基于Landsat TM影像的冰川提取

金姍姍，張永紅，吳宏安

（1.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；2.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266510）

一、前 言

用不同方法對遙感影像進(jìn)行處理是提取冰川信息的有效手段。由于冰川所處地形復(fù)雜，地理環(huán)境惡劣，利用常規(guī)的實(shí)地測量技術(shù)對冰川進(jìn)行全面的測量是不可能的。而遙感影像則使冰川的提取在保證精度的前提下能快速而有效地進(jìn)行。遙感影像中的陸地資源衛(wèi)星TM影像的分辨率較高，光譜信息多、波帶窄，因而可以針對冰川進(jìn)行多種組合處理，獲取詳細(xì)的冰川信息。

從TM影像上提取冰川信息的研究工作一直是國內(nèi)研究的熱點(diǎn)。李邦良利用陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)對內(nèi)蒙古東部大陸冰川地貌進(jìn)行圖像處理解譯［1］；王建（1999）利用基于反射特性的雪蓋指數(shù)（NDSI）方法在TM影像，以及其他遙感平臺(tái)的影像上計(jì)算雪蓋面積［2］；李震等利用綜合RS與GIS方法分析了多地冰川的變化情況［3-6］；張世強(qiáng)利用譜間關(guān)系比值圖像取閾值對冰川區(qū)圖像進(jìn)行了分類［7］；聶勇基于面向?qū)ο蟮挠跋穹治龇椒?，引入雪蓋指數(shù)NDSI和水體指數(shù)NDWI提高了冰川分類精度［8］；張飛利用雪蓋指數(shù)從TM影像上有效提取了瑪納斯河流域上游積雪信息［9］。

以上學(xué)者對冰川提取方法的研究都有很大成效。然而這些研究中的冰川大多積雪覆蓋厚度較大，在TM影像中光譜特征單一且范圍較窄。因此，利用冰雪在可見光波段的高反射率和短波紅外波段的高吸收率，通過雪蓋指數(shù)可突出冰川信息。但對于冰雪厚度較薄，在TM影像上光譜特征差異較大，光譜值范圍較寬的冰川，用以上方法無法達(dá)到精確提取冰川的效果。

本文針對青藏高原三江源地區(qū)的雜多縣冰川，利用TM影像從分析冰川的光譜特征入手，通過譜間關(guān)系波段運(yùn)算得到有利于冰川提取的波段，并通過最佳指數(shù)計(jì)算方法和地物可分離性分析得到最佳波段組合，經(jīng)過監(jiān)督分類提取出冰川信息。

二、數(shù)據(jù)源與研究區(qū)概況

雜多縣冰川位于海拔4000 m以上的三江源地區(qū)，該地區(qū)冰川眾多，是長江、黃河、滄瀾江的發(fā)源地。遙感數(shù)字影像資料為2000年7月30號(hào)的陸地資源衛(wèi)星專題制圖儀（landsat thematic mapper，TM）數(shù)據(jù)，行列號(hào)為136/37，如圖1所示。圖1（a）為TM543假彩色合成圖像，圖1（b）為研究區(qū)冰川分布。

三、影像光譜特征分析和波段優(yōu)選

1.光譜特征分析

從圖1可知，TM543波段組合顯示下冰川呈藍(lán)色，冰川的顏色有很大的變化。冰川中部反射率較高，呈亮藍(lán)色，較易與周邊地物區(qū)分；冰川周邊及冰舌反射率較低，呈深藍(lán)色，與其他地物的差異相對較小。因此，根據(jù)冰川與地物間的可區(qū)分程度將冰川分成冰蓋和冰舌兩部分考慮，其中圖像上反射率較高的冰川為冰蓋，反射率較低的冰川為冰舌。與冰川緊鄰的地物有裸土和裸巖，冰川邊緣多數(shù)地方有水體存在，一些地方與河流相連。由于只要提取 冰川信息，因此只研究冰川與周邊地物的可分性。

圖1 研究區(qū)TM影像和冰川分布

因此，在分析TM影像各個(gè)波段上冰川與其他地物的光譜特征時(shí)，將樣本分為冰蓋、冰舌、裸土、裸巖、河流。對各典型地物進(jìn)行采樣，在確保樣本純度的條件下統(tǒng)計(jì)各地物在各個(gè)波段上的光譜均值和方差。繪制地物光譜特征圖，直觀地顯示不同地物類別在每一波段中的光譜值大小和范圍，以及冰川與地物的可分離性大小。表1為各個(gè)地物在TM影像7個(gè)波段上的光譜均值和方差；圖2為地物光譜特征圖。

表1 地物光譜均值和方差

不論是在圖像還是光譜圖上，其顯示出的冰蓋信息都很突出，與其他地物的可分離性較高。冰蓋在TM的前4個(gè)波段與其他地物都可明顯分離，而冰舌幾乎都與其他地物混淆在一起。因此，要提取出完整的冰川，提取冰舌是關(guān)鍵。這就需要尋找冰舌的光譜特征最明顯且與別的地物可分性最大的波段。

