩石、陨石、月球物质，每个大类 下面又分为亚类和子类，其中亚类与大类之间存在隶属关系，子类是对大类更细的划分，与 6 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 城市遗物反射波谱分类及其通道窗口研究 亚类之间为不严格的隶属关系，为多对多从属：但是并不是每一个地物样本都能恰好从属于 某亚类或某子类，部分样本仅能归属于大类【2 9 1 。 研究地物波谱的文献中提出了的一些建议分类方案 5 ，1 9 , 2 7 , 30 1 。k s e g l ，s r o e s s n e r 对 城市地表覆盖类型进行了有地理意义的细分类，分类标准兼顾专题特征和光谱特征，提供了 地表覆盖大类型亚类的两级分类，对不同材质的屋顶、路面等城市地物顶提出了用“全密 封开阔地、部分密封开阔地、裸土”的类型表达1 27 1 。m a r t i nh e r o l d ，d a ra r o b e r t s 提供了 四级分类，一级分类代表了主要的土地覆盖类型如：植被、建成物、人工表面、水体、非城 市裸趣：二级分类是对一级分类的细分标准为用途、功能和其他一般特征。第三、四级分 类将第二级的功能用途按照其物质组成、可见光谱特点( 颜色) 进行了细分，体现了城市光 谱的复杂性；第三、四级分类的多样性取决于建筑物的类型、使用时问、社会经济等多个因 素1 5 1 。 由于波谱收集工作是分对问段进行的，因此在不断总结每次收集经验的基础上，借鉴以 上多种分类，建立了分级分类的采样类型体系( 见表1 ) 。 第一级由水体、植被、其他城市地物表蕊三个大类构成。在已有的分类方法中，这三个 类别均作为大类型出现，而影像特征也表现如此。因为采样对象是城市地物，所以没有考虑 入岩石、矿物类别；土壤也不是城市中大面积出现的地物，所以没有单独作为一个大类别。 第二级则主要从城市地物的材料成分来划分，借鉴了a s t e r 波谱库中的对子类的划分。 城市地物非常复杂，不同功能地物可能具有相同材质，例如沥青的路面和屋顶，水泥混凝土 的路面和屋顶，大理石的广场、屋顶、台阶，煤渣跑道和停车场等等。若是基于地物功能进 行采样，工作量不但会很大，而且无法穷尽功能多样的城市地物；同时很多样本虽然属于不 同功能的地物，但实质上具有相似的波谱、遥感影像响应特征也一样。因此第二级分类以地 物材质为标准。 第三级主要是基于颜色对第二级的细分。根据地物具体的颜色，在采样具体过程中，根 据实际情况而定，尽量收集各种有意义的彩色地物。表l 中第三列是研究中具体收集到的类 型。 这一分类体系强调的是采样类型，旨在尽量收集丰富的城市地物波谱，但又要减少数据 冗余。基于建立好的典型地物采样类型体系，我们设置相应的采样范围和采样点，多次对上 海市城市地物反射波谱进行收集。 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 城市地物反射波谱分类及其通道窗口研究 表l 上海市城市典型地物采样类型 第一级第二级第三缀( 实际采样) 干净水体清濑水体 城市水体 污染水体发绿水体、发黑水体、混黄水体 耐术( 树枝、树冠)绿色针叶塑、绿色闻叶型 草地青绿草地、青黄相问草地、发黄草地、 植被 红色、白色、紫色、黄色 灌从、矮株植被绿色、非绿色、有积灰的绿色 郊区菜地水稻田、绿色菜地 沥青表面新而深色、詹搦发白 灰白、有泥t 覆盏、旧而泛照、碎石混合 水泥混凝土表面 ( 屋顶、公路、彩色砖地、运动场地) 白色、黑色、红色、杂色 光滑衰面 ( 火理石、破化地转) 辩胶表面 红色、绿色、棕红色 黧褐色、灰白色、黄色 裸土表面 ( 建筑工地、公园) 油漆表丽蓝色、红色、绿色 其他表面 橡胶表面黑色、红色、黄色 金属表面白也、黑色、蘸色 玻璃表面玻璃地砖、玻璃屋顶 木质表面原色地楹、表面有彩色涂料的地扳 鹅暖石表面 白色、红白相问、杂色 瓦片表面 黑色、红色廑顶 煤渣混合表面 黑色停车场、黑灰混台跑道 建筑原科、垃圾黄色沙罐、青色沙堆、红色碎砖、混凝土碎块 塑抖表面白色、黑色、蘸色 生活垃圾 条色 其它表面石棉瓦、公园景观石块石山 2 1 2 上海市典型地物采样点确定 根据第二级典型地物采样类型和第三级的标准，进一步确定采集波谱的路线范围和目标 地物。