柳曉農(nóng)，江 洪，汪小欽

構(gòu)建植被區(qū)分陰影消除植被指數(shù)提取山地植被信息

柳曉農(nóng)，江 洪※，汪小欽

（1. 福州大學(xué)空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福州 350108；2. 衛(wèi)星空間信息技術(shù)綜合應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心，福州 350108；3.數(shù)字中國研究院（福建），福州 350108）

山地植被信息在氣候變化研究和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用，遙感技術(shù)能夠快速獲取山地植被信息，但是存在山地地形陰影的影響以及山地植被信息混淆問題。該文以山地植被為研究對象，基于Landsat衛(wèi)星遙感影像多光譜數(shù)據(jù)，分析山地植被的主要特點，借鑒陰影消除植被指數(shù)（shadow eliminated vegetation index，SEVI）的構(gòu)造原理及形式，提出了一種適用于山地植被覆蓋遙感監(jiān)測的植被指數(shù)算法—植被區(qū)分陰影消除植被指數(shù)（vegetation distinguished and shadow eliminated vegetation index，VDSEVI）。研究結(jié)果表明：相對于已有的其他植被指數(shù)，VDSEVI較好地消除了地形陰影的影響；VDSEVI的信息量大，植被覆蓋的識別能力較強(qiáng)，較好地解決了植被信息混淆問題，能夠更好地反映山地植被覆蓋情況。不同土地覆蓋類型的VDSEVI存在顯著差異；陰影稀疏林地和相鄰非陰影稀疏林地的相對誤差較小，為3.428%；各土地覆蓋類型樣本VDSEVI標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.06；植被覆蓋樣本VDSEVI與太陽入射角余弦值（cos）的相關(guān)系數(shù)為?0.800。為驗證VDSEVI在其他地區(qū)的適用性，將VDSEVI應(yīng)用于內(nèi)蒙古阿爾山和福州市閩侯縣，結(jié)果表明VDSEVI同樣適用。新疆那拉提、內(nèi)蒙古阿爾山和福州市閩侯縣3個區(qū)域基于VDSEVI閾值法的植被信息提取總體精度分別為84.136%、87.339%、86.709%，Kappa系數(shù)分別為0.799、0.788、0.791。

遙感；植被；山地；信息提??；植被區(qū)分陰影消除植被指數(shù)（VDSEVI）

0 引 言

山地是地球陸地表面地形復(fù)雜的地理單元，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，對環(huán)境變化較為敏感[1-2]。植被是覆蓋地表的植物群落的總稱，包括森林、灌叢和草地等多種類型的植被，是地理環(huán)境中的重要組成部分，作為山地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因子，扮演著非常重要的角色[3-4]。植被覆蓋變化影響山地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值[5]，因此，研究山地植被信息的有效提取，對于權(quán)衡山地生態(tài)保護(hù)與發(fā)展及土地資源的可持續(xù)利用具有重要意義[6]。遙感技術(shù)作為一種新型的綜合性探測技術(shù)，具有獲取信息速度快、周期短、可獲取大范圍數(shù)據(jù)資料等優(yōu)點，能夠快速準(zhǔn)確地獲取植被的分布特征信息[7]。遙感影像上的地形陰影在遙感影像數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為像元亮度值偏低[8]。地形陰影區(qū)域地物信息量相對較少，難以判讀，在影像處理和工程應(yīng)用中，影響操作進(jìn)程，甚至產(chǎn)生錯誤結(jié)果。隨著遙感影像的廣泛應(yīng)用，消除地形陰影影響的方法研究意義重大。

遙感數(shù)據(jù)中的紅光波段和近紅外波段組合對綠葉生物量敏感，可用于檢測植物冠層的光合作用活性生物量[9]。Birth等[10]提出比值植被指數(shù)（RVI），用以監(jiān)測高密度植被區(qū)域的動態(tài)變化[11]，但是數(shù)值會隨植被密度無限增大，并且對低密度植被敏感性低。Rouse等[12]對比值植被指數(shù)進(jìn)行非線性變換提出歸一化植被指數(shù)（NDVI），NDVI被廣泛應(yīng)用于植被時序變化監(jiān)測[13]，但是NDVI在密集植被區(qū)域存在飽和問題[14]，由于裸露土壤的影響，NDVI對于低覆被地區(qū)的響應(yīng)也不好[15]?；贜DVI改進(jìn)后的增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI2）[16]，提高了對高植被量區(qū)域的敏感性。植被指數(shù)可有效地反映植物生長狀況和生物量等，在土地覆蓋分類中具有重要作用[17]。地形對植被指數(shù)影響較大，復(fù)雜山地地形陰影對遙感信息提取的影響不容小覷[18]。

