基于高分辨率遙感影像的城市綠地信息提取方法

張雨丹

（西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400799）

1 高分辨率遙感影像的基本特性

高空間分辨率。高分辨率遙感衛(wèi)星能夠獲得目標(biāo)物的圖像，圖像分辨率達(dá)到米級(jí)亞米級(jí)，人們能夠從影像當(dāng)中看到目標(biāo)物的具體尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)及鄰域關(guān)系等。高空間分辨率影像能夠直觀地呈現(xiàn)地物的多種類(lèi)型，如紋理類(lèi)型，那么工作人員通過(guò)觀看目標(biāo)物的影像，即可看清其紋理特征，進(jìn)而分析目標(biāo)物的變化情況，找出目標(biāo)物的變化規(guī)律或者內(nèi)在組成部分。

高時(shí)間分辨率。高分辨率遙感衛(wèi)星是根據(jù)軌道方向，按照一定角度來(lái)進(jìn)行左右側(cè)視的，進(jìn)而獲取相鄰軌道下目標(biāo)物的影像。因?yàn)楦叻直媛蔬b感衛(wèi)星重復(fù)軌道周期為1～3天，所以基于同一地區(qū)所形成的影像時(shí)間間隔較短，能夠動(dòng)態(tài)化地監(jiān)測(cè)目標(biāo)物變化情況。

光譜波段數(shù)減少。高分辨率遙感衛(wèi)星容易受到信噪比、傳輸瓶頸的影響，通常會(huì)設(shè)置一個(gè)高分辨率全色波段和4個(gè)低分辨率多光譜波段，這就使得其光譜波段數(shù)較少，僅能在藍(lán)、綠、紅及近紅外范圍內(nèi)進(jìn)行光譜測(cè)量[1]。

單幅影像數(shù)據(jù)量有很大程度的增加。目前所應(yīng)用的高分辨率遙感衛(wèi)星具有高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)，而高空間分辨率數(shù)據(jù)包括精準(zhǔn)的地理信息及高精度的地形信息；高時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)則包括具體的數(shù)據(jù)量，為中低分辨率數(shù)據(jù)的10倍以上。所以，高分辨率遙感衛(wèi)星還具有單幅影像數(shù)據(jù)量較多的特性。

2 國(guó)內(nèi)外城市綠地信息提取研究概述

2.1 國(guó)外城市綠地信息提取研究

國(guó)外城市綠地信息提取是從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始的，伴隨著先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展及相關(guān)學(xué)者的深入研究，提出了多種城市綠地信息提取的遙感方法，比如，多時(shí)相復(fù)合法、植被指數(shù)法、影像差值/比值法、分類(lèi)后對(duì)比法、主成分分析法等。

2.2 國(guó)內(nèi)城市綠地信息提取研究

與國(guó)外城市綠地信息提取研究相比較，國(guó)內(nèi)研究起步較晚，是進(jìn)入21世紀(jì)以后才逐漸開(kāi)始的。回顧我國(guó)城市綠地信息提取研究歷程，具有典型代表性的研究是2003年江蘇省張家港市在國(guó)家級(jí)園林綠化城市申報(bào)過(guò)程能中，利用真彩色航空遙感影像技術(shù)來(lái)調(diào)查研究建成區(qū)綠地現(xiàn)狀，使得航空影像綠地信息提取步驟明確、方法準(zhǔn)確；2004年大慶市在快速提取綠地信息過(guò)程中，采用多尺度分割技術(shù)，可提高綠地影像的分辨率，通過(guò)影像展示城市景觀綠地的基本面貌。

