基于遙感影像的不同植被指數(shù)比較研究

賀金蘭+++張明月+++田尉霞

摘 要：以汶川地區(qū)的多光譜遙感影像Landsat 8 OLI為數(shù)據(jù)源，利用比值植被指數(shù)（RVI）、歸一化植被指數(shù)（NDVI）、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（SAVI）、修正的土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（MSAVI）4種植被指數(shù)和植被信號(hào)與土壤噪音之比（S/N）對(duì)研究區(qū)不同區(qū)域的植被進(jìn)行比較研究，結(jié)果表明歸一化植被指數(shù)與土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)適合該地區(qū)的實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞：遙感影像；植被指數(shù)；信噪比；比較研究

引言

現(xiàn)如今，遙感探測(cè)已成為植被研究的一個(gè)高效方法，植被指數(shù)是遙感領(lǐng)域中用來(lái)表征地表植被覆蓋，生長(zhǎng)狀況的一個(gè)簡(jiǎn)單有效的度量參數(shù)。植被指數(shù)的定量測(cè)量可表明植被活力，它比單波段用來(lái)探測(cè)生物量有更好的靈敏性。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，植被指數(shù)在環(huán)境、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。目前為止，已經(jīng)有許多植被指數(shù)被發(fā)現(xiàn)與研究，不同的植被指數(shù)有其不同的適用性，由于地理環(huán)境、植被覆蓋度、植被生長(zhǎng)狀況等很多因素的影響，對(duì)于不同的地區(qū)，植被指數(shù)會(huì)有不同的敏感性。同理，在同一地區(qū)的不同區(qū)域植被指數(shù)也會(huì)有不同的體現(xiàn)。其次植被信號(hào)與土壤噪音之比是植被指數(shù)選擇的一個(gè)重要因素，安培浚等從降低土壤背景的影響效果、探測(cè)植被覆蓋度的能力、探測(cè)植被信息的能力三個(gè)方面，利用對(duì)比分析的方法做了西北干旱地區(qū)民勤綠洲的植被指數(shù)遙感定量研究；陳明華等利用同樣的方法做了不同植被指數(shù)估算植被覆蓋度的比較研究?；诖耍趯?duì)研究區(qū)域了解有限的情況下，根據(jù)獲取的遙感影像，觀察植被的分布情況，把研究區(qū)分為5個(gè)感興趣區(qū)域，然后再用植被指數(shù)與信噪比對(duì)植被指數(shù)的生長(zhǎng)狀況以及植被指數(shù)的選取進(jìn)行對(duì)比研究。從而找出適合汶川地區(qū)植被研究的植被指數(shù)，為遙感監(jiān)測(cè)該研究區(qū)的植被提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

汶川縣位于四川省西北部的阿壩州境東南部的岷江兩岸，緯度坐標(biāo)為北緯30°45′～31°43′與東經(jīng)102°51′～103°44′之間。其總面積為408432.56公頃。汶川縣氣候隨東南向西北地勢(shì)上升，呈比較完整的垂直氣候帶。在2000米以下地區(qū)，年均氣溫13.5℃（北部）～14.1℃（南部），無(wú)霜期247～269天，雨量528.7～1332.2毫米，日照1693.9～1042.2小時(shí)，適宜各類動(dòng)植物生長(zhǎng)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究區(qū)的數(shù)據(jù)來(lái)自2013年汶川縣Landsat8OLI遙感影像圖，利用ENVI5.1對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、拼接、裁剪，然后再色彩合成得到預(yù)處理之后的圖像（圖1）。

3 理論基礎(chǔ)

3.1 比值植被指數(shù)

由于近紅外波段與可見(jiàn)光紅光波段對(duì)綠色植物的光譜響應(yīng)有很大的不同，它們之間的比值可以反映出紅光波段與近紅外波段反射率之間的差異，其計(jì)算公式為：

RVI=Rn/Rr

Rn為近紅外波段的反射率，Rr為紅光波段的反射率，這里的近紅外波段選取遙感影像的第5波段，紅光波段選取遙感影像的第4波段。

3.2 歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)通過(guò)近紅外波段與可見(jiàn)光紅光波段數(shù)值之和除以這兩個(gè)波段數(shù)值之差得到，計(jì)算公式為：

