光谱混合分解技术改进和其在城市绿地信息提取中的实验研究.pdfVIP

光谱混合分解技术改进及其在城市绿地信息提取中的实验研究∗ 1 1 2 武佳卫 徐建华 谈文琦 （1. 华东师范大学资环学院地理系，地理信息科学教育部重点实验室，上海 200062 ；2. 上海市绿化管理信 息中心，上海 200062 ） 摘 要：在上海选择试验区，利用混合像元分析技术，研究城市绿地信息提取问题。针对光谱混合分析过程 中的薄弱环节，进行了改进：（1）通过引入像元纯度指数，确定端元选取的定量评价标准；（2）在三维空间 内选择端元，减少信息的损失以提高植被覆盖度计算的准确性；（3）对利用混合像元分析技术提取植被盖度 结果进行评价分析。结果表明，通过改进的混合像元分解方法提取城市绿地盖度信息，精度高而且经济实惠， 具有推广价值和广阔的应用前景。 关键词：像元纯度指数；光谱端元；植被盖度；上海市 中图分类号： 文献标识码： 1 引言 绿色植被既是城市景观的重要组成部分，也是改善城市生态环境和城市热岛的调节器[1, 2] 。它在城市生态系统中发挥着十分重要的作用，是城市居民健康环境不可缺少的重要组分。 绿色植被能够通过选择性的反射、吸收太阳辐射、调节水分蒸腾、吸附大气中的固体悬浮颗 粒物以及有害气体，对城市热岛和大气环境质量进行调节，对城市生态系统中的物质循环和 能量流动产生影响[3, 4] 。可见，城市植被覆盖问题研究，是城市建设和规划中一个十分重要的 课题。 传统的地物分类方法，对混合像元现象的解释不够。地物反射光谱的高度异质性，导致 了遥感影像中绝大部分像元都是混合像元。像元记录的是探测单元瞬时视场角所对应的地面 范围内目标辐射能量的总和，如果探测单元瞬时视场角所对应的地面范围内包含了多类不同 性质的目标，则该像元记录的是多类不同性质的地面目标辐射能量的总和，这样的像元即为 混合像元。此外，由于地物散射等因素的影响，在多类地物交界处附近的像元也有可能是混 合像元。把某一像元硬性地归为某一地物类别，不能揭示在传感器分辨率以下的尺度上土地 覆盖类型的组成变化，因而，传统的地物分类方法在对城市植被信息提取上是存在缺陷的。 植被指数（NDVI ）是提取植被信息使用最多的指标之一[5-7] ，该指标是植被冠层在红色以及 近红外波段反射值的组合函数，同时也包括了背景地物的反射。但是，NDVI也存在着较为明 显的缺陷，即忽视了单个像元内部植被的差异。此外，受到植被种类、叶面积以及阴影的影 [8] 响，特别是在市区内，由于受到下垫面性质和大气污染影响，计算得到的NDVI往往偏低 。 可见，对于城市内部来说，NDVI并不是一个很好的提取植被定量信息的指标。 有关混合像元分解研究的方法和理论一直是遥感技术与应用的热点[9-10] 。近来的研究[4, 11-16]表明：光谱混合分析（Spectral Mixture Analysis）技术用于解决混合像元分解问题，理论 上有较好的科学性，应用也取得了很好的效果。本文以植被盖度来定量反映城市绿地，植被 盖度定义为：在一个像元内部，植被的反射率占总反射率的比率，其计算的核心就是混合像 元分解。混合像元分解的本质是从小尺度数据源上挖掘出更大尺度的信息，所以大大丰富了 从遥感影像中提取的信息量，提高了数据的应用效率。像元分解模型包括线性模型、概率模 型、几何光学模型、随机几何模型、模糊模型等。线性分解模型是建立在像元内相同地物都 [20-21] 有相同的光谱特征以及光谱线性可加基础上的，构造简单，物理含义明确。许多学者证明 ， 城市环境的像元分解模型是线性的，虽然有时候多元散射的现象会比较明显，但在城市景观 ∗ 基金项目：国家自然科学基金项目） 作者简介：武佳卫（1981-），男，山东烟台人，在读硕士生，主