應(yīng)用國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取風(fēng)蝕荒漠化遙感信息方法研究

葛超英 李戰(zhàn) 徐雯佳

摘要：基于國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，建立荒漠化遙感信息產(chǎn)品指標(biāo)體系，利用風(fēng)蝕荒漠化影響因子對(duì)荒漠化遙感信息進(jìn)行分級(jí)提取。該方法以國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)影像數(shù)據(jù)為風(fēng)蝕荒漠化分類特征波段，利用面向?qū)ο蠓椒?，分離非荒漠化信息、建立風(fēng)蝕荒漠化分類提取方法，并進(jìn)行風(fēng)蝕荒漠化提取方法精度評(píng)價(jià)。本文介紹了在民勤地區(qū)應(yīng)用國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取風(fēng)蝕荒漠化分級(jí)信息的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)衛(wèi)星；風(fēng)蝕荒漠化；面向?qū)ο?/p>

1.引言

荒漠化對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展等帶來(lái)嚴(yán)重影響，如何有效調(diào)查統(tǒng)計(jì)、控制沙漠化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著我國(guó)國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的多光譜、多時(shí)相、多空間分辨率的出現(xiàn)，為荒漠化信息提取提供了豐富的信息源。本文在綜合研究以往荒漠化指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，利用國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合3S（GIS、GPS、RS）技術(shù)，研究風(fēng)蝕荒漠化提取方法并進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

2.研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省民勤縣，地理范圍為東經(jīng)103°00′～103°15′，北緯38°30′～38°40′。研究區(qū)位于河西走廊東北部，西、北、東三面環(huán)沙，在巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠兩大沙漠的半包圍中。屬溫帶荒漠氣候區(qū)、典型的荒漠生態(tài)類型區(qū)。

3.數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

3.1數(shù)據(jù)源

研究區(qū)荒漠化信息提取選取國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)數(shù)據(jù)，包含分辨率為2m的全色數(shù)據(jù)和8m的多光譜數(shù)據(jù)，時(shí)相為2015年6月9日。

3.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

高分一號(hào)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括大氣校正和幾何校正兩部分。其中大氣校正利用ENVI軟件提供的FLAASH模型，設(shè)置大氣模型和氣溶膠類型等參數(shù)；幾何校正借助RPC文件、DEM和參考影像，利用ENVI軟件進(jìn)行正射校正，控制點(diǎn)殘差中誤差不大于1個(gè)像素。此外，為排除影像數(shù)據(jù)中云的影響，還要進(jìn)行云檢測(cè)。

4.研究方法

4.1土地荒漠化程度分級(jí)指標(biāo)

朱震達(dá)（1984）提出了荒漠化程度判定指標(biāo)體系。吳正（1987）在朱震達(dá)的荒漠化程度判讀指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，提出了荒漠化判別標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《區(qū)域環(huán)境地質(zhì)調(diào)查總則（試用）》中規(guī)定了土地沙漠化、石漠化、土地鹽漬化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家林業(yè)局（2009）在《第四次全國(guó)荒漠化和沙化監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定了荒漠化遙感調(diào)查指標(biāo)體系，風(fēng)蝕荒漠化從植被覆蓋度、地表形態(tài)兩個(gè)方面將荒漠化劃分為輕度、中度、重度、極重度四個(gè)方面。

在以往荒漠化評(píng)價(jià)指標(biāo)研究的基礎(chǔ)上建立了綜合的風(fēng)蝕荒漠化指標(biāo)體系。風(fēng)蝕荒漠化從植被覆蓋度、地表形態(tài)兩個(gè)方面將荒漠化劃分為輕度、中度、重度、極重度4個(gè)級(jí)別。見(jiàn)表1。

4.2風(fēng)蝕荒漠化解譯標(biāo)志

根據(jù)國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點(diǎn)及研究區(qū)內(nèi)各級(jí)風(fēng)蝕荒漠化的空間位置、色調(diào)特征、形態(tài)特征、影紋特征建立了遙感解譯標(biāo)志。見(jiàn)表2。

4.3風(fēng)蝕荒漠化提取流程

研究區(qū)內(nèi)荒漠化提取流程如圖2所示，主要包括提取荒漠化影響因子植被覆蓋度和地表形態(tài)兩部分。利用已有成熟模型提取植被覆蓋度，并利用面向?qū)ο蠓椒ㄌ崛〉乇硇螒B(tài)，根據(jù)荒漠化指標(biāo)體系劃分荒漠化等級(jí)，建立1：5萬(wàn)比例尺風(fēng)蝕荒漠化信息提取方法。

4.3.1植被覆蓋度

植被的覆蓋狀況能夠較好地反映荒漠化的分布情況，其值的高低與荒漠化的程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。植被覆蓋度是研究生態(tài)變化的重要指標(biāo)，也是我國(guó)荒漠化監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系中的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（丁國(guó)棟，2004）。植被覆蓋度根據(jù)像元二分模型（李苗苗，2003），通過(guò)公式變換得到公式如下：