2.波段優(yōu)選

地物光譜特征圖中顯示冰舌信息最突出的波段是TM5、TM6、TM7波段，其光譜反射率最小，且這些波段中冰蓋與冰舌的光譜值非常接近，光譜范圍很窄，對冰舌提取十分有利。冰舌在TM6波段與其他地物有很好的分離性，其次是TM5、TM7波段。因此，TM數(shù)據(jù)中對冰舌提取最有利的波段是TM5、TM6、TM7波段。TM6地段的分辨率較低，對其重采樣達(dá)到30 m分辨率。根據(jù)地物光譜曲線上顯示的短波紅外波段5和近紅外波段4之間冰川與其他地物之間的譜間關(guān)系，對這兩個(gè)波段做波段運(yùn)算

得到的新波段B中冰舌信息突出，與周邊其他地物的光譜差異增大，如圖3所示，其中黑色為冰川。

圖3 波段圖像

總結(jié)以上分析，對冰舌提取最有利的波段有TM5、TM6、TM7和B波段。通過合理利用這些波段可提高冰川提取的精度。

四、冰川信息提取

將優(yōu)選波段 TM7、TM6、TM5、B組合后進(jìn)行監(jiān)督分類。為了得到最佳的波段組合，本文采用最佳指數(shù)（optimum index factor，OIF）方法。OIF方法是一個(gè)比較客觀的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其理論依據(jù)為:圖像數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差越大，所包含的信息量越多，而波段的相關(guān)系數(shù)越小，表明各波段的獨(dú)立性越高，信息的冗余度越?。?0］。數(shù)學(xué)表達(dá)公式為

式中，si為第i個(gè)波段的標(biāo)準(zhǔn)差；Rij為i、j兩波段的相關(guān)系數(shù)。由于本文只針對冰川提取，而較難提取的冰川部分為冰舌，因此對冰舌信息的xOIF值進(jìn)行計(jì)算，得到冰舌信息量最大且相關(guān)性最低的波段組合。

統(tǒng)計(jì)以上4個(gè)波段間冰舌信息的相關(guān)性和各波段的標(biāo)準(zhǔn)差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。將這些波段經(jīng)組合并通過式（2）計(jì)算得到xOIF值。表3所示為波段組合的最佳指數(shù)計(jì)算結(jié)果排序。

表2 波段間冰舌信息的相關(guān)性和各波段的標(biāo)準(zhǔn)差

表3 波段組合的最佳指數(shù)排序

為了有效地提取冰川，應(yīng)綜合考慮各波段組合的最佳指數(shù)值和地物樣本可分離性。根據(jù)圖像中的地物種類，將訓(xùn)練樣本分為8種地物，分別是冰蓋、冰舌、裸土、裸巖、植被、河流、云、陰影。樣本選擇完成后統(tǒng)計(jì)以上波段組合下的樣本可分離性。結(jié)果顯示B65組合下的冰舌與其他地物之間的樣本可分離性最高，圖4所示是B65波段組合下的樣本可分離性，因此，選擇B65波段組合進(jìn)行監(jiān)督分類。分類結(jié)果顯示提取的冰川較完整，冰川邊緣較清晰，能較好地與周邊地物分離，如圖5所示。圖5中，（a）為分類前波段組合圖像，（b）為分類結(jié)果，其中，灰白色為冰川，黑色為裸土與裸巖，灰色為植被。

圖4 波段B65組合下冰舌與其他地物的可分離性

圖5 波段B65組合下監(jiān)督分類前后圖像

五、提取結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證提取精度的可靠性，利用更高精度的影像提取冰川面積。從Google Earth上下載與TM影像同時(shí)期的雜多縣冰川，通過人工勾繪得到冰川的面積為82 502 191 m2，本文提取的冰川面積為82 861 200 m2，因此證明本文所用的提取冰川的方法是有效的。圖6（a）為Google Earth原始影像和人工勾繪冰川面積；圖6（b）為本文所用的方法提取的冰川面積。

圖6 提取結(jié)果驗(yàn)證

六、結(jié)束語

本文針對TM影像中光譜值有較大變化的冰川的提取，將冰川分成冰蓋和冰舌兩類。重點(diǎn)分析較難與地物分離的冰舌與周邊地物的光譜特征和譜間關(guān)系。找到對冰舌提取有利的波段，將優(yōu)選波段與TM中其他波段經(jīng)過最佳指數(shù)計(jì)算和地物可分離性分析綜合考慮，得到冰舌信息量最大、相關(guān)性最低且與其他地物的可分離性最高的波段組合，通過監(jiān)督分類可精確提取出冰川。

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