基于遙感影像的植被覆蓋度提取方法研究綜述

王澤 趙良軍 牛凱 張蕓 楊號(hào)

(四川輕化工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

引言

植被是植物學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)或地球科學(xué)中的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，包括許多植物。不同的氣候條件形成不同類型的植被特征。光照、氣溫和降雨都會(huì)影響植物的生長(zhǎng)和分布，形成不同的植被群落。植被群落在生態(tài)系統(tǒng)中通過(guò)光合作用生成有機(jī)物，吸收CO2，釋放O2，實(shí)現(xiàn)碳存儲(chǔ)[1]，在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[2]。植被能夠抑制空氣中細(xì)菌和病毒的傳播，植被的根部、莖部以及葉面與土壤空氣接觸中，植物會(huì)將附著的細(xì)菌、塵埃、顆粒物質(zhì)等有害物質(zhì)吸收。植被群落具有凈化空氣、控制地表濕度等作用；覆蓋面積較廣的植物群落，能夠發(fā)揮減少降水對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的沖刷，具有減緩地表水土流失等作用[3]。植物的根系可以吸收土壤水分，涵養(yǎng)水源，植物的葉片具有蒸騰作用，能夠減少土地干旱的情況，防止土地沙漠化。植被覆蓋度與植被在地面的垂直投影面積占比具有極強(qiáng)的相關(guān)性[4]。因此，特定區(qū)域的植被生長(zhǎng)狀況可以通過(guò)其植被覆蓋度估算來(lái)表示[5]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者提出了大量的植被覆蓋度提取方法，依據(jù)技術(shù)手段和數(shù)據(jù)來(lái)源的不同，主要分為實(shí)地測(cè)量和遙感影像提取。然而對(duì)植被覆蓋度的實(shí)地測(cè)量需要消耗大量的人力、物力、財(cái)力以及時(shí)間成本，不適合做推廣使用且研究意義不大。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展與進(jìn)步，其對(duì)植被覆蓋度提取的高效、精確、快速等優(yōu)勢(shì)愈發(fā)顯著。更重要的是，遙感影像信息豐富、成本低、可讀性強(qiáng)，客觀真實(shí)的反應(yīng)地理空間分布狀況，且基于遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)和估算特定區(qū)域植被覆蓋度不會(huì)受到自然和人為因素的干擾[6]，是當(dāng)前估算區(qū)域植被覆蓋度的最有效手段之一。鑒于此，本文針對(duì)基于遙感影像的植被覆蓋度研究方法進(jìn)行了分類總結(jié)，詳細(xì)闡述其原理以及應(yīng)用；從使用范圍、優(yōu)劣勢(shì)以及影像因子等方面進(jìn)行綜合分析，提出未來(lái)針對(duì)植被覆蓋度提取方法的方向與趨勢(shì)，對(duì)未來(lái)的研究工作開展提供一定的可參考性。

1 基于模型法

1.1 回歸模型法

地表的植被和土壤在遙感影像數(shù)據(jù)中反射率具有明顯的差異性和分辨性，利用此特征擬合分析建立回歸模型，估算研究區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況。依據(jù)回歸模型法擬合系數(shù)和方法的不同，分為線性和非線性兩種[7]。對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)和光譜波段進(jìn)行擬合回歸分析，針對(duì)特定的研究地區(qū)創(chuàng)建特定的線性回歸模型。North等人[8]利用ATSR-2反射率測(cè)量值和相應(yīng)的植被參數(shù)構(gòu)建線性回歸模型，發(fā)現(xiàn)擁有4個(gè)光譜波段值的線性回歸分析模型效果更好。非線性回歸模型是將遙感影像的波段或者植被指數(shù)與植被覆蓋度(FVC)擬合，構(gòu)建出非線性化的回歸模型。Boyd等人[9]在計(jì)算美國(guó)太平洋西北部的針葉林覆蓋度時(shí)，根據(jù)遙感影像中植被不同的光譜波段值建立非線性回歸模型，得出該研究地區(qū)針葉林覆蓋度68%(99%的置信水平)。

