森林資源調(diào)查中SPOT5遙感影像屏幕目視判讀方法探討*

王 玉

(國家林業(yè)局西北林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,西安 710048)

林業(yè)的發(fā)展要求與社會、經(jīng)濟(jì)、自然的發(fā)展相協(xié)調(diào),社會、經(jīng)濟(jì)、自然的可持續(xù)要求林業(yè)的發(fā)展也要可持續(xù),為了適應(yīng)現(xiàn)代林業(yè)建設(shè)的新形勢,將信息技術(shù)應(yīng)用于大型、全面而復(fù)雜的森林資源規(guī)劃調(diào)查意義重大。隨著遙感器和衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展,多分辨率、多波段的海量遙感數(shù)據(jù)源源不斷地發(fā)回地面,如何優(yōu)質(zhì)高效和輕松愉快地從遙感影像數(shù)據(jù)中提取專題信息成為當(dāng)前遙感技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域中的重大瓶頸問題,也成為專業(yè)技術(shù)工作者急待解決的技術(shù)問題。目前,在諸多遙感信息提取技術(shù)之中,屏幕目視判讀技術(shù)是最基本、最靈活、最有效的技術(shù)手段。

屏幕目視判讀區(qū)劃應(yīng)用于森林資源二類調(diào)查,以GIS軟件為平臺,柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)相結(jié)合,柵格數(shù)據(jù)主要包括遙感影像、地形圖等;矢量數(shù)據(jù)主要包括林業(yè)專題圖、各類界線圖層(林班以上完整界線)、解譯標(biāo)志層和調(diào)查輔助信息等,以判讀人員的視覺能力為判別,以專業(yè)知識和經(jīng)驗為基礎(chǔ),利用各種判讀標(biāo)志,綜合、靈活地對影像諸要素進(jìn)行綜合分析、推理、歸納判斷,將調(diào)查區(qū)域劃分為連續(xù)的圖斑(小班),定性、定量地提取出地類、林種、樹種、齡組、林分郁閉度(或灌木蓋度)以及地形坡向等林分因子信息,判讀結(jié)果直接形成GIS圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲在計算機中,它是目前許多大型遙感圖像判讀任務(wù)首選方法,在各地森林資源二類調(diào)查中得到廣泛應(yīng)用。陜西省洛川縣本次調(diào)查采取與傳統(tǒng)的二類調(diào)查方法完全不同的“3S”技術(shù)(遙感RS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS),利用SPOT5高分辯率衛(wèi)星影像通過屏幕目視判讀技術(shù)完成森林分類區(qū)劃和資源調(diào)查,有助于更全面、客觀、便捷地反映森林資源消長動態(tài)。

1 遙感影像判讀區(qū)劃流程和方法

1.1 判讀區(qū)劃前準(zhǔn)備工作

在判讀區(qū)劃前做好SPOT5遙感影像準(zhǔn)備、相關(guān)軟硬件的準(zhǔn)備、人員培訓(xùn)、解譯標(biāo)志建立、調(diào)查區(qū)域資源分布情況的歸納總結(jié)等工作,有利于工作順利展開。

1.1.1 SPOT5衛(wèi)星遙感影像準(zhǔn)備 法國SPOT5遙感數(shù)據(jù)的多光譜波段空間分辨率為10 m(短波紅外空間分辨率為20 m),但全色波段空間分辨率達(dá)到2.5 m,具有空間宏觀性、視角廣、多分辨率(光譜和空間)、多時相、周期性、信息量豐富、直接以數(shù)字方式記錄傳送等特點,一景60 km ×60 km 。洛川縣位于東經(jīng) 109°11′14″～ 109°45′47″,北緯 35°26′29 ～ 36°04′12″之間 ,覆蓋洛川縣的影像有三景,本次二類調(diào)查選用的是:268278-20040817、 270278-20040928、 270279-20040928。經(jīng)過正射校正、波段組合、融合處理和數(shù)據(jù)變換等技術(shù)處理,影像數(shù)據(jù)清晰、色調(diào)均勻,選擇時相信息量較豐富,云層覆蓋小于5%,且沒有覆蓋重要地物,選取 B4、B3、B2和PAN波段,將融合好的數(shù)據(jù)按 Rfused、Gfused、Bfused組合,突顯森林植被信息,幾何精度控制在2個像元內(nèi)(±10 m精度),達(dá)到1∶1萬制圖標(biāo)準(zhǔn)要求(見表1)。