考慮到地形陰影效應(yīng)對植被遙感信息提取的影響，不少學(xué)者提出新的植被指數(shù)。江洪等[19-20]構(gòu)建地形調(diào)節(jié)植被指數(shù)（TAVI）組合算法，能有效解決地形影響；吳志杰等[21]提出歸一化差值山地植被指數(shù)，可有效抑制地形影響；劉健等[22-23]構(gòu)建的陰影植被指數(shù)增大陰影與明亮區(qū)植被、水體間的差異，可有效檢測陰影。Wang等[24]提出基于區(qū)域灰度邊緣假設(shè)的陰影去除方法可得到高質(zhì)量的無陰影圖像；Li等[25]提出考慮本影和落影的地形校正框架來提高陰影校正的精度。邊金虎等[26]提出地形陰影區(qū)光譜信息恢復(fù)方法；賴日文等[27]構(gòu)建陰影檢測模型；張?zhí)鸬萚28]采用相似像元包絡(luò)線的陰影校正方法實現(xiàn)陰影亮度重建。Jiang等[29]在TAVI研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出地形陰影消除植被指數(shù)（SEVI），有效消除山區(qū)地形陰影（本影和落影）的影響，彌補(bǔ)傳統(tǒng)地形校正的不足。眾多的植被指數(shù)各有特色，有注重高密度植被信息提取、關(guān)注植被與水體的差異、致力于檢測陰影和消除陰影等，但是較少能顧及多個方面。

植被信息提取方法的研究不斷深入[7]，劉曉娜等[30]運用決策樹分類的方法提取植被信息，成林分類總精度超過90%，幼林分類總精度超過75%；沈明霞等[31]采用主成分與NDVI融合，融合后的影像有利于植被信息提取和變化檢測；Ono等[32]建立陰影指數(shù)（SI）用于植被分析；許玉鳳等[33]利用多源數(shù)據(jù)構(gòu)建NDVI數(shù)據(jù)集，融合后的數(shù)據(jù)的2為0.959，可以用于不同植被類型信息提取和時間序列分析。但是由于“同物異譜”和“同譜異物”的現(xiàn)象存在，植被指數(shù)在植被類型的遙感解譯依然存在誤差[34-35]。

目前已有的山地植被指數(shù)仍有不足之處：一是指數(shù)模型需通過實驗統(tǒng)計獲取模型調(diào)節(jié)參數(shù)，在實際應(yīng)用中，存在局限性和不確定性；二是由于不同地區(qū)山地植被覆蓋類型差異大，植被指數(shù)往往具有明顯的地域性；三是不同植被覆蓋類型的植被指數(shù)數(shù)值無明顯差異，導(dǎo)致山地植被信息混淆。解決以上問題，才能有效發(fā)揮遙感植被指數(shù)在空間覆蓋范圍廣、時間序列長、數(shù)據(jù)具有一致可比性等方面的優(yōu)勢[36]。本文使用新疆那拉提山地區(qū)域的Landsat8陸地成像儀（OLI）數(shù)據(jù)，考慮地形陰影消除和植被覆蓋信息混淆問題，借鑒SEVI的構(gòu)造原理和形式，構(gòu)建新的指數(shù)算法，增大植被指數(shù)的信息量，用于準(zhǔn)確提取山地植被信息。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在新疆那拉提，地理坐標(biāo)為84°4'～84°28'E，43°8'～43°24'N，面積約900 km2，平均海拔約2 200 m。研究區(qū)三面環(huán)山，西部敞開，地處大陸性暖溫帶半干旱氣候區(qū)，水量充沛。地勢東高西低，主要由平原、丘陵、山地組成。擁有草原、森林、河谷、雪峰等，尤其是云杉林和高山優(yōu)質(zhì)草原草場。研究區(qū)如圖1所示。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)源和預(yù)處理