1.2 像元分解模型法

像元分解模型是基于遙感影像中最基礎(chǔ)的植被覆蓋度估算方法之一，因?yàn)樵谶b感影像中植被和裸土的反射率存在巨大的差異性，則在像元分解模型中可以精確劃分植被和非植被，外推計(jì)算像元總面積，得到研究區(qū)的植被覆蓋度。因?yàn)橄裨嬖谝?guī)則性、均勻性、復(fù)雜性以及光譜響應(yīng)特征的不同，像元分解模型分為像元二分模型和混合像元模型。

1.2.1 像元二分模型

像元二分模型主要對(duì)規(guī)則、均勻、單一的像元進(jìn)行植被覆蓋度提取[10]。其原理是判定一個(gè)單位像元由植被與非植被2部分組成，而遙感影像中光譜波段組合由這2個(gè)組成部分權(quán)重線性合成，各因子的權(quán)重等于總像元中所占的比例，總像元中植被權(quán)重的集合與植被覆蓋度具有很強(qiáng)的相關(guān)性[11]。此方法的特點(diǎn)是減少了遙感影像中大氣輻射、土壤色澤和植被種類波段差異化等因素的干擾，極大提高了植被覆蓋度的提取精確度。

基于遙感影像得到的全部像元信息S由地表植被覆蓋信息Sveg和地表土壤覆蓋信息Ssoil2部分組成，公式：

S=Sveg+Ssoil

(1)

該像元單位中植被覆蓋的像元比例大小公式：

Sveg=fc×Sveg

(2)

式中，fc表示在此遙感影像的一個(gè)像元中地表植被覆蓋信息所占的比例大小。

該單位像元中非植被覆蓋度信息公式：

Ssoil=(1-fc)×Ssoil

(3)

式中，1-fc表示單位像元中非植被覆蓋信息比例。

通過(guò)公式(2)和公式(3)帶入到公式(1)，可得：

S=fc×Sveg+(1-fc)×Ssoil

(4)

公式(4)轉(zhuǎn)換后得到像元二分模型中的植被覆蓋度(FVC)，公式：

(5)

郭芬芬等[12]建立適用于昌都縣的像元二分模型，并進(jìn)行植被蓋度估算，根據(jù)實(shí)測(cè)植被蓋度數(shù)據(jù)對(duì)估算結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證,實(shí)測(cè)值與估算值的相關(guān)系數(shù)為0.8624,平均精度82.5%。表明該方法適用于研究植被的生長(zhǎng)狀況，且具有較高的精確度。孟沌超等[13]構(gòu)建特定的像元二分模型進(jìn)行田間冬小麥的覆蓋度提取，充分發(fā)揮了該模型方法高效、快速、精確等特點(diǎn)。齊亞霄等[14]通過(guò)依據(jù)地理空間分布特征以及面積加權(quán)重心構(gòu)建像元二分模型，提取2001—2015年天山北坡的植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化情況。劉廣峰等[10]利用構(gòu)建像元二分模型提取烏素沙地的植被覆蓋度，經(jīng)過(guò)與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證，兩者線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92，整體精度達(dá)到79.4%。

1.2.2 混合像元分解模型

在遙感影像中像元的地表覆蓋幾乎是不規(guī)則的、不均勻的、不單一的[15]，不同的地表覆蓋類型具有不同的光譜響應(yīng)特征[16]。所以在獲取遙感影像數(shù)據(jù)的過(guò)程中，由于地物的復(fù)雜性以及遙感影像的誤差性導(dǎo)致在簡(jiǎn)單的單位像元中很難做到植被覆蓋度的精確估算，不能精確反映出該地區(qū)的植被生長(zhǎng)情況?；旌舷裨纸饽Ｐ湍軌?qū)⒅脖?、土壤以及其它?fù)雜的像元信息進(jìn)行分類，并估計(jì)出光譜波段的混合模式、光譜組成和混合像元的比例，利用混合像元分解模型分析得到研究區(qū)域的植被覆蓋度[17]。