表1 陜西省洛川縣SPOT5高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

1.1.2 建立SPOT5衛(wèi)星遙感影像解譯標(biāo)志明確解譯任務(wù)與要求、搜集與分析有關(guān)資料,綜合分析調(diào)查區(qū)域自然、社會、經(jīng)濟(jì)條件和林業(yè)生產(chǎn)建設(shè)情況與森林資源分布狀況的聯(lián)系,以及各種地理環(huán)境要素在空間上的聯(lián)系,通過影像波普特征分析 ,包括形狀 、大小、陰影、色調(diào)、顏色、紋理、圖案、位置和布局,建立影像特征與地類林分因子信息的對應(yīng)關(guān)系。分析可判讀與難以判讀因子,選擇外業(yè)解譯標(biāo)志建立路線圖。制作1:10 000標(biāo)準(zhǔn)分幅衛(wèi)星遙感正射影像圖,疊加上行政界線、公里格網(wǎng)、坐標(biāo)、比例尺等輔助信息,作為外業(yè)建標(biāo)底圖,選擇各類典型圖斑作采集標(biāo)志,利用GPS定位、影像圖上勾繪、標(biāo)記、卡片描述(對復(fù)雜地塊加文字詳細(xì)敘述)等輔助方式,現(xiàn)地仔細(xì)對比,反復(fù)修正,同時拍攝該圖斑地面實地照片,以便于影像和實際地面要素建立關(guān)聯(lián),表達(dá)遙感影像解譯標(biāo)志的真實性和直觀性,加深使用者對解譯標(biāo)志的理解。對于不宜判讀的地類(如國有苗圃地、輔助生產(chǎn)林地)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)地調(diào)查進(jìn)行區(qū)劃,每景影像分別建標(biāo)。將建立的解譯標(biāo)志輸入計算機中,作為解譯標(biāo)志層與影像疊加,對于解譯者對遙感信息作出正確判斷和區(qū)劃具有重要的現(xiàn)實意義。

1.1.3 總結(jié)歸納資源分布特點 每一地理區(qū)域都會因其獨特的自然、經(jīng)濟(jì)、以及人們的生產(chǎn)活動而具有獨特的資源分布特點,分析調(diào)查區(qū)域資料及其影像的解譯標(biāo)志,歸納其資源分布特點,對全面判讀區(qū)劃具有重要的指導(dǎo)意義。

洛川縣位于陜西省中部、黃土高原南部,分布有山區(qū)、平原、丘陵和溝壑,具有獨特的地理環(huán)境,森林資源因地理條件不同而各具特色。山區(qū)分布在調(diào)查區(qū)東北部,這里的廂寺川林場樹種豐富,森林覆蓋率高,被當(dāng)?shù)胤Q為一顆璀璨的綠色寶石,鑲嵌在廣袤的黃土高原上;丘陵、溝壑與平原交錯分布,縣城周圍的溝壑之上是較寬闊的平原,這里的“糧倉、蘋果”成為洛川這個農(nóng)業(yè)大縣的重要經(jīng)濟(jì)來源;丘陵、溝壑地帶經(jīng)過天保工程、退耕還林等林業(yè)工程的實施,使山坡變綠,溝壑常青,為控制水土流失,改善生態(tài)狀況、維護(hù)生態(tài)安全發(fā)揮了極其重要的作用。結(jié)合實際分析SPOT5遙感影像波普特征和建立的解譯標(biāo)志,歸納出洛川縣資源分布特點:

山區(qū):樹種起源有天然林、人工林。主要樹種有櫟類、油松、楊樹、樺木和側(cè)柏等喬木樹種和黃薔薇、胡枝子和沙棘等灌木林,天然林優(yōu)勢樹種以櫟類為主,人工林以油松為主。

丘陵、溝壑區(qū):以人工刺槐林為主,灌木為輔以及部分未利用的荒山、荒坡,含少量楊樹、柿子、核桃和部分陰坡的油松等樹種。

平原:有著“陜北糧倉”和“蘋果之鄉(xiāng)”之譽稱,主要地類為果園和耕地、居民地等。

1.2 SPOT5遙感數(shù)據(jù)屏幕目視判讀區(qū)劃方法

常用的判讀區(qū)劃方法主要有:直接判讀法、對比分析法、信息覆合法、綜合推理法、地理相關(guān)分析法等,下面結(jié)合洛川縣“二類”調(diào)查實踐對常用的目視判讀方法分別敘述如下。