遙感數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn），本文下載并使用空間分辨率30 m，行列號144030，122027和119042的Landsat8OLI多光譜影像和數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)。

遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理過程涉及到遙感原始數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)，表觀反射率的計算，地形校正和地表反射率的計算。傳統(tǒng)的基于DEM的地形校正模型[37]包括余弦、C、SCS。C模型在一定程度上避免了余弦校正模型在低光照區(qū)域的過校正問題，被廣泛使用，因此本研究中的地形校正采用C模型。大氣校正是獲取地表反射率的一種途徑，大氣校正方法較多，本研究采用大氣校正效果較好的FLAASH（fast line-of-sight-atmospheric analysis of spectral hypercubes）模型[38]。

太陽入射角余弦值（cos）與植被指數(shù)的相關(guān)性分析是評價地形陰影效應(yīng)消除效果的經(jīng)典方法[39]。由DEM數(shù)據(jù)計算研究區(qū)cos值，cos計算表達(dá)式為

cos=cos·cos+sin·sin·cos(?) （1）

式中為太陽入射角，(°)，定義為垂直于地面與太陽光線之間的角度；為坡度角，(°)；為坡向角，(°)；為太陽天頂角，(°)；為太陽方位角，(°)。、由DEM數(shù)據(jù)計算得到；、直接從遙感影像的頭文件中獲取。

為了對比分析不同植被指數(shù)在山地植被信息提取中的準(zhǔn)確性、有效性和實用性，根據(jù)研究區(qū)的主要土地覆蓋類型，選取對比分析樣本。根據(jù)新疆那拉提的主要土地覆蓋類型選擇以下7類對比分析樣本：陰影區(qū)域的林地、陰影區(qū)域的稀疏林地、非陰影區(qū)域的稀疏林地、草地、稀疏草地、裸地和水域，每類50個樣本，共350個對比分析樣本。陰影區(qū)域的稀疏林地和非陰影區(qū)域的稀疏林地樣本用于分析植被指數(shù)在陰影區(qū)域植被信息提取的準(zhǔn)確性和有效性；林地、稀疏林地、草地、稀疏草地、裸地和水域樣本，用于分析植被指數(shù)是否符合各類土地覆蓋的實際情況，確保植被指數(shù)在不同土地覆蓋類型間的數(shù)值差異，重點考慮林地和草地的區(qū)分情況，檢測其在整個研究區(qū)的實用性。

為了驗證山地植被信息提取的精度，根據(jù)研究區(qū)的主要植被覆蓋類型，選取驗證樣本。根據(jù)新疆那拉提的主要植被覆蓋類型選擇以下5類驗證樣本：林地、稀疏林地、草地、稀疏草地、其它。每類100個樣本，共500個驗證樣本。

對比分析樣本和驗證樣本均從高空間分辨率的谷歌影像上選取，樣本數(shù)據(jù)是帶有地理位置信息和土地覆蓋類型屬性的矢量數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)內(nèi)容包括土地覆蓋類型名稱、Landsat OLI654波段組合結(jié)果影像圖、谷歌高清影像圖和樣本描述等。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建新的植被指數(shù)

計算對比分析樣本中各類土地覆蓋類型的紅光和近紅外波段的平均地表反射率值，如表1所示。各類土地覆蓋類型的平均地表反射率值，紅光波段表現(xiàn)為：裸地＞水域＞稀疏草地＞草地＞非陰影稀疏林地＞陰影稀疏林地＞陰影林地；近紅外波段表現(xiàn)為：草地＞稀疏草地＞裸地＞非陰影稀疏林地＞陰影稀疏林地＞水域＞陰影林地。其中，非陰影區(qū)域植被的平均地表反射率在紅光波段與陰影區(qū)域植被相差不大，但在近紅外波段遠(yuǎn)高于陰影區(qū)域植被。分析研究區(qū)各類樣本的NDVI均值可知，陰影區(qū)域植被的NDVI數(shù)值低于非陰影區(qū)域植被，地形陰影影響顯著；林地和草地的NDVI數(shù)值無明顯差異，存在植被信息混淆問題。分析各類樣本在近紅外波段的平均地表反射率，可以發(fā)現(xiàn)各類樣本近紅外波段的平均地表反射率的負(fù)值可以作為NDVI的校正值。當(dāng)NDVI加上校正值后，陰影區(qū)域植被的信息得到校正，并且植被指數(shù)數(shù)值在不同土地覆蓋類型表現(xiàn)為：林地＞稀疏林地＞草地＞稀疏草地＞裸地＞水域（表1）。因此，本文借鑒SEVI的構(gòu)建原理[29]，使用NDVI獲取校正前的植被信息，采用陰影植被指數(shù)（SVI）作為校正值，根據(jù)陰影消除植被指數(shù)的模型算法表達(dá)式，構(gòu)建了一種新的植被指數(shù)，即植被區(qū)分陰影消除植被指數(shù)（vegetation distinguished and shadow eliminated vegetation index，VDSEVI），計算表達(dá)式為