李曉松等[18]通過(guò)構(gòu)建混合像元分解模型對(duì)甘肅省民勤綠洲-荒漠過(guò)渡帶的植被進(jìn)行覆蓋度提取，得到的荒漠植被覆蓋正確率達(dá)到了95%以上。證明該方法對(duì)植被覆蓋度的估測(cè)具有較高的精確度和可靠性。劉勇等[19]通過(guò)混合像元分解模型從ETM+融合影像上提取城市植被蓋度,最后利用SPOT影像進(jìn)行精度檢驗(yàn)。因此，像元混合分解模型方法適合用于提取建筑物和道路占比偏高的城鎮(zhèn)地區(qū)的植被覆蓋度。陳彥兵[20]利用混合像元分解模型對(duì)潘陽(yáng)湖濕地的植被生長(zhǎng)狀況進(jìn)行估算，得到的估算精度相比于像元二分模型有顯著提升，更能真實(shí)、客觀地表現(xiàn)出潘陽(yáng)湖的植被生長(zhǎng)狀況和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

2 基于植被指數(shù)法

地表植被是水平和垂直分布生長(zhǎng)，不同種類的植被顏色和形狀各不相同[21]。所以，基于遙感影像中有關(guān)植被的信息主要是通過(guò)改變植被光譜帶的特征及其差異來(lái)獲得的。不同的植被特征能被不同的光譜波段識(shí)別分析。植被指數(shù)的原理是利用不同的光譜波段結(jié)合不同的計(jì)算方法來(lái)估算植被覆蓋度。利用植被指數(shù)進(jìn)行植被覆蓋度估算時(shí)一般選取信息量大且相關(guān)性弱的光譜波段[22,23]，這樣提取光譜波段進(jìn)行分析時(shí)不會(huì)存在較大偏差性，能夠確保植被覆蓋度具有較高的精確性。植被指數(shù)對(duì)區(qū)域植被覆蓋度的提取和研究具有高效性、快速性，且不受區(qū)域和時(shí)間限制。鑒于此，本文針對(duì)當(dāng)前使用最頻繁且高效的幾種植被指數(shù)法進(jìn)行總結(jié)和分析。

2.1 歸一化植被指數(shù)(NDVI)

NDVI由Rouse在1973年提出[24]，是當(dāng)前使用最多的一種植被指數(shù)方法。原理是增加植被中綠葉近紅外波段光譜通道與紅色波段光譜通道之間葉綠素吸收的差異性。公式：

(6)

式中，NDVI值的范圍是-1～1；NIR表示近紅外波段反射率，R表示紅外波段反射率[25]。NDVI<0代表地面上覆蓋的水、雪以及冰川等成分；NDVI=0表示如沙漠、巖石或裸露地面的成分；NDVI>0表示地表植被生長(zhǎng)情況。歸一化植被指數(shù)與植被覆蓋度呈正相關(guān)關(guān)系，綠色植被指數(shù)范圍一般為0.2～0.8。

宮兆寧等[26]為了提取北京野鴨湖濕地自然保護(hù)區(qū)的植被覆蓋度，利用歸一化植被指數(shù)在反映植物生長(zhǎng)狀況、覆蓋程度以及區(qū)分地表覆蓋類型方面的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)原始Landsat TM影像增加NDVI數(shù)據(jù)維對(duì)影像進(jìn)行維度擴(kuò)展。該方法充分反映了北京野鴨湖濕地自然保護(hù)區(qū)區(qū)域內(nèi)地物間的光譜差異，進(jìn)一步提高了植被覆蓋度估計(jì)的準(zhǔn)確性。馬保東等[27]利用NDVI分析神東礦區(qū)1999—2008年10a間礦區(qū)植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)植被指數(shù)趨于上升，表明神東礦區(qū)土地荒漠化情況好轉(zhuǎn)，植被生態(tài)得到改善，礦區(qū)土地荒漠化問(wèn)題得到改善。當(dāng)植物為中低水平時(shí)，NDVI值隨覆蓋率的增加而迅速上升，并且在達(dá)到一定的覆蓋率后將緩慢增長(zhǎng)。因此，NDVI是估算中低覆蓋率作物的理想選擇。

2.2 比值植被指數(shù)(RVI)

RVI值等于近紅外波段和紅外波段2個(gè)通道反射的比例值，間接反映研究區(qū)域的植被覆蓋和樹木生長(zhǎng)狀況。RVI的原理是比較紅色區(qū)域中綠葉在紅外系統(tǒng)中的分布情況，該系統(tǒng)接近于吸收葉綠素的紅外系統(tǒng)。因?yàn)?，近紅外波段具有極高的反射率,而紅光波段具有極低反射率,所以RVI值的范圍較大[28]。公式：