确定目标地物并进行采样，这是一项具体操作工作，受到收集环境的限制，工作中随 机变动性很大。因此考虑几个因素：符合典型地物采样类型且具有代表性的地物；能够代表 典型城市地表覆盖类型的目标地物；城市中较常出现的目标地物；较为特殊的目标地物；采 华东师菡大学2 0 届硬士学位论文 城市地物反射波潜分类及其通道窗口研究 图l 典型魄耪渡诺采样点的分布 圆点代表采样点主要地理位置 类型；图1 显示了样本点在上海市城区内的分布： 2 2 城市典型地物波谱实地采集和数据预处理 样点尽可能在上海市几个区内均匀 分布；实地测量时的安全性和可行 性。 基于以上的考虑，采样点主要选 在上海市内：广场、公路和街道、居 住小区、学校、公园、建筑场地等区 域内部。部分目标地物的体积远远小 于遥感影像的空闻分辨率。因为是混 合像元中经常出现的成分，所以这些 地物也在实地测量之列。 最终，进行了1 1 次上海市的城 市典型地物波谱采集。表l 中第三级 则是这“次采集的一些主要样本点 附表l 则是采集活动的主要路线与范围。 研究使用地物波谱仪实地测量，获取城市典型地物反射波谱。针对本文的研究目的，需 要进行专门管理和特定数据预处理。 2 2 i 上海市城市典型地物反射波谱的实地采集 实地测量获得地物反射波谱，这种方法具有三大特点：真实性，即不改变地物的形状、 结构、分布和所处的环境，能客观反映各种地物的性质：综合性，即保持地物每时每刻都处 在由太阳直接辐射、天空散射和周围地物辐射所组成的综合辐射场中；动态性，即可直接测 试地物反射波谱特性随时问、季节和测试条件不同而变化的规律。 研究中实地测量使用的仪器是美国分析波谱设备公司( a n a l y t i c a ls p e c t r a ld e v i c e s ，i n c ) 制造的便携式可见光近红外野外地物波谱仪( f i e l d s p e e u v v n i rh a n d h e l d s p e c t r o r a d i o m e t e r ) ，由上海技术物理研究所提供。a s du v v n i r 地物波谱仪的采样光谱范 围为：3 2 5 1 0 7 5 n m ，实际有效数据区为4 0 0 9 0 0 n m ，采样间隔为l n m ，使用8 。和2 2 。两种 视场角，将地物波谱仪正悬于地物上方约2 0 e m 的位置进行操作。 测量原理为：首先认为参考白板的在整个光谱范围内的反射率均为1 0 0 ，然后分光谱 波段依次测量目标地物和参考白板的反射辐射量，由相应的测量软件( a s d ) 求出二者之比， 通过公式( 1 ) 可得到各光谱波段的地物反射率i 一引，r 。为目标地物在光谱波段九上的反射 率，e 。为目标地物在光谱波段 上的反射辐射量( 光电流相对值) ，e ox 为测量参考自板的在 光谱波段 上的反射辐射量。 r ；= + 1 0 0 五= 3 2 5 n m ，1 0 7 5 n m ( 1 ) 4 e o i 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 城市地物反射波谱分类及其通道窗口研究 测量参考白板和目标地物时的光源位置、光强都要求一致。波谱仪自身热量带来的信号 增益，通过每次测量之前的暗电流检铡( 当没有任何光进入波谱仪时，波谱仪的测量值) ， 对实际测量进行纠正。 在实际操作中，每个目标地物测量l 一4 次，每次获得5 条波谱。每次测量白板后立即测 量目标地物，获得5 个数据，对每个地物进行i - 4 次这样的操作，最后在每个目标地物上获 得5 2 0 条波谱。所有数据在采集时作了详细的记录，主要包括了：地物名称、时间、地点、 经纬度、地物颜色大小形状、地物的天空遮蔽度、天气状况等属性特征：同时所有采样点都 拍摄了样本地物的数码照片。测量过程中并没有考虑地物的方向反射率，丽是将所有典型城 市地物均假设为均匀朗伯体。 