其實(shí)，在城市綠地信息提取方面，大量學(xué)者參與研究，并取得了一定的成果。比如，在廣州市綠地信息提取研究中，相關(guān)學(xué)者從宏觀角度和微觀角度進(jìn)行深入分析城市綠地信息。在深圳市綠地信息提取研究中，相關(guān)學(xué)者采用了遙感和GIS相結(jié)合的技術(shù)手段，總結(jié)城市綠地特征及提取方法；在南京市綠地信息提取研究中，相關(guān)學(xué)者基于亮度指數(shù)和垂直植被指數(shù)，利用ETM+遙感影像來(lái)進(jìn)行綠地信息動(dòng)態(tài)化分析。

3 基于高分辨率遙感影像的城市綠地信

3.1 研究區(qū)基本概況

近些年，成都城市規(guī)劃急劇擴(kuò)大，城市建設(shè)飛速發(fā)展，園林綠化更是跨越式發(fā)展，中心城綠地總面積不斷擴(kuò)大，注重生態(tài)文明建設(shè)，意在打造“森林城市”。為此，在城市公園建設(shè)中對(duì)周邊主次干道兩側(cè)綠化予以設(shè)置與維護(hù)；在規(guī)劃區(qū)內(nèi)進(jìn)行植樹(shù)造林活動(dòng)；基于公園內(nèi)河流實(shí)際情況，加強(qiáng)生態(tài)治理，構(gòu)建水系生態(tài)景觀等。本次城市綠地信息提取，就是圍繞城市公園綠地展開(kāi)的。

成都高新區(qū)南部園區(qū)，以成都中心城為地標(biāo)，它位于正南方向，占地面積約87平方千米。地處東經(jīng)104°00′45″～104°01′43″和北緯30°31′40″～30°36′8″之間，東面臨近江區(qū)，南面臨近天府新區(qū)、西面臨近武侯區(qū)、北面臨近市區(qū)一環(huán)路。在該片區(qū)域內(nèi)建設(shè)了商業(yè)建筑、住宅樓、道路等基礎(chǔ)設(shè)施。

3.2 研究資料收集

研究資料收集主要是進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)資料收集及遙感影像數(shù)據(jù)資料收集。在圖書(shū)數(shù)據(jù)資料收集的過(guò)程中重點(diǎn)獲取野外勘察資料、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料及基礎(chǔ)與專(zhuān)題圖件資料，從而掌握該城市綠化面積、綠化覆蓋指數(shù)、土地利用現(xiàn)狀圖、城市建設(shè)情況等。在遙感影像數(shù)據(jù)資料收集方面，則利用新型的高分辨率遙感衛(wèi)星來(lái)獲得關(guān)于城市綠地的影像，從中提取數(shù)據(jù)信息[2]。

3.3 軟件硬件準(zhǔn)備

為了保證基于高分辨率遙感影像的城市綠地信息提取能夠良好地展開(kāi)，準(zhǔn)備的硬件有計(jì)算機(jī)、掃描儀等；準(zhǔn)備的軟件有地理信息系統(tǒng)軟件、遙感圖像處理軟件、景觀結(jié)構(gòu)分析軟件、圖像整飾軟件及其他輔助軟件。

3.4 基于高分辨率遙感影像的城市綠地信息提取方法

3.4.1 高分辨率遙感衛(wèi)星的應(yīng)用

在本次城市綠地信息提取之中，選用于2013年發(fā)射的高分辨率遙感衛(wèi)星（GF-1），將其應(yīng)用于城市綠地影像獲取，不僅能夠獲得清晰的影像，還能夠保證影像覆蓋面較廣。利用高分辨率遙感衛(wèi)星（GF-1）來(lái)獲取成都城市公園綠地影像，即：城市綠地影像及城市綠地波段1、2組合彩色影像。

對(duì)城市綠地影像加以研究可知，公園綠地影像的云量為0%，覆蓋面積較廣，且數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，能夠?yàn)檫M(jìn)一步研究城市公園綠地提供參考依據(jù)。細(xì)致地觀看城市綠地影像，可以掌握城市公園綠地內(nèi)所具有的覆蓋物，比如道路、建筑物、河流等。在此基礎(chǔ)上對(duì)城市綠地波段1、2組合標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像加以研究，通過(guò)分析數(shù)據(jù)，即可掌握城市公園綠地的光譜特征、紋理特征及空間特征[3]。