SVI=?nir（2）

VDSEVI=NDVI+SVI （3）

VDSEVI=(nir?r)/(nir+r)?nir（4）

式中nir為近紅外波段的地表反射率，%；r為紅光波段的地表反射率，%。

表1 7類土地覆蓋類型的平均地表反射率和植被指數(shù)

2.2 植被指數(shù)對比分析

RVI、NDVI和EVI2這3個常用植被指數(shù)被廣泛應(yīng)用于植被信息遙感監(jiān)測，本文依次用表觀反射率數(shù)據(jù)、經(jīng)C模型地形校正后的數(shù)據(jù)、經(jīng)FLAASH大氣校正和C模型地形校正后的數(shù)據(jù)，按照常用植被指數(shù)計算公式，分別計算RVI、NDVI和EVI2，得到由不同處理結(jié)果的遙感數(shù)據(jù)計算的常用植被指數(shù)。此外，由經(jīng)FLAASH大氣校正后的數(shù)據(jù)，分別計算SEVI和VDSEVI。對不同的植被指數(shù)結(jié)果圖像通過目視對比分析，初步判斷植被指數(shù)的優(yōu)劣。

根據(jù)350個對比分析樣本矢量數(shù)據(jù)，分別計算并統(tǒng)計對比分析樣本的植被指數(shù)值，對數(shù)值統(tǒng)計結(jié)果繪制直方圖進(jìn)行對比分析。為了進(jìn)一步描述陰影消除的效果和植被信息混淆情況，分別計算陰影區(qū)域的林地、陰影區(qū)域的稀疏林地、非陰影區(qū)域的稀疏林地、草地、稀疏草地、裸地和水域的樣本均值、標(biāo)準(zhǔn)差；另外計算陰影區(qū)域稀疏林地和相鄰非陰影區(qū)域稀疏林地植被信息的相對誤差（）。相對誤差計算表達(dá)式為

=|VIshady?VIsunny|/VIsunny×100% （5）

式中VIshady為陰影區(qū)域稀疏林地的植被指數(shù)；VIsunny為相鄰非陰影區(qū)域稀疏林地的植被指數(shù)。

最后，用DEM數(shù)據(jù)計算坡度坡向數(shù)據(jù)，進(jìn)而按照公式（1）計算cos數(shù)據(jù)，根據(jù)對比分析樣本中的陰影林地、陰影稀疏林地、非陰影稀疏林地、草地、稀疏草地5類陰陽坡上的植被覆蓋樣本矢量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計陰陽坡上植被覆蓋樣本的cos值，分別繪制植被覆蓋樣本的各植被指數(shù)與cos值的散點圖，并計算植被指數(shù)與cos的相關(guān)系數(shù)。

2.3 植被信息提取與驗證

山地植被信息提取的內(nèi)容為研究區(qū)域主要植被覆蓋類型，不同地區(qū)的山地植被覆蓋內(nèi)容不同，根據(jù)實際情況提取相應(yīng)植被信息。山地植被信息的提取采用植被指數(shù)閾值法，閾值的確定由植被指數(shù)對比分析后的植被信息區(qū)分經(jīng)驗值決定，閾值的計算方法表達(dá)式為

