胥海威，韓瑞梅

（1. 河南省地調(diào)院遙感地質(zhì)調(diào)查中心，河南 鄭州 450001；2. 河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

Landsat影像標(biāo)準(zhǔn)化及城市變遷分析

胥海威1，韓瑞梅2

（1. 河南省地調(diào)院遙感地質(zhì)調(diào)查中心，河南 鄭州 450001；2. 河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

利用日照大氣校正模型討論影像標(biāo)準(zhǔn)化方法，并分別以鄭州市和平頂山市城區(qū)為研究區(qū)，使用兩對(duì)研究區(qū)的Landsat影像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合差值主成分法研究城市變遷。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)影像標(biāo)準(zhǔn)化處理后兩對(duì)影像可以明顯削弱大氣與日照影響，去除由此產(chǎn)生的噪聲，得到的城市變化分級(jí)圖真實(shí)反映了研究區(qū)城市化進(jìn)程的變化幅度和空間特征。

定量遙感；影像標(biāo)準(zhǔn)化；城市變遷分析；輻射校正

目前國(guó)內(nèi)對(duì)城市變遷分析的研究主要是根據(jù)歷史資料對(duì)城市的變遷進(jìn)行歷史、文化、政治等方面的分析，基于遙感影像或航測(cè)圖像的定量研究寥寥無(wú)幾。本文以鄭州市和平頂山市為工作區(qū)，使用Landsat4、Landsat5與Landsat7衛(wèi)星影像，探討基于Landsat影像標(biāo)準(zhǔn)化的城市變遷分析。

1 影像標(biāo)準(zhǔn)化模型與評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于不同時(shí)期衛(wèi)星影像的成像條件不同，相同地物在影像上的色度、飽和度、亮度差異較大。為消除這種差異，很多學(xué)者提出不同算法和大氣模型[1-3]，但都需要很多獲取難度很大的大氣參數(shù)，致使這些算法和模型很難付諸實(shí)施。因此，針對(duì)遙感影像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化校正成為一種方便的影像處理技術(shù)[4-6]。

所謂影像標(biāo)準(zhǔn)化，即指通過(guò)將影像灰度值轉(zhuǎn)化為反射率，最大程度地弱化遙感影像成像過(guò)程中出現(xiàn)的大氣等多種因素的影響，從而使不同時(shí)相遙感影像的輻射值一致[7]。當(dāng)前使用最廣泛的影像標(biāo)準(zhǔn)化模型有兩種，一種是經(jīng)典的日照差異校正模型[8]，另一種則是2004年美國(guó)猶他州立大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室提出的日照大氣綜合校正模型。

1.1 日照差異校正模型

日照差異校正模型即為通過(guò)將影像亮度值轉(zhuǎn)化為反射率，消除不同時(shí)相影像間在日地距離和太陽(yáng)天頂角方面的差異，從而達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的目的[8,9]：

1.2 日照大氣綜合校正模型

美國(guó)猶他州立大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)式（2）進(jìn)行修改，在公式中引入大氣影響修正參數(shù)，提出綜合考慮日照和大氣條件的糾正模型[1]：

但同樣有研究表明，使用COST模型計(jì)算會(huì)高估τ值，特別是在成像時(shí)晴空無(wú)云、τ值很小、太陽(yáng)天頂角很高或高緯度地區(qū)， 反而會(huì)影響大氣頂部反射率的正確性。因此，在大氣干擾不嚴(yán)重的情況下，更適合忽略τ值，式（5）可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)TM影像的定量評(píng)價(jià)采用不變特征地物法[10]。首先從影像中提取不變特征地物（通常稱之為輻射地面控制點(diǎn)），提取其灰度值，建立不同時(shí)相影像各波段的回歸方程。不變特征地物是指那些在多時(shí)相影像中反射率不隨季節(jié)和生物周期變化而變化的地物, 如未受擾動(dòng)的深水體、裸巖、大屋頂?shù)取?/p>

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)概況

本次研究選取鄭州與平頂山的季相、時(shí)相和成像條件各不相同的兩對(duì)Landsat影像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中鄭州一對(duì)影像分別為1989年的Landst4影像與2009年Landsat5影像，平頂山影像則都為L(zhǎng)andsat7，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)影像對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)表

2.2 實(shí) 驗(yàn)

1）將鄭州與平頂山的兩對(duì)Landsat影像進(jìn)行正規(guī)化處理。由于兩對(duì)影像下載時(shí)控制云量在5%以下，基本可以忽略大氣影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，IACM模型（公式6）效果更好。

2）在4幅影像上分別選擇深水體或人工混凝土建筑等影像亮度值不隨時(shí)相、季相發(fā)生變化的地物若干，獲取這些地物在兩種不同時(shí)相、季相遙感影像上某個(gè)波段的像元值。

3）將4幅影像對(duì)應(yīng)的像元值分別投影到同一地方不同時(shí)相的二維光譜空間，求出線性回歸方程的系數(shù)（限于篇幅，僅列出鄭州市3個(gè)波段的光譜空間對(duì)照?qǐng)D，見(jiàn)圖1）。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，令回歸方程的截距都為0，得到線性回歸方程的斜率和對(duì)應(yīng)的波段均方差（見(jiàn)表2）。

