荒漠化信息提取

ENVI支持下的遙感荒漠化地信息提取 (2012-04-17 08:25:23)轉(zhuǎn)載標(biāo)簽：遙感荒漠化反照率(albedo)albedo-ndvi荒漠化差值指數(shù)雜談分類：遙感解決方案背景土地荒漠化是指包括氣候變異和人類活動在內(nèi)的種種因素造成的干旱半干旱和亞濕潤干地區(qū)的土地退化。及時準(zhǔn)確地掌握土地荒漠化發(fā)生發(fā)展情況是有效防止和治理土地荒漠化的基本前提。目前遙感技術(shù)在土地荒漠化監(jiān)測中起到了不可替代的作用。使用遙感影像數(shù)據(jù)可以提取土地荒漠化信息，通過遙感影像所表現(xiàn)的不同信息，可以判斷土地荒漠化的發(fā)生與否以及發(fā)展程度等。在進(jìn)行土地荒漠化信息提取時，常用的方法有人工目視解譯方法、監(jiān)督分類方法、非監(jiān)督分類方法、決策樹分層分類方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動提取方法等。在實(shí)際應(yīng)用中，通常選擇其中的一種或結(jié)合幾種方法進(jìn)行分類提取。目前，一種比較新的方法是通過構(gòu)造“植被指數(shù)(NDVI)反照率(Albedo)特征空間”來進(jìn)行荒漠化信息遙感提取?；哪^程及其地表特性的變化能在Albedo-NDVI特征空間中得到明顯直觀的反映。在Albedo-NDVI特征空間中，可以利用植被指數(shù)和地表反照率的組合信息，通過選擇反映荒漠化程度的合理指數(shù)，就可以將不同荒漠化土地有效地加以區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)荒漠化時空分布與動態(tài)變化的定量監(jiān)測與研究。而這個問題的合理解決，實(shí)際上就是如何根據(jù)需要采用一定的綜合指標(biāo)來劃分Albedo-NDVI特征空間。根據(jù)Verstraete and Pinty的研究結(jié)論，如果在代表荒漠化變化趨勢的垂直方向上劃分Albedo-NDVI特征空間，可以將不同的荒漠化土地有效地區(qū)分開來。而垂線方向在Albedo-NDVI特征空間的位置可以用特征空間中簡單的二元線性多項(xiàng)式加以表達(dá)，即DDI=k*NDVI - Albedo，其中: DDI可稱為荒漠化分級指數(shù)，k由特征空間中擬合的曲線斜率確定。本文主要介紹在ENVI下實(shí)現(xiàn)Albedo-NDVI特征空間遙感荒漠化信息提取的操作流程。2處理流程介紹流程說明：（1）數(shù)據(jù)獲取（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)定標(biāo)處理、大氣校正、幾何配準(zhǔn)、研究區(qū)域的裁剪。（3）信息提取根據(jù)前人研究的公式計算NDVI和Albedo。然后將結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，保證數(shù)據(jù)的一致性。（4）計算NDVI和Albedo的定量關(guān)系這一步利用excel工具找到NDVI和Albedo數(shù)據(jù)間的量化關(guān)系。得到表達(dá)式Albedo=a*NDVI+b中a的值。（5）荒漠化差值指數(shù)的計算利用bandmath工具實(shí)現(xiàn)表達(dá)式：DDI=(-1/a)*NDVI-Albedo，得到荒漠化差值植被指數(shù)。（6）荒漠化分級信息的提取根據(jù)荒漠化差值植被指數(shù)就能進(jìn)行荒漠化分級信息提取。有兩種方法：一是通過設(shè)置分級閾值進(jìn)行分級；另一是通過利用“自然間斷點(diǎn)分級法”將DDI值進(jìn)行分級。（7）制圖輸出將結(jié)果圖輸出。3詳細(xì)處理過程以下有部分基礎(chǔ)內(nèi)容沒有詳細(xì)描述，在閱讀這些內(nèi)容時，假設(shè)您已經(jīng)具備了基本的ENVI操作知識。3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理第一步：數(shù)據(jù)讀取和定標(biāo)主菜單-File-Open External File-Landsat-Geo TIFF with Metadata，打開TM數(shù)據(jù)L51124038_03820020902_MTL.txt第二步：數(shù)據(jù)定標(biāo)主菜單-Basic Tools-Preprocesssing-Calibration Utilities-Landsat Calibration，選擇多波段文件，彈出ENVI Landsat Calibration對話框，自動讀取元數(shù)據(jù)中的信息并加載（如圖），定標(biāo)類型選擇Radiance，指定保存路徑，點(diǎn)擊OK。