3.3 土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)

該植被指數(shù)是為了將土壤亮度對(duì)植被指數(shù)的影響減至最低，計(jì)算公式為：

3.4 修正的土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)

該植被指數(shù)將土壤背景影響進(jìn)一步被減小，同時(shí)植被的敏感性得到增強(qiáng)，計(jì)算公式為：

3.5 植被信號(hào)-土壤噪音比

植被在未完全覆蓋地表的狀態(tài)下，部分紅外光透過(guò)植被冠層時(shí)，經(jīng)散射或透射到地表，發(fā)生復(fù)雜的土壤-植被相互作用，經(jīng)反射到傳感器中既有植被信息又有土壤背景信息，造成植被提取應(yīng)用過(guò)程中形成誤差。其計(jì)算公式為：

S/N=V/2？啄

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 植被指數(shù)分析

該地區(qū)的研究圖像收集于冬季，研究區(qū)里多高山，某些區(qū)域出現(xiàn)大量的雪，且植被分布不均，所以本文在整個(gè)研究區(qū)確定了5個(gè)感興趣的區(qū)域（圖2），然后在ENVI5.1中利用bandmath工具計(jì)算各個(gè)植被指數(shù)，統(tǒng)計(jì)出每個(gè)區(qū)域的植被指數(shù)值（表1）。

由于不同植被指數(shù)的取值范圍不同，所以對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向比較，即對(duì)同一植被指數(shù)在不同區(qū)域的數(shù)值大小進(jìn)行比較。比值植被指數(shù)的取值范圍是：[0，30]，一般綠色植被區(qū)的范圍是：[2，8]，從表1可以看出5個(gè)區(qū)域的比值植被指數(shù)都表現(xiàn)較好，每個(gè)區(qū)域都是由綠色健康植被覆蓋，特別是區(qū)域2的比值植被指數(shù)表現(xiàn)最好；歸一化植被指數(shù)的取值范圍是[-1，1]，一般綠色植被區(qū)的范圍是[0.2，0.8]，它是遙感估算值被覆蓋度最常用的一個(gè)植被指數(shù)，從表1可以看出5個(gè)區(qū)域的植被覆蓋度都較高；總的來(lái)說(shuō)，區(qū)域4的各種植被指數(shù)都低于其余區(qū)域的植被指數(shù)值，這是由于該區(qū)域的植被分布不均且有較多的雪覆蓋地面造成的。

4.2 信噪比分析

S/N表示在提取植被信息時(shí)，植被指數(shù)受土壤的影響程度。S/N越大，植被指數(shù)提取植被信息過(guò)程中受土壤影響的程度就越低。通過(guò)縱向比較，對(duì)于同一植被指數(shù)，區(qū)域1、區(qū)域3、區(qū)域5的信噪比較大，其受土壤影響程度較小，區(qū)域4的信噪比最小，則其受土壤的影響程度最大；通過(guò)橫向比較，對(duì)于同一區(qū)域，SAVI與NDVI提取植被信息時(shí)受土壤影響程度較小，RVI提取植被信息時(shí)受土壤影響最大。

5 結(jié)論

由植被指數(shù)分析得出，該研究區(qū)的植被覆蓋度較高，且該地區(qū)的植被都是綠色健康的；由信噪比分析得出，對(duì)于汶川地區(qū)的植被信息提取，歸一化植被指數(shù)與土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)較其它的植被指數(shù)消除土壤影響的效果好；綜合表1與表2的數(shù)據(jù)，在植被覆蓋度較低的情況下，植被指數(shù)提取植被信息的效果較差，植被指數(shù)（NDVI）與土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（SAVI）是較適合研究該區(qū)域的植被指數(shù)。在沒(méi)有該研究區(qū)充分的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，比較出適合該研究區(qū)的植被指數(shù)，這是一種高效簡(jiǎn)單的方法。

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作者簡(jiǎn)介：賀金蘭（1993-），女，漢族，四川廣元人，碩士研究生在讀，成都理工大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院，研究方向：數(shù)學(xué)。