基于遙感圖像分析的城市森林景觀退化趨勢(shì)測(cè)量技術(shù)

田鵬

摘 要： 為全面反映城市生態(tài)平衡建設(shè)情況，彌補(bǔ)當(dāng)前城市森林景觀退化趨勢(shì)測(cè)量方法的缺陷，提出基于遙感圖像分析的城市森林景觀退化趨勢(shì)測(cè)量方法。使用Vgtextract軟件對(duì)城市森林景觀遙感圖像的長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和提取，并分波段提取圖像分辨率數(shù)據(jù)。通過分析地理分區(qū)相似性，對(duì)提取出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣分割，獲取圖像中的城市森林景觀，計(jì)算城市森林景觀指數(shù)并集成。將城市不同時(shí)期的集成指數(shù)相減得到退化數(shù)據(jù)，用來描述城市森林景觀退化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提測(cè)量方法對(duì)遙感圖像中城市森林景觀的分割效果好，測(cè)量偏差小。

關(guān)鍵詞： 遙感圖像； 城市森林景觀； 退化趨勢(shì)； 測(cè)量偏差； 圖像分割； 邊緣分割

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； S823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）01?0067?04

Abstract： In order to comprehensively reflect the construction condition of urban ecological balance， and eliminate the defects of the current measurement method for degradation trend of urban forest landscape， a measurement method based on remote sensing image analysis is proposed for degradation trend of city forest landscape. The Vgtextract software is used to denoise and extract the long time series data in remote sensing image of urban forest landscape， and also extract the image resolution data in the mode of dividing wave band. By analyzing the similarity of geographical subareas， the edge segmentation is carried out for the extracted image data to acquire the urban forest landscape in the image， and calculate the urban forest landscape index for integration. The integrated indexes of different periods of the city are subtracted to get the degradation data for description of the urban forest landscape degradation trend. The experimental results show that the proposed measurement method has good segmentation effect of urban forest landscape in remote sensing images， and small measured error.

Keywords： remote sensing image； urban forest landscape； degradation trend； measurement error； image segmentation； edge segmentation

0 引 言

城市森林景觀是內(nèi)陸生態(tài)環(huán)境的主要成分，是城市物質(zhì)能量平衡的基本保障，對(duì)城市大氣資源與水資源具有調(diào)節(jié)能力。隨著民眾環(huán)保理念的提升，民眾對(duì)城市生態(tài)平衡格外重視。人口的增加大幅度減少了城市土地資源，工業(yè)、科技的發(fā)展致使植被、土壤被破壞，土地利用率進(jìn)一步下降[1]。因而，正確測(cè)量城市森林景觀退化趨勢(shì)是把握城市生態(tài)情況、評(píng)估城市發(fā)展、響應(yīng)科學(xué)發(fā)展觀的重要手段，能夠?yàn)槲磥沓鞘幸?guī)劃指引方向。

國(guó)外對(duì)城市森林景觀退化趨勢(shì)測(cè)量技術(shù)的研究較早，比如通過傅里葉變換[2]分析衛(wèi)星數(shù)據(jù)，監(jiān)控城市森林景觀變化情況，優(yōu)點(diǎn)是效率高，但傅里葉變換對(duì)噪聲的變化不敏感，測(cè)量偏差大。使用動(dòng)態(tài)調(diào)和技術(shù)在時(shí)間序列上分類城市森林地與非森林地，按照四季分別分析城市森林景觀退化趨勢(shì)，測(cè)量偏差小，但效率低且不能表征整體退化趨勢(shì)。

考慮到以上兩種測(cè)量技術(shù)的局限性，為了能夠全面反應(yīng)城市生態(tài)平衡建設(shè)情況，提出基于遙感圖像分析的城市森林景觀退化趨勢(shì)測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)遙感圖像中城市森林景觀的分割效果好，測(cè)量偏差小。