(7)

式中，R表示近紅外波段；NIR表示紅外波段；RVI值的范圍是0～30；一般綠色植被區(qū)的范圍是2～8。

何霜等[29]對(duì)攀枝花地區(qū)進(jìn)行植被覆蓋度估算，結(jié)果表明，植被指數(shù)與植被覆蓋度之間的擬合相關(guān)系數(shù)較大，具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。尹芬等[30]利用RVI提取長(zhǎng)沙地區(qū)的植被覆蓋度，結(jié)果表明，該方法在植被生長(zhǎng)茂盛且覆蓋面積大的區(qū)域具有較高的靈敏度，該方法的靈敏度轉(zhuǎn)換峰值是50%。當(dāng)RVI趨近于1時(shí)，則說(shuō)明該地區(qū)為建筑物、土壤、水域等非植被地區(qū)，而當(dāng)RVI>2時(shí)，說(shuō)明該地區(qū)的植被覆蓋度很高。

2.3 土壤調(diào)整植被指數(shù)(SAVI)

SAVI是在NDVI原理的基礎(chǔ)上增加了土壤調(diào)節(jié)因子L，進(jìn)一步弱化土壤、大氣等因素對(duì)植被光譜反射率造成的干擾。公式：

(8)

式中，ρNIR代表近紅外波段；ρR代表紅光波段；L代表土壤控制指數(shù)。SAVI在NDVI基礎(chǔ)上，考慮到了遙感影像中地表表面植被覆蓋情況的差異性，加入了土壤控制指數(shù)L。L值不是固定不變的，取值范圍為0～1，L=0說(shuō)明地表土壤表面沒(méi)有植被覆蓋，L=1表明土壤控制指數(shù)對(duì)植被覆蓋提取的影響較大。對(duì)于不同的研究區(qū)域和不同的植物覆蓋率，選擇的土壤控制指數(shù)各不相同。

付剛等[31]利用SAVI估算西藏高原的青稞在受到紅外增溫的情況下的植被覆蓋度。池宏康等[32]對(duì)黃土高原地區(qū)提取植被信息的研究中發(fā)現(xiàn)，SAVI對(duì)于中等密度植被覆蓋提取有更好的效果。高志海等[33]發(fā)現(xiàn)，SAVI消除了土壤背景影響以及適應(yīng)區(qū)域內(nèi)植被密度變化的能力強(qiáng)，提取的植被覆蓋度精確度高。

2.4 增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)

在SAVI基礎(chǔ)上再添加1條藍(lán)光波段，以改善植物信號(hào)并糾正如土壤底部和氣溶膠分布等因素的影響。增強(qiáng)型植被指數(shù)適用于植被生長(zhǎng)狀況良好[34]的研究區(qū)。公式：

(9)

式中，G為增益因子；L為背景調(diào)整因子；C1和C2為擬合調(diào)整因子；ρB代表藍(lán)光的光譜反射率；ρR代表紅光的光譜反射率；ρNIR代表近紅外波段的光譜反射率。

王正興等[35]利用增強(qiáng)型植被指數(shù)反演草地植被生物量，發(fā)現(xiàn)EVI不適合提取典型草地和沙地草地等植被覆蓋度適中的地區(qū)。盧遠(yuǎn)等人[36]利用增強(qiáng)型植被指數(shù)和陸地表面溫度(Ts)構(gòu)建EVI-Ts特征空間,并以該特征空間計(jì)算的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)作為干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo),分析廣西2006年秋旱分布。基于EVI構(gòu)建的特征空間更適合于我國(guó)南方干旱地區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況評(píng)價(jià)。曹燕萍等[37]利用EVI對(duì)2002—2016年華北平原植被生長(zhǎng)和水文因子進(jìn)行相關(guān)分析，得出華北平原植被生長(zhǎng)與降水和土壤蓄水量呈正相關(guān)關(guān)系，這有助于消除植被生長(zhǎng)的不利因素，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生積極的影響。