(1)直接判讀法。根據(jù)遙感影像目視判讀直接標(biāo)志,直接確定目標(biāo)地物屬性與范圍的一種方法。

如圖1中SPOT5遙感影像色彩地形、地貌分明,邊緣清晰,紋理細(xì)致均勻、深藍(lán)色及其形狀以及左下方明顯的壩體構(gòu)成輪廓清晰的水庫特征;一些影像特征明顯地類如城鎮(zhèn)居民地、飛機場、高速公路等有其獨特的圖型結(jié)構(gòu)和形狀可用直接判讀法。

圖1 SPOT5遙感影像數(shù)據(jù)圖

(2)對比分析法。此方法包括同類地物對比分析法、空間對比分析法和時相動態(tài)對比法。同類地物對比分析法是在同一景遙感影像上,由已知地物推出未知目標(biāo)地物的方法。如圖2、3兩景影像同一位置,由于成像時間和季節(jié)的差異,即使同一地區(qū)同一地物的色調(diào)也會不同。

圖2 268278-20040817

圖3 270279-20040928

(3)信息覆合法。利用矢量專題圖或者地形圖與遙感影像覆合,根據(jù)專題圖或者地形圖提供的多種輔助信息,對比識別遙感圖像上目標(biāo)地類因子的方法。例如退耕還林工程新造林地塊,分布范圍廣,地塊相對較小,與農(nóng)田荒山交錯,影像特征不明顯,為了提高工程造林解譯判讀精度,可以使用信息覆合法,利用退耕還林工程驗收圖增加輔助信息,結(jié)合觀察相關(guān)地塊人為整地跡象,幫助判讀區(qū)劃。對于搜集到的與項目有關(guān)的可靠信息,均可應(yīng)用此方法進(jìn)行對比分析。

(4)綜合推理法。綜合考慮遙感圖像多種解譯特征,結(jié)合實踐經(jīng)驗和生活常識等知識,通過已識別出的地物或現(xiàn)象,進(jìn)行相互關(guān)系的推理分析,進(jìn)一步弄清楚其它不易在遙感影像上直接解譯的目標(biāo)的方法。例如根據(jù)地理位置、地貌與植被的關(guān)系,識別林分類型和分布等。如圖4根據(jù)溝梁交錯的地形推斷為山區(qū),又是分布在植被茂密的廂寺川林場境內(nèi),影像色彩、紋理、結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出典型的有林地特征,根據(jù)解譯標(biāo)志觀察推理分析,6小班植被反映特征為紅褐色,分布在山體陰坡,符合油松的影像特征和分布規(guī)律;8小班植被反映特征為橘黃色,分布在山體陽坡,與櫟類的影像特征和分布相同,進(jìn)一步對比分析,紋理較均勻,顆粒稍粗,確定6、8小班優(yōu)勢樹種分別為油松和櫟類,齡組中齡林,而且兩小班林分密度較大,6小班郁閉度略大于8小班。

(5)地理相關(guān)分析法。根據(jù)地理環(huán)境中各種要素之間相互依存,制約的關(guān)系,借助專業(yè)知識,分析推斷某種地理要素性質(zhì)、類型、狀況與分布方法。如圖3中3小班居民地的判讀區(qū)劃,居民地主要是由建筑物、空地、綠地和道路組成,它們有相互依存的關(guān)系,在遙感影像上光譜特征、紋理特征和空間關(guān)系特征是居民地地面特征的反映,在SPOT5高分辨率遙感影像上依靠紋理能夠清晰地分辨出居民地以及居民地內(nèi)部的構(gòu)成成分。

圖4 SPOT5遙感影像數(shù)據(jù)山區(qū)圖

在具體圖斑的信息提取過程中,是對以上判讀方法靈活而綜合的應(yīng)用。在SPOT5高分辨率遙感影像的支持下,可以充分利用影像的空間分辨率及影像上豐富的紋理信息來完成信息判讀。因此,研究地物在影像上的紋理特征,建立和充分應(yīng)用基于紋理特征的地物分類及信息提取方法,將是今后研究高分辨率遙感影像信息提取的方向之一。