1 城市森林景觀遙感圖像數(shù)據(jù)分析

1.1 城市森林景觀遙感圖像數(shù)據(jù)提取

遙感技術(shù)是在遠(yuǎn)程觀測(cè)物質(zhì)狀態(tài)時(shí)提取物質(zhì)屬性數(shù)據(jù)的一種感知技術(shù)，這種技術(shù)依附于自然界內(nèi)所有物質(zhì)均能在自身表面反射或者發(fā)出電磁波這一性質(zhì)，根據(jù)電磁波波長(zhǎng)不同和遙感觀測(cè)距離、電磁波傳播干擾等情況，隨時(shí)隨地獲取物質(zhì)光波屬性，辨識(shí)物質(zhì)類別。實(shí)際應(yīng)用中，一般將遙感技術(shù)與傳感技術(shù)結(jié)合起來，比如在城市森林景觀的測(cè)量中，需要先通過遙感技術(shù)觀測(cè)地理信息，再使用傳感技術(shù)獲取城市森林景觀遙感圖像。遙感技術(shù)的數(shù)據(jù)處理效率高、遠(yuǎn)程觀測(cè)范圍大，但城市森林景觀遙感圖像中含有大量噪音，提取圖像數(shù)據(jù)時(shí)必須將噪音水平降至最低[3]。城市森林景觀遙感圖像內(nèi)與城市森林景觀有關(guān)的數(shù)據(jù)種類可分為兩種：長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)以及分辨率數(shù)據(jù)。

1.1.1 長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)的去噪與提取endprint

長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)以歸一化森林景觀指數(shù)、紅波、類紅波、藍(lán)波和短紅波為主[4]，處理這種數(shù)據(jù)噪音時(shí)先使用幾何光波校準(zhǔn)遙感光波，再按照城市經(jīng)緯度精確剪輯出長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)。處理軟件使用的是Vgtextract，它能夠處理掉等值噪音，具有數(shù)據(jù)合成功能，遙感數(shù)據(jù)中的大氣狀態(tài)和地形結(jié)構(gòu)均可被用作進(jìn)行噪聲輔助處理，適合處理大范圍遙感數(shù)據(jù)。Vgtextract軟件通過將遙感圖像內(nèi)城市森林景觀歸一化指數(shù)NDVI的數(shù)值范圍控制在[-0.1，0.1]內(nèi)，集成量化值ND的范圍控制在[0，200]之內(nèi)，見式（1），從而提取到長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)灰度圖像。NDVI在遙感圖像中的使用很普遍，它能夠減弱因地理因素和天氣因素導(dǎo)致的遙感圖像噪音。

[ND=0.1+NDVI0.004] （1）

1.1.2 分辨率數(shù)據(jù)的提取

隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步，遙感圖像分辨率逐漸增高，低等分辨率圖像已經(jīng)不再使用。如今，城市森林景觀遙感圖像的分辨率普遍在[0.8 m，6 m]之間，無需進(jìn)行去噪?，F(xiàn)以快鳥衛(wèi)星[5]提供的遙感圖像為例，討論分辨率數(shù)據(jù)的提取?？禅B衛(wèi)星是當(dāng)今最早且惟一供給亞米級(jí)分辨率的商用衛(wèi)星，衛(wèi)星遙感圖像的最低分辨率為0.6 m，表1介紹了快鳥衛(wèi)星遙感圖像的一些重要參數(shù)。從表1可知，快鳥衛(wèi)星遙感圖像提供紅、藍(lán)、綠、類紅四種波段的光譜。綠色光譜可以用來提取城市森林景觀的繁茂程度，藍(lán)色光譜則提取景觀的大致輪廓，紅色光譜可辨識(shí)出森林內(nèi)的植被類別。由于物質(zhì)空間分辨率存在差異，因而類紅色光譜的作用是對(duì)植被類別和景觀繁茂程度進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.2 城市森林景觀遙感圖像指數(shù)集成

1.2.1 城市森林景觀指數(shù)