3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)模擬人類學(xué)習(xí)的過(guò)程，依靠極強(qiáng)的模擬學(xué)習(xí)能力，使其適用于眾多研究方向和領(lǐng)域[38]。近些年神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法發(fā)展迅速且應(yīng)用廣泛，在基于遙感影像數(shù)據(jù)源的植被覆蓋度提取中，該方法有極強(qiáng)的容噪能力和非線性處理能力，能解決數(shù)據(jù)飽和時(shí)存在的局限性問(wèn)題。

張亦然等[39]結(jié)合U型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建針對(duì)植被覆蓋度提取的深度學(xué)習(xí)模型，該模型由編碼器和解碼器構(gòu)成，編碼器由4個(gè)編碼層和2個(gè)卷積層組成，解碼器由4個(gè)解碼層和1個(gè)softmax層組成。使用跳躍鏈接的手段，將源圖像輸入編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)特征提取，再由解碼器解析得到原尺寸大小的植被覆蓋區(qū)域，該深度學(xué)習(xí)模型提取植被覆蓋度精度達(dá)到0.86。Voorde等[40]利用感知層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)隨機(jī)選取的訓(xùn)練樣本進(jìn)行植被覆蓋度提取[41],估算出布魯塞爾的植被覆蓋度(FVC)。

圖1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法提取植被覆蓋度過(guò)程

4 討論

雖然模型法對(duì)植被覆蓋度的提取精度較高，但其適用范圍具有一定的局限性，僅適用于小范圍研究區(qū)域，而且對(duì)實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的依賴性，所以模型法的規(guī)?；褂貌灰讓?shí)現(xiàn)。像元二分模型雖然削弱了遙感影像中大氣、植被類型、土壤背景等影響因子且能夠提取較高精確度的植被覆蓋度，但其僅適用于單一、規(guī)則、均勻的像元。反之，像元混合分解模型克服了地物的復(fù)雜性以及遙感影像的誤差性，適用范圍大且估算精確高，但像元中組成成分復(fù)雜且多樣，故時(shí)間成本較高。

與模型法對(duì)比而言，植被指數(shù)法更適用于對(duì)范圍廣以及任何遙感影像源的研究區(qū)域植被覆蓋度提取，且估算精度也更高。但植被指數(shù)的精確度很容易受到土壤亮度、土壤顏色、大氣輻射、遙感器光譜響應(yīng)、雙向反射等影響。所以在實(shí)際應(yīng)用中，不同的植被覆蓋情況以及地物分布情況，需要基于不同的植被指數(shù)法來(lái)構(gòu)建一個(gè)特定空間和區(qū)域的方法，這會(huì)大大提高提取植被覆蓋度的精確度。

結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的深度學(xué)習(xí)模型是植被覆蓋度提取新的趨勢(shì)和方法，不受適用范圍、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及遙感源的影響，能夠?qū)μ囟▍^(qū)域構(gòu)建特定深度學(xué)習(xí)模型，精確提取該研究區(qū)域的植被覆蓋度。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有一定主觀性和黑盒子性質(zhì)，且當(dāng)前該方向研究?jī)?nèi)容較少，缺少一定的可靠性和可參考性。

5 展望

本文對(duì)利用遙感影像提取研究區(qū)域植被覆蓋度中使用頻率最多和使用范圍最廣的方法進(jìn)行分類總結(jié)，為地區(qū)植被生長(zhǎng)狀況評(píng)估提供一定的參考性。目前在植被覆蓋度的提取中，通過(guò)結(jié)合植被指數(shù)和土壤、降水和溫度等影響因素建立特定的植被覆蓋度提取模型是應(yīng)用最多的方法，不僅不受范圍、信息源等限制，還大大提高了提取精度。由于地表分布是沙漠、濕地、丘陵、河流、城市、沙甸、森林和山地等不同地形地貌組成，造成了不同區(qū)域擁有的植被特征差異性較大，所適用的植被覆蓋度提取方法也各不相同。所以，未來(lái)對(duì)一個(gè)地區(qū)的植被覆蓋度的提取，需要考慮其地表特征和植被覆蓋類型，削弱相應(yīng)的影響因子對(duì)植被覆蓋度提取的影響。