3.4.2 城市綠地信息提取方法

為了能夠提取完整的、有效的、準(zhǔn)確的城市綠地信息，首先利用高分辨率遙感衛(wèi)星進(jìn)行左右側(cè)視，形成城市公園綠地影像。在此基礎(chǔ)上利用地理信息系統(tǒng)軟件、遙感圖像處理軟件、景觀結(jié)構(gòu)分析軟件、圖像整飾軟件等軟件進(jìn)一步處理影像，從而提取所需的信息數(shù)據(jù)，并對(duì)信息數(shù)據(jù)予以整合分析，即可掌握城市公園綠地的基本特征。

為了能夠獲得具有較高應(yīng)用價(jià)值的城市公園綠地整體技術(shù)路線圖，在獲取城市公園綠地遙感影像的基礎(chǔ)上，利用適合的軟件來(lái)對(duì)影像中所涵蓋的基本數(shù)據(jù)信息予以預(yù)處理，也就是圖像融合、自動(dòng)以坐標(biāo)系設(shè)置、正射校正及大氣校正，如此即可提高影像分類(lèi)、明確關(guān)于綠地的植被指數(shù)及綠地光譜屬性值。在此基礎(chǔ)上面向城市公園綠地進(jìn)行再次提取，具體的做法是調(diào)整綠地影像的分割尺度與合并尺度及提取綠地信息的規(guī)則，如此能夠掌握歸一化的植被指數(shù)，進(jìn)而對(duì)城市綠地有植被區(qū)和無(wú)植被區(qū)予以準(zhǔn)確地劃分[4]。

這里所說(shuō)的歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是指近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和，即：

式中，NIR為遙感影像之中近紅外波段的反射強(qiáng)度值；RED為可見(jiàn)紅光波段的發(fā)射強(qiáng)度值。

基于以上式可知，NDVI取值能夠客觀地反映影像的真實(shí)情況。若其取值較高，那么意味園區(qū)內(nèi)綠色植被較多，而在常規(guī)情況下，NDVI的取值范圍為-1～1。所以，根據(jù)歸一化植被指數(shù)能夠很好地區(qū)別植被覆蓋區(qū)域和沒(méi)有植被覆蓋的區(qū)域。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可以計(jì)算歸一化植被指數(shù)的軟件，即ENVI5.1軟件，相關(guān)工作人員在從高分辨率遙感影像中提取城市綠地信息的過(guò)程中，可以利用以上軟件來(lái)計(jì)算歸一化植被指數(shù)，進(jìn)而準(zhǔn)確地判斷和區(qū)分植被覆蓋區(qū)域和沒(méi)有植被覆蓋的區(qū)域[5]。

3.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用整體技術(shù)路線，基于高分辨率遙感衛(wèi)星的應(yīng)用來(lái)獲取關(guān)于城市公園綠地遙感影像，之后對(duì)影像予以預(yù)處理，即可整合數(shù)據(jù)信息，從而達(dá)到提高園區(qū)影響的空間分辨率的目的。與此同時(shí)，多光譜特性不僅不會(huì)受到影響，還會(huì)很好地保留下來(lái)。

需要特別說(shuō)明的是相關(guān)工作人員應(yīng)特別注意城市公園綠地影像的預(yù)處理，地這一環(huán)節(jié)中，如果未能按照標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)進(jìn)行正射校正，那么會(huì)影響城市公園綠地信息的精準(zhǔn)性。而要想真正做好正射校正，則需要將少量的地面控制點(diǎn)與相機(jī)結(jié)合，構(gòu)建具有較高應(yīng)用價(jià)值的校正公式，利用該公式來(lái)校正圖像，即可為后續(xù)更加精準(zhǔn)地提取城市公園綠地信息創(chuàng)造條件。