4）對(duì)正規(guī)化效果好的影像進(jìn)行主成分分析，主組分的第一主成分集中了兩時(shí)相地物變化信息量的90%以上，是分析城市變遷的有效信息源。

圖1 鄭州市1989年、2003年原始影像與標(biāo)準(zhǔn)化后影像樣本點(diǎn)回歸分析圖

5）對(duì)不同時(shí)期影像的第一主成分進(jìn)行差值運(yùn)算，得到包含在這些波段中的地物變化信息。對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行密度分割，獲取城市變遷等級(jí)圖（如圖2、圖3）。

3 結(jié)果與討論

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）對(duì)比圖1各分圖可知，光譜空間內(nèi)樣本點(diǎn)聚集成兩個(gè)群落，說(shuō)明所選擇的樣本屬于兩種地物類型，不同年份光譜空間同樣有助于不同地物類型的分類。

2）影像標(biāo)準(zhǔn)化后，TM影像的各個(gè)波段樣本明顯更靠近斜率為1的直線。從影像標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以推斷，輻射亮度值不隨時(shí)間變化的地物在不同年份影像圖的輻射亮度值是不變的。參照?qǐng)D1的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果（右圖），對(duì)鄭州1989年和2009年TM影像的標(biāo)準(zhǔn)化效果比較明顯。

3）由表2可以發(fā)現(xiàn)，不論是鄭州還是平頂山的原始影像，其回歸方程的斜率都比較大，最大的是鄭州TM影像第4波段，斜率達(dá)到2．21；平頂山TM影像第5波段斜率最小，斜率為0．836。這說(shuō)明，未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的TM影像受大氣輻射的影響較大。

4）由于鄭州的影像時(shí)間跨度較大，必須采用1989年的landsat4影像和2009年的landsat5影像，而平頂山的影像時(shí)間跨度較小，使用的數(shù)據(jù)都是landsat7的ETM+影像。根據(jù)表2，鄭州影像各波段的平均斜率為1．902，平頂山影像各波段的平均斜率為0．78，可以得出由于傳感器類型的差異，鄭州原始影像的光譜空間各波段的斜率都比平頂山的斜率更加遠(yuǎn)離理想模型（斜率為1）。

表2 各對(duì)應(yīng)波段兩時(shí)相影像光譜散點(diǎn)圖回歸方程斜率及均方差表

5）從表2發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的影像，樣本分布明顯更接近于理想模型，鄭州TM影像各波段平均斜率從原始的1．902變?yōu)?．081，平頂山ETM+影像各波段平均斜率從原始影的0．78變?yōu)?．014。

6）根據(jù)圖2與圖3城市變遷程度分級(jí)圖可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)20 a的發(fā)展，鄭州市變化幅度較大，整個(gè)市區(qū)基本都處于中等變化或顯著變化，只有極少的城市中心地帶才屬于細(xì)微變化；而平頂山在研究年份（1999年～2003年），在TM影像上的變化很不明顯，大部分處于細(xì)微變化的級(jí)別。

7）根據(jù)圖2與圖3以及研究區(qū)實(shí)際情況可以發(fā)現(xiàn)，影像與城市發(fā)展?fàn)顩r相吻合。鄭州市作為河南省的省會(huì)，起著政治、文化與經(jīng)濟(jì)中心的作用，其發(fā)展類型明顯是環(huán)狀分布，由內(nèi)至外層層發(fā)展。從圖2可以明顯劃分出鄭州市的二環(huán)至四環(huán)，其變化幅度較大的位置分布于郊區(qū)，市中心變化不明顯。而平頂山屬于資源型城市，北部和西部是礦山，因此雖然研究區(qū)時(shí)間跨度不大，但礦區(qū)周圍屬于中等變化甚至顯著變化，而平頂山在西部建設(shè)新城區(qū)，在圖3可以發(fā)現(xiàn)西部有部分屬于中等變化。

8）鄭州市的研究跨度為1989年～2009年，跨越了鄭州市發(fā)展的幾個(gè)重要階段[11]，分別是1978年～1991年城市大發(fā)展時(shí)期和1992年～2009年的城市快速發(fā)展時(shí)期。經(jīng)過(guò)舊城更新和城市空間拓展,通過(guò)繞城公路、快速三環(huán)、107國(guó)道和金水河、熊耳河,鄭州研究區(qū)所選取的時(shí)間跨度正好位于鄭州的高速發(fā)展期，這一點(diǎn)在圖2中也得到了反映。平頂山市的研究跨度為1999年～2003年，跨越該市城市化進(jìn)程的兩個(gè)階段[12]：1962年～2000年的城市化發(fā)展平穩(wěn)上升和2001年～2006年城市化發(fā)展明顯上升。5年中，城市化水平年平均增長(zhǎng)率為1．42%。從圖3也可以看出，在1999年～2003年，平頂山市的變化整體不大，但新城區(qū)以及礦山周圍建筑是主要變化，這也與平頂山市是資源型城市的定位相吻合。

圖2 1989年～2009年鄭州市城市變化分級(jí)圖

圖3 1999年～2003年平頂山市影像標(biāo)準(zhǔn)化第一組分閾值分割圖

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P237.9

B

1672-4623（2014）04-0046-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.04.016

胥海威，博士，工程師，主要從事資源環(huán)境遙感技術(shù)與應(yīng)用研究。

2013-09-25。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U1261206-3）。