2 0 0 3 0 9 - 2 8 、1 0 - 2 8 、1 0 2 9 ，2 0 0 4 - 0 6 3 0 、0 7 一o l 、0 7 - 0 2 、0 7 0 4 、0 7 0 5 八次测量时，天 气较好，天空没有云，太阳幅照度足够且没有溢出，气温平均在3 0 摄氏度。2 0 0 3 0 9 1 4 、 2 0 0 4 - 6 2 8 、0 6 2 9 三次测量时。天空时阴时睛，气温平均在3 0 摄氏度。由于天空中有定的 云量，因此每次测量选择在有较强太阳直射光、天空云遮蔽较少时进行同时也采集了部分 其他条件下( 天空为全阴但天空很亮、有直射光但是不强等) 的数据作为研究对比。 测量所得数据经过初步整理与检查，剔除了一部分可能有错的数据，最后得到1 7 1 个地 物2 3 0 5 条波谱。 2 2 2 波谱数据库建立 a s du v n i r 地物光谱仪使用二进制方式存贮数据，数据格式为：s p e c t r u m ? ? ? ，其 图2 数据转换界面 中“? ? ? ”代表了测量的光谱序号，需要专业软件 a s dv i e w s p e cp r o g r a m s 才能读取和图形显示。为 了方便研究和今后使用，研究将其格式转换为文本 格式，并且建立相应的波谱库，方便研究和以后的 数据扩充。 编写了数据转换程序“数据转换”( 见图2 ) ， 实现对s p e c t r u m ? ? ? 二进制文件的读取和格式转 换。所有光谱数据由“s p e c t r u m ? ? ? ”转换为了“+ t x t ” 格式。 目前很多地物波谱库多采用文件管理系统形 式。美国地质调查局的第5 版波谱库( s p l i b 0 5 a ) ， 采用文件管理系统，包括4 4 4 种矿物和对矿产资源 具有指示性的典型植被和混合性材料样品，共4 9 8 条数据，以1 6 进制和a s c i i 码进行存贮【2 8 l 。遥感 影像处理软件e n v i ，内置波谱库的波谱数据按照 二迸制图像格式存贮，图像上每一行数据对应一条波谱，波谱的属性信息则是保存在头文件 中，通过文本文件与外界进行数据交换( ，3 j 。安徽光学精密机械研究所设计了“地物波谱特性 华东师范大学2 0 0 5 届硕士学位论文 城市地物反射波谱分类及其通道窗口研究 数据库”，收录波谱1 5 0 0 0 余条，被测地物种类有5 0 0 余种弭】，以文件系统管理波谱数据。 中国地质科学院信息中心建立了地物波谱数据库，包括8 个数据表，2 0 8 个字段，地物波谱 数据1 2 0 0 0 多条记录以波谱文件形式存在【35 1 。借鉴于这类波谱库，论文也采用了文件管理系 统的方法对采集到的反射波谱建数据库，采用以表格管理属性数据，波谱数据和照片以文件 系统管理。 对所有采样点进行编码，包括了采样点序号码、波谱文件序号码，建立了文件体系的波 谱库。库中波谱文件以采样点为单位分二进制、文本文件两种格式保存。各个采样点的属 性则以表格存放，一条记录对应一个采样点，并以采样点序号作为主键，以波谱文件序号作 为外键。波谱文件以波谱文件序号码命名，同一个采样点的数码照片、所有波谱文件以两种 格式放在同一个文件夹内。文件夹以采样点序号码命名，从而与属性表关联。属性表中包括 了地物名称、文件数量、测量日期、时间、经纬度、地物描述、数据优劣说明等。 2 2 3 波谱数据预处理 在整个研究中，数据处理和研究工具平台选择了m a t l a b 6 5 语言。m a t l a b 被称为第四代 计算机语言，具有丰富的函数库。在m a t l a b 环境下对所有光谱数据进行预处理和分析。 首先通过m a f l a b 6 5 语言编写函数，将所有反射波谱数据转换为m a n a b 下的数据文件。 然后进行数据压缩和剔除异常数据，建立用于分析的波谱矩阵。一方面由于a s d 波谱 仪的测量范围为3 2 5 1 0 7 5 n m ，但数据有效区域为4 0 0 9 0 0 n m ；另一方面由于测量操作错误， 出现了部分为0 、负数、反