4.3.2地表形態(tài)

利用ENVI軟件面向?qū)ο蠓椒ㄌ崛〉乇硇螒B(tài)，面向?qū)ο蠓椒ㄊ腔卩徑袼亓炼?、紋理、顏色等的邊緣分割算法，分割效果的好壞直接影響分類效果的精度。針對(duì)國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點(diǎn)，根據(jù)提取對(duì)象特征不同，選擇合適的分割閾值，能盡可能好的分割出邊緣特征。針對(duì)研究區(qū)內(nèi)提取地表形態(tài)閾值設(shè)定如下：

提取地表形態(tài)中人工建筑需利用GF-1的全色數(shù)據(jù)，分割閾值設(shè)置在60左右，合并閾值設(shè)置在90左右，可以盡量滿足提取需求，由于人工建筑相對(duì)面積較小，根據(jù)提取需求，通常空間分辨率調(diào)整不低于8m效果較好。根據(jù)規(guī)則提取人工建筑參數(shù)設(shè)置：空間（Spatial），面積（Area）：<2500，延長(zhǎng)線（Elongation）：>4.5。

提取地表形態(tài)中的沙化程度，分割閾值設(shè)置在10～40，合并閾值一般設(shè)置在90左右，沙化地表依賴規(guī)則提取形成較困難，采用基于樣本的面向?qū)ο蠓椒ㄌ崛〉乇砩郴潭取?/p>

受數(shù)據(jù)質(zhì)量、時(shí)相、地域影響，閾值設(shè)置可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

4.3.3風(fēng)蝕荒漠化程度分級(jí)

根據(jù)荒漠化指標(biāo)體系，分別為植被覆蓋度、地表形態(tài)賦分值，植被覆蓋度與地表形態(tài)分值相加，消除干擾圖斑及碎小圖斑，得到風(fēng)蝕荒漠化矢量。根據(jù)風(fēng)蝕荒漠化程度分級(jí)指標(biāo)劃分荒漠化程度，另地表形態(tài)中土地利用類型為人工建筑的劃定為非荒漠化。見(jiàn)圖3。

5.精度評(píng)價(jià)

設(shè)置若干驗(yàn)證點(diǎn)均勻分布研究區(qū)內(nèi)，將根據(jù)荒漠化指標(biāo)體系提取風(fēng)蝕荒漠化成果與目視解譯分級(jí)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，對(duì)兩者進(jìn)行一致性評(píng)價(jià)。研究區(qū)內(nèi)共均勻設(shè)置54個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)，其中2個(gè)落于云上，實(shí)際有效驗(yàn)證點(diǎn)為52個(gè)。

通過(guò)對(duì)驗(yàn)證點(diǎn)提取結(jié)果與目視解譯結(jié)果進(jìn)行一致性對(duì)比分析，結(jié)果如下表3所示。

由表3可知，輕度與中度風(fēng)蝕荒漠化提取結(jié)果與目視解譯結(jié)果一致性較高，百分比為83.33%；其次為非荒漠化與極重度風(fēng)蝕荒漠化，百分比為80%；重度風(fēng)蝕荒漠化百分比為78.95%。分級(jí)結(jié)果總體保持了較好的線性關(guān)系，分類結(jié)果基本能反映研究區(qū)內(nèi)風(fēng)蝕荒漠化的基本情況。見(jiàn)表4。

表4研究區(qū)風(fēng)蝕荒漠化提取結(jié)果與目視解譯結(jié)果一致性分析

由表4可知，研究解譯成果與目視解譯成果存在一定的差異。其中，目視解譯成果正確率與解譯人員經(jīng)驗(yàn)是否豐富、影像質(zhì)量、時(shí)相等有關(guān)系；自動(dòng)提取成果與指標(biāo)體系、算法、閾值、影像質(zhì)量、時(shí)相等相關(guān)，所以提取結(jié)果也會(huì)有所偏差。研究風(fēng)蝕荒漠化提取過(guò)程數(shù)字化，取代人的思維決策，使分類依據(jù)更加可靠。

6.結(jié)論

（1）利用高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取植被覆蓋度和地表形態(tài)，根據(jù)荒漠化指標(biāo)體系劃分荒漠化程度分級(jí)。

（2）利用面向?qū)ο蠹八榘咛幚矸椒梢暂^好地提取出非荒漠化信息；使用基于樣本和規(guī)則面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)對(duì)風(fēng)蝕荒漠化進(jìn)行分級(jí)提取，提取結(jié)果較能反應(yīng)研究區(qū)內(nèi)風(fēng)蝕荒漠化的基本情況。