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一种Landsat-8影像提取不透水面的新方法

闫如柳;杨树文;张珊;贾鑫

【期刊名称】《《遥感信息》》

【年(卷),期】2019(034)004

【总页数】5页(P128-132)

【关键词】不透水面;Landsat-8;V-H-L-S;MNF;掩膜

【作者】闫如柳;杨树文;张珊;贾鑫

【作者单位】兰州交通大学测绘与地理信息学院兰州730070;地理国情监测技术

应用国家地方联合工程研究中心兰州730070;甘肃省地理国情监测工程实验室兰

州730070

【正文语种】中文

【中图分类】TP79

0引言

不透水面是人类作用于自然形成的人工地表，表现为城市中的水泥路面、建筑物、

沥青等[1]。不透水面会阻止水下渗，阻碍地表蒸腾作用，对环境产生一定的负面

影响。不透水面研究将为建设现代海绵城市提供有效的数据支撑。

近年来，学者们在不透水面研究方面做了大量卓有成效的工作。Schueler[2]认为

不透水面是影响环境的关键因子，不透水面率过高会破坏城市的地热平衡，使得夏

季温度有所上升，城市产生严重的热岛效应[3]。其次，暴雨情况下，高不透水面

率使得城市地表径流量增加4～5倍，严重时会导致城市内涝[4]。因此，及时、准

确地获取不透水面信息对生态环境保护有重要意义[5]。

在不透水面的研究中，Ridd[6]在1995年提出的V-I-S(vegetation-impervious

surface-soil)模型具有代表性，该模型认为城市是由植被、裸土和不透水面按一定

比例覆盖组成。SmallC[7]在改进的V-I-S模型中，进一步将城市划分为植被-低

反射率-高反射率(V-I-H)的组合，并成功提取纽约市地物信息。Wu和Murray[8]

在此基础上，提出V-H-L-S模型，把城市划分为4种端元的结合，即高反射率端

元、低反射率端元、土壤和植被，能较为有效地提取不透水面信息。然而，V-I-S

模型处理组分复杂的像元效果不理想，未考虑水体及阴影的影响，使得水体与低反

射率地物容易混淆，影响不透水面的提取精度[9-10]。V-H-L-S模型在不透水面提

取过程中，端元选取仍是难点，仅用1个或2个端元很难描述复杂的城市地表。

综上所述，本文在V-H-L-S模型的基础上，提出一种基于Landsat-8影像提取不

透水面的新方法。将研究重点放在透水面(水体、植被、土壤)的提取，反向提取不

透水面。

1研究区与数据

1.1研究区

本文研究区为兰州市(35°53′N～37°04′N，102°35′E～104°37′E)主城区，包括城

关区、七里河区、安宁区和西固区。该区域有多种土地利用类型，包括研究所需的

水体、植被、裸地以及不透水面等，如图1所示。

图1研究区影像

1.2研究数据

论文实验选用兰州市Landsat-8OLI影像，成像时间为2017年3月28日，含云

量为6.83%，影像质量较好。Landsat-8OLI影像包含11个波段，实验主要选用

2(蓝波段)、3(绿波段)、4(红波段)及5(近红外波段)波段进行处理，其空间分辨率

均为30m。

实验前对原始影像进行预处理，包括：①结合兰州市矢量边界图裁剪原始影像；②

选用兰州市30mDEM数据，对裁剪后影像进行正射校正，纠正因传感器自身原

因及地形起伏引起的像点位移；③通过辐射定标纠正或消除因辐射误差引起的影像

变形。预处理结果如图2所示。

图2预处理后影像

2不透水面遥感提取模型构建

不透水面和透水面相对，二者共同组成地表信息。提取地表透水面信息，剩下部分

即为不透水面。透水面主要包括水体、植被、裸土，因此提取不透水面就转化为水

体、植被、裸土的提取问题，而这3种地物的提取方法相对成熟，从而降低不透

水面的提取难度。

2.1最小噪声分离

最小噪声分离(minimumnoisefractionrotation，MNF)是线性变换的一种，本

质上是两次主成分变换的叠置：第一次变换分离和调节数据中的噪声，称为噪声白

化；第二次将白化后的数据进行主成分变换。MNF变换将一幅多波段影像的主要

信息集中在前几个波段，使得噪声减弱，后续计算量减少。MNF变换包括正向和

反向2种，本文选用正向MNF变换，将影像11个波段的信