1.3 現(xiàn)地驗證

室內(nèi)目視判讀區(qū)劃結(jié)果,需要進(jìn)行外業(yè)現(xiàn)地驗證,以檢驗室內(nèi)目視判讀的質(zhì)量和區(qū)劃精度。對于判讀區(qū)劃階段中出現(xiàn)的疑難點、難以判讀地方需要在外業(yè)現(xiàn)地驗證過程中補充判讀,并抽取部分判讀區(qū)劃小班地類因子進(jìn)行現(xiàn)地驗證,以提高判讀區(qū)劃質(zhì)量。

1.4 成果專題圖產(chǎn)出

將判讀區(qū)劃小班線矢量圖層與編輯好的閉合的縣(林業(yè)局)界、鄉(xiāng)(林場)界、村(林班)界圖層合并后再完成編輯形成一圖層,這一圖層再與小班點圖層屬性數(shù)據(jù)庫建立拓?fù)潢P(guān)系形成面域,則在小班屬性庫中增加了測算出的面積值。根據(jù)各類專題圖需要,或圖層疊加,或某類信息合并,或從圖層中提取部分信息按制圖規(guī)范產(chǎn)出成果專題圖,如林相圖、森林分布圖等,并作為GIS信息方便管理信息系統(tǒng)應(yīng)用。

2 判讀結(jié)果精度評價

對洛川縣本次森林資源“二類”調(diào)查屏幕目視判讀區(qū)劃分地類隨機抽取一定數(shù)量小班,進(jìn)行了實地驗證,主要調(diào)查小班因子正判率均達(dá)到了國家林業(yè)局《森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》和《陜西省森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查實施辦法》的技術(shù)指標(biāo)要求。此次調(diào)查判讀劃分出小班數(shù)量多于上期傳統(tǒng)調(diào)查方法劃分小班數(shù)量近十倍,提高了小班劃分程度和調(diào)查精度。

3 判讀任務(wù)效率計算

對于森林資源“二類”調(diào)查這樣大型而全面的遙感判讀任務(wù),往往需要十多人或幾十人參加,在此情況下,進(jìn)行分機分工判讀,將信息資源共享,把遙感圖像判讀任務(wù)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)(或林場)為單位分配為許多小的判讀任務(wù)齊頭并進(jìn),提高了判讀效率。

4 結(jié)論

SPOT5高分辨率衛(wèi)星影像屏幕目視判讀區(qū)劃方法用于森林資源規(guī)劃調(diào)查,減少了外業(yè)工作量,可全天候作業(yè),節(jié)約成本,精度高、速度快,方便、靈活,成果產(chǎn)出直接、迅速,是目前大型、綜合、復(fù)雜的森林資源信息調(diào)查的最有效方法?？偨Y(jié)洛川縣森林資源調(diào)查,得出以下提示:

(1)對于森林資源調(diào)查,北方9,10月份和11月初的遙感影像比較適宜,此時農(nóng)作物已收割,植被影像比較清晰。

(2)對于平原地區(qū)劃分農(nóng)田與經(jīng)濟(jì)林應(yīng)用SPOT5高分辨率衛(wèi)星影像屏幕目視判讀區(qū)劃技術(shù),具有更加明顯優(yōu)勢。

(3)判讀區(qū)劃受主觀因素影響大,判讀員既要有豐富的知識經(jīng)驗,又要具有認(rèn)真、細(xì)致,高度負(fù)責(zé)的態(tài)度。隨著衛(wèi)星影像提取技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展,將各地各行業(yè)判讀區(qū)劃信息綜合,去偽存真,可滿足各行業(yè)應(yīng)用需要。

(4)遙感探測中普遍存在的“異物同譜”和“同物異譜”現(xiàn)象,從GIS空間數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)的知識可以有效的解決“同物異譜”和“同譜異物”的一些問題,而現(xiàn)地驗證仍是最可靠的方法。

(5)影像數(shù)據(jù)時相到任務(wù)完成時間長達(dá)幾月到1年,時間滯后,需要工作人員不斷探索新技術(shù),研究新方法,更加準(zhǔn)確、客觀、迅速地從信息量豐富的遙感影像數(shù)據(jù)中提取森林資源信息,更好地服務(wù)現(xiàn)代林業(yè)建設(shè)。

[1] 龔健雅.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[2] 邸凱昌.空間數(shù)據(jù)發(fā)掘與知識發(fā)現(xiàn)(第一版)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2000:182.

[3] 閻守邕.遙感影像群判讀理論與方法[M].北京:海洋出版社,2007.

[4] 常慶瑞.遙感技術(shù)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[5] 濮靜娟.遙感圖像目視解譯原理與方法[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,1992.

[6] 趙英時.遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2001.