城市森林景觀指數(shù)是評(píng)估城市生態(tài)環(huán)境的項(xiàng)目集合，是測(cè)量景觀退化率的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包括比率指數(shù)RVI、差值指數(shù)DVI、歸一化指數(shù)NDVI、抗大氣指數(shù)ARVI、土壤控制指數(shù)SAVI、增益指數(shù)EVI和森林景觀覆蓋比率VARI[6]，各指數(shù)的計(jì)算公式如下：

[RVI=ρnρr] （2）

[DVI=ρn-ρr] （3）

[NDVI=ρn-ρrρn+ρr] （4）

[ARVI=ρn-ρr+λ（ρb-ρr）ρn+ρr-λ（ρb-ρr）] （5）

[SAVI=（1+L）×ρn-ρrL+ρn+ρr] （6）

[EVI=G（1+L）（ρn-ρr）ρn+c1ρr-c2ρb+L] （7）

[VARI=ρg-ρrρg+ρr-ρb] （8）

式中：[ρn]是類紅光譜反射率；[ρr]是紅色光譜反射率；[ρb]是藍(lán)色光譜反射率；[ρg]是綠色光譜反射率；[λ]是校準(zhǔn)參數(shù)[7]；[L]是土壤調(diào)節(jié)因子；[G]是灰度調(diào)節(jié)因子；[c1，c2]是大氣校準(zhǔn)參數(shù)。

1.2.2 指數(shù)集成

VARI，RVI和DVI是不需要集成的，可直接用來測(cè)量城市森林景觀狀況[8]。將NDVI融入集成量化值ND中，計(jì)算方法同遙感圖像長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)的提取方法相同，如式（1）所示。將ARVI，SAVI，EVI依次融入集成量化值[N]中，ND的計(jì)算公式可以分別如下：

[ND1=255×ARVI-ARVIminARVImax-ARVImin] （9）

[ND2=255×SAVI-SAVIminSAVImax-SAVImin] （10）

[ND3=255×EVI-EVIminEVImax-EVImin] （11）

式中：無下角標(biāo)的城市森林景觀評(píng)估項(xiàng)目表示算術(shù)平均值；下角標(biāo)min和max表示評(píng)估項(xiàng)目的最小值和最大值。

2 遙感圖像分析的城市森林景觀退化趨勢(shì)測(cè)量

方法

2.1 工作流程

基于遙感圖像分析的城市森林景觀退化趨勢(shì)測(cè)量方法的核心是進(jìn)行城市森林景觀遙感圖像的去噪和邊緣分割，圖1介紹了方法流程，圖像去噪是邊緣分割的前提，測(cè)量城市森林景觀退化趨勢(shì)需從景觀邊緣入手，將不同階段的景觀邊緣勾勒出來，描述內(nèi)在植被細(xì)節(jié)，通過對(duì)比分析得出退化趨勢(shì)。邊緣分割對(duì)噪聲十分敏感，通過圖像數(shù)據(jù)去噪與提取，僅存的微小圖像噪音不會(huì)影響邊緣分割結(jié)果。所提方法將根據(jù)分割結(jié)果提取城市森林景觀退化數(shù)據(jù)，分析退化趨勢(shì)。

2.2 邊緣分割

城市森林景觀遙感圖像中具有明顯的地理分區(qū)，結(jié)合圖像灰度梯度對(duì)不同地理分區(qū)之間的相似性進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)邊緣分割。

將城市森林景觀遙感圖像灰度當(dāng)成時(shí)空內(nèi)的一個(gè)曲線圖形，用[N×N]表示遙感圖像分辨率，圖像中的所有點(diǎn)能夠以中點(diǎn)為基準(zhǔn)向外分散進(jìn)行相似度計(jì)算，如圖2所示的正方形塊是[N×N]遙感圖像邊緣處的一個(gè)圖像塊，分辨率為[D×D，]設(shè)圖像中間區(qū)域的分辨率為[E×E，][D×D]圖像與[E×E]圖像中的地理分區(qū)存在相似性，[E×E]圖像與其相鄰的圖像塊也具有地理分區(qū)相似性，由此可推測(cè)出：在進(jìn)行邊緣分割時(shí)，[N×N]圖像中任意兩個(gè)圖像塊之間灰度差的平方和應(yīng)滿足最小值[9]，見下式：