在城市公園綠地影像預(yù)處理的過(guò)程中實(shí)施大氣校正的目的是消除大氣、光照等因素對(duì)圖像的影響，從而提高圖像的分辨率，為精準(zhǔn)地提取綠地信息創(chuàng)造條件。在本次城市公園綠地影像大氣校正中還要注意慎重選擇校正工具，如果選用不當(dāng)?shù)男Ｕぞ?，將?huì)影響高光譜及多光譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通常情況下，應(yīng)用大氣校正擴(kuò)展模塊下的快速校正工具。之所以能夠快速地完成校正，并且保證校正效果良好，是因?yàn)榇髿庑Ｕㄎ辉诔鞘泄珗@綠地上，按照經(jīng)驗(yàn)值來(lái)全面校正[6]。

在本次城市公園綠地信息提取中，按照歸一化植被指數(shù)來(lái)獲取綠地規(guī)則，主要是歸一化植被指數(shù)變化情況能夠準(zhǔn)確地反映城市公園綠地植被覆蓋情況，即歸一化植被指數(shù)大于-0.15，表示生產(chǎn)綠地、附屬綠地、非植被覆蓋區(qū)域等；歸一化植被指數(shù)小于0.37或者在0.42～1范圍內(nèi)，則能夠準(zhǔn)確地區(qū)分綠地及防護(hù)綠地。之所以這樣說(shuō)，是因?yàn)榉雷o(hù)綠地的歸一化植被指數(shù)取值區(qū)間為0.37～0.42。此外，生產(chǎn)綠地的歸一化植被指數(shù)取值區(qū)間為-0.33～-0.15，附屬綠地的歸一化植被指數(shù)取值區(qū)間為-0.22～-0.18。通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算歸一化植被指數(shù)，即可準(zhǔn)確地掌握城市公園綠地規(guī)律，也就是防護(hù)綠地、生產(chǎn)綠地、附屬綠地等不同綠地的分布情況。

利用高分辨率遙感衛(wèi)星（GF-1）獲取某城市內(nèi)不同公園綠地信息數(shù)據(jù)，需要反復(fù)多次操作，以保證所獲得的遙感影像精準(zhǔn)、有效，能夠反映不同公園綠地的特點(diǎn)。所以，在提取和分析城市綠地信息的過(guò)程中，要盡量避免參照同一城市不同地區(qū)的綠地影像，而是利用高分辨率遙感衛(wèi)星來(lái)獲取目標(biāo)物的影像，進(jìn)而對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理，之后基于精準(zhǔn)度較高的圖像來(lái)計(jì)算歸一化植被指數(shù)，確定城市綠化規(guī)律，掌握城市綠地的基本特征，比如光譜特征、紋理特征及空間特征等，準(zhǔn)確且良好地區(qū)分城市綠化類(lèi)型。本次城市公園綠地信息提取研究，充分說(shuō)明了高分辨率遙感影像的應(yīng)用是非常必要的，能夠?yàn)榫G地信息獲取與分析提供數(shù)據(jù)支持[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

城市綠地信息提取是非常必要的，能夠?yàn)榉治龀鞘芯G地類(lèi)型及基本特性提供參考依據(jù)。經(jīng)過(guò)本文分析，確定要想準(zhǔn)確地提取城市綠地信息，就需要科學(xué)合理地應(yīng)用高分辨率遙感技術(shù)，獲得關(guān)于目標(biāo)物的影像，進(jìn)而對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理，之后計(jì)算歸一化植被指數(shù)，判斷和區(qū)分城市綠地的類(lèi)型。所以，基于高分辨率遙感影像的城市綠地信息提取對(duì)于城市綠地規(guī)劃及生態(tài)文明建設(shè)有著積極的促進(jìn)作用，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)正確認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，掌握提取方法，以便在崗位工作中能夠快速且準(zhǔn)確地提取城市綠地信息?！?/p>