第三步：幾何校正和裁剪這一步是對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，使其具有精確的地理信息，基準(zhǔn)影像可以是地形圖，也可以是已經(jīng)過校正的其他中高分辨率影像，本實(shí)驗(yàn)中用到的是已經(jīng)過校正的TM數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)影像。由于整景數(shù)據(jù)范圍非常大，而我們的工程區(qū)只是其中一小部分，所以在進(jìn)行幾何配準(zhǔn)之前，將研究區(qū)域裁剪出來。第四步：大氣校正（一）FLAASH對圖像文件有以下幾個要求：1)數(shù)據(jù)是經(jīng)過定標(biāo)后的輻射亮度（輻射率）數(shù)據(jù)，單位是：（W）/（cm2*nm*sr）。2)數(shù)據(jù)帶有中心波長（wavelenth）值，如果是高光譜還必須有波段寬度（FWHM）,這兩個參數(shù)都可以通過編輯頭文件信息輸入（Edit Header）。3)數(shù)據(jù)類型支持四種數(shù)據(jù)類型：浮點(diǎn)型（floating）、長整型(long integer )、整型（integer）和無符號整型(unsignedint)。數(shù)據(jù)存儲類型：ENVI標(biāo)準(zhǔn)柵格格式文件，且是BIP或者BIL。4)波譜范圍：0.42500m。本次用的TM數(shù)據(jù)經(jīng)過以上處理，如已經(jīng)定標(biāo)為W*m(-2)*sr(-1)*um(-1)單位、浮點(diǎn)型的輻射率數(shù)據(jù)，有中心波長信息，下面將BSQ格式轉(zhuǎn)成BIL格式。選擇主菜單Basic Tools-Convert Data（BSQ、BIL、BIP），選擇已經(jīng)經(jīng)過配準(zhǔn)的TM-Cal-sub-jz.img，在Convert File Parameters中，Output Interleave選擇BIL，選擇Convert In Place：yes，單擊OK，（如下圖）。（二）：設(shè)置參數(shù)進(jìn)行FLAASH大氣校正（1）主菜單Spectral-FLAASH打開FLAASH大氣校正模塊；（2）點(diǎn)擊Input Radiance Image，選擇BIL格式的TM-Cal-sub-jz.img，在Radiance Scale Factors面板中選擇Use single scale factor for all bands，由于定標(biāo)的輻射量數(shù)據(jù)與FLAASH的輻射亮度的單位相差10倍，所以在此Single scale factor選擇默認(rèn)：10，單擊OK；（3）設(shè)置輸出文件及路徑設(shè)置（4）傳感器基本信息設(shè)置：成像中心點(diǎn)經(jīng)緯度、傳感器高度、成像區(qū)域平均高度、成像時間，設(shè)置，這些都可以從數(shù)據(jù)頭文件中讀取L71124038_03820020902_MTL.txt。（5）大氣模型，選擇MLS，氣溶膠模型，選擇Rural，氣溶膠反演方法選擇2-Band（K-T），能見度給40km。（6）單擊Advanced Settings，在高級設(shè)置中，Tile Size默認(rèn)的是Cash size的大小，手動改為100Mb，單擊OK；（7）設(shè)置好后，在大氣校正模塊面板中，單擊Apply。（8）大氣校正完成后，檢查大氣校正的結(jié)果，分別加載校正前后的圖像，將兩幅影像進(jìn)行地理鏈接，移動到植被區(qū)域（植被的波譜曲線比較特殊），在影像上右鍵，選擇Z Profile（Spectrum）打開光譜曲線窗口，顯示兩幅圖像同一位置的光譜曲線圖3.2信息提取第一步：提取NDVI主菜單-Transform-NDVI，彈出NDVI Calculation Parameters對話框，自動標(biāo)定波段。保存文件，輸出，點(diǎn)擊OK。第二步：提取Albedo地表反照率反演：利用L i a n g建立的L a nd s a tT M數(shù)據(jù)的反演模型，估算了研究區(qū)地表反照率。（1）主菜單-Basic Tools-Bandmath-彈出Band Math對話框，鍵入表達(dá)式：0.356*b1+0.13*b3+0.373*b4+0.085*b5+0.072*b7-0.0018，點(diǎn)擊Add to List，點(diǎn)擊OK。（2）在彈出的Variables to Band Pairings對話框中分別為B1、B3、B7指定相應(yīng)的波段（經(jīng)過大氣校正后的數(shù)據(jù)）。第三步：歸一化處理采用歸一化公式進(jìn)行NDVI和albedo數(shù)據(jù)的歸一化處理。歸一化公式如下。（1）計算NDVI和albedo數(shù)據(jù)的最大最小值。通過波段列表（Available Band List）中選擇NDVI和albedo文件，右鍵該文件，點(diǎn)擊Quick Stats進(jìn)行統(tǒng)計后，彈出Statistics Results對話框，可以獲取NDVI或者albedo的最大最小值。