[C=1ki=1k（di-ei）2] （12）

式中：[k=E×E；][di，ei]分別是[D×D]圖像與[E×E]圖像的灰度；[C]是相似度度量。

根據(jù)式（12）遍歷[N×N]圖像內(nèi)所有的邊緣圖像塊，取[C]的最小值集合分割城市森林景觀遙感圖像邊緣。將遙感圖像中的森林景觀準(zhǔn)確提取出來，計(jì)算城市森林景觀指數(shù)。測(cè)量城市森林景觀退化趨勢(shì)時(shí)，將不同時(shí)期的指數(shù)分別集成。通過進(jìn)行城市森林景觀遙感圖像的評(píng)估指數(shù)集成處理，圖像灰度范圍將始終維持在[0，255]之間，此時(shí)使用簡(jiǎn)單的減法運(yùn)算就能得到具體的退化數(shù)據(jù)，如式（13）所示：

[M=NDs-NDp] （13）

式中：[M]是退化數(shù)據(jù)；[NDs，NDp]分別是某一評(píng)估項(xiàng)目的歸一化結(jié)果。endprint

3 驗(yàn)證性測(cè)試

基于遙感圖像分析的城市森林景觀退化趨勢(shì)測(cè)量方法采用C語(yǔ)言編程平臺(tái)開發(fā)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為Windows 8，中央處理器類型為i7，硬盤為700 GB。選取2016年上海市的快鳥衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)2016年上海市真實(shí)城市森林景觀面積以及全年的景觀退化面積。使用ENV處理軟件[10]從衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中訓(xùn)練出2 000個(gè)像素點(diǎn)樣本，包含城市中的建筑、水域、空地以及森林景觀，如圖3a）所示，圖中的F、G區(qū)域各自擁有一個(gè)中型森林景觀，D、E區(qū)域?yàn)榭盏兀@四個(gè)區(qū)域是測(cè)量難點(diǎn)，因此給予重點(diǎn)標(biāo)注。使用本文測(cè)量方法提取圖3中的森林景觀，結(jié)果如圖3b）所示。同時(shí)，壓縮感知測(cè)量方法以及動(dòng)態(tài)調(diào)和測(cè)量方法對(duì)遙感圖像中城市森林景觀的分割結(jié)果如圖3c），3d）所示。經(jīng)分析可知，僅由本文測(cè)量方法對(duì)D、E、F、G四個(gè)難以測(cè)量區(qū)域的中型森林景觀進(jìn)行準(zhǔn)確提取，而且隱藏在建筑與空地之間的小型森林景觀也未與其他部分混淆，分割結(jié)果清晰、準(zhǔn)確。三種方法中，壓縮感知測(cè)量方法的分割效果最不好。

統(tǒng)計(jì)三種方法所測(cè)量出的城市森林景觀面積，與真實(shí)值進(jìn)行比對(duì)，如表2所示，本文測(cè)量方法與真實(shí)值最為貼近，測(cè)量偏差為21.92 km2，其次是動(dòng)態(tài)調(diào)和測(cè)量方法，最差的依舊是壓縮感知測(cè)量方法。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出基于遙感圖像分析的城市森林景觀退化趨勢(shì)測(cè)量方法，結(jié)合遙感圖像去噪、相似度分析、灰度梯度分析、邊緣分割等技術(shù)，針對(duì)城市森林景觀遙感圖像進(jìn)行重點(diǎn)處理，準(zhǔn)確提取出城市森林景觀信息并分析退化趨勢(shì)。整個(gè)方法的分割效果好，測(cè)量偏差小，具有很好的使用價(jià)值。

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