（2）歸一化計算。主菜單-Basic Tools-Bandmath-彈出Band Math對話框，鍵入表達(dá)式：(b1+0.429861)/(0.742756+0.429861)，點(diǎn)擊Add to List，點(diǎn)擊OK。在彈出的Variables to Band Pairings對話框中分別為B1指定相應(yīng)的波段（NDVI數(shù)據(jù)）。（3）按照同樣的方法，歸一化Albedo數(shù)據(jù)。3.3計算NDVI與albedo的定量關(guān)系經(jīng)專家學(xué)者研究NDVI與albedo之間存在著一種負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系。不同沙漠化土地類型對應(yīng)的植被指數(shù)( N D V I )和地表反照率( A l b e d o )具有顯著的線性負(fù)相關(guān)性，類似于：Albedo=65.324-0.453*NDVI這種形式，通用表達(dá)式Albedo=a*NDVI+b。說明，隨著荒漠化程度的增加，植被指數(shù)( N D V I )逐漸減少，而地表反照率則逐漸增加。在A l b e d oNDVI特征空間中，荒漠化過程得到了明顯的反映。為了找到兩者之間的定量關(guān)系，需要分別找出NDVI和albedo對應(yīng)的兩組數(shù)據(jù)，利用這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合出一個關(guān)系式。第一步：選擇相應(yīng)點(diǎn)（1）在NDVI或者Albedo的圖像窗口中，右鍵-選擇ROI Tools，彈出ROI Tools對話框在ROI_Type中選擇Point。然后點(diǎn)擊Image，在image窗口中選點(diǎn)。（2）選好點(diǎn)后，將點(diǎn)導(dǎo)出。在ROI TOOL中，選擇File-Output ROIs to ASCII。選擇NDVI的圖像，在Output ROIs to ASCII Parameters面板中，選擇ROI點(diǎn)，單擊Edit Output ASCII Form，在輸出內(nèi)容設(shè)置面板中（如下圖），選擇ID、經(jīng)緯度（Geo Location）、和波段像元值（Band Values）。點(diǎn)擊OK。指定輸出路徑和名稱，點(diǎn)擊OK，將對應(yīng)的NDVI點(diǎn)值輸出。同樣的方法前面選擇的ROI點(diǎn)對應(yīng)的Albedo的點(diǎn)值輸出為Albedo.txt文件。第二步：計算定量關(guān)系在EXCEL軟件中進(jìn)行線性擬合兩者的定量關(guān)系。有了相同位置的NDVI值和Albedo值，在Excel中選中ndvi值與albedo值，繪制散點(diǎn)圖。在散點(diǎn)圖上選中散點(diǎn)，單擊右鍵-添加趨勢線，打開設(shè)置趨勢線格式面板，勾選線性，顯示公式，顯示R平方值。點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕，線性回歸方程和R方值在散點(diǎn)圖上顯示。添加趨勢線線性反演模型得到反演模型為：y=-5.062x+5.182，R2=0.841。3.4荒漠化差值指數(shù)的計算通過上一步的處理得到了參數(shù)a，根據(jù)公式a*k=-1，可以計算出k。將k值帶入荒漠化差值指數(shù)表達(dá)式中可以計算DDI。表達(dá)為：DDI=1/5.062*NDVI-Albedo，使用Basic Tool-Bandmath，在Enter an expression下面輸入表達(dá)式：1/5.062*b1 b2，單擊Add to List，單擊OK，在Variables to Bands Pairings面板中，選擇b1為NDVI的圖像，b2為Albedo的圖像，設(shè)置輸出路徑和文件名，單擊OK，計算得到荒漠化差值指數(shù)的反演圖。3.5荒漠化分級信息提取方法一：實(shí)地考察，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將該區(qū)域的荒漠化程度分級，即非荒漠化、輕度荒漠化、中度荒漠化、重度荒漠化和極重度荒漠化。找出不同荒漠化級別與對應(yīng)的荒漠化差值指數(shù)圖上的臨界點(diǎn)。然后利用Density Slice工具進(jìn)行分級顯示。在Display中顯示荒漠化差值指數(shù)，是一個灰度的單波段圖像。(1)選擇Tools-Color Mapping-Density Slice，單擊Clear Range按鈕清除默認(rèn)區(qū)間。(2)選擇Opions-Add New Ranges，增加四個區(qū)間(3)單擊Apply。(4)選擇File-Output Range to