T=(M+M)/2 （6）

式中T為區(qū)分不同植被覆蓋類型的閾值；M、M分別為2類植被覆蓋類型樣本的植被指數(shù)均值。

為了驗證山地植被信息提取的精度，根據(jù)植被信息每類100個的驗證樣本，對植被信息提取結(jié)果采用混淆矩陣方式進(jìn)行精度驗證?；煜仃囀且粋€用于表示植被信息提取結(jié)果與驗證樣本的比較陣列，可以非常清楚地呈現(xiàn)多個植被信息提取的情況?；煜仃囍械牧写眚炞C樣本，行代表由遙感數(shù)據(jù)基于植被指數(shù)閾值法得到的山地植被信息類別。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被指數(shù)圖像對比分析

圖2直觀顯示了研究區(qū)各植被指數(shù)計算結(jié)果，可以反映陰影消除的效果和植被信息混淆情況。從研究區(qū)的特點來看，遙感影像上受地形陰影影響的陰坡，土地覆蓋類型以林地為主，并且針葉林居多；而不受地形陰影影響的陽坡，土地覆蓋類型以草地為主。因此，對于植被覆蓋不均一的研究區(qū)，不能僅從植被指數(shù)圖像的平坦和起伏特征來評價地形陰影消除的效果，需要對照研究區(qū)實際土地覆蓋類型來評價植被指數(shù)。由表觀反射率直接計算的RVI、NDVI和EVI2（圖2a~2c）在陰坡數(shù)值偏低；經(jīng)C模型地形校正，有一定的改善（圖2d~2f）；經(jīng)FLAASH大氣校正和C模型地形校正后進(jìn)一步改善（圖2g~2i）。因此，后文中采用經(jīng)FLAASH大氣校正和C模型地形校正后的RVI、NDVI和EVI2進(jìn)行植被信息提取分析。經(jīng)FLAASH大氣校正后的SEVI在陰坡植被信息得到校正，但是SEVI（圖2j）與RVI、NDVI和EVI2在陰坡的圖像平坦，沒有體現(xiàn)出林地和草地的差異，均存在植被信息混淆問題；經(jīng)FLAASH大氣校正后的VDSEVI呈現(xiàn)出陰坡數(shù)值大于陽坡，并且在陰坡表現(xiàn)出細(xì)節(jié)差異，可區(qū)分不同植被覆蓋（圖2k）。

注：RVIT，NDVIT和EVI2T分別是由表觀反射率數(shù)據(jù)直接計算的比值植被指數(shù)（RVI），歸一化植被指數(shù)（NDVI）和增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI2）；RVIC，NDVIC和EVI2C分別是由表觀反射率數(shù)據(jù)經(jīng)C模型地形校正后計算的RVI，NDVI和EVI2；RVIF+C，NDVIF+C和EVI2F+C分別是經(jīng)過FLAASH大氣校正和C模型地形校正后計算的RVI、NDVI和EVI2；SEVIF是經(jīng)FLAASH大氣校正后的數(shù)據(jù)計算的陰影消除植被指數(shù)（SEVI），VDSEVIF是經(jīng)FLAASH大氣校正后的數(shù)據(jù)計算的植被區(qū)分陰影消除植被指數(shù)（VDSEVI）。單幅圖像中，亮的區(qū)域植被指數(shù)數(shù)值高，暗的區(qū)域植被指數(shù)數(shù)值低。

3.2 植被指數(shù)數(shù)值對比分析

不同土地覆蓋類型的各植被指數(shù)見圖3。

圖3 不同土地覆蓋類型的植被指數(shù)

經(jīng)過FLAASH大氣校正和C模型地形校正后RVI、NDVI和EVI2可以區(qū)分稀疏林地、草地和水域，但其他土地覆蓋類型無法區(qū)分，存在植被信息混淆問題（圖3a～3c）。SEVI較好地消除了地形陰影的影響，但是仍存在植被信息混淆問題（圖3d）。VDSEVI不僅較好地消除了地形陰影的影響，還解決了植被信息混淆問題，特別是林地與草地可以有效區(qū)分出來，大大增加了植被指數(shù)的信息量（圖3e）。VDSEVI達(dá)到陰影消除、不同植被信息區(qū)分，真實反映山地植被信息的理想效果。

從陰影消除效果的角度分析，經(jīng)過FLAASH大氣校正和C模型地形校正后計算的RVI、NDVI和EVI2，陰影稀疏林地和非陰影稀疏林地的相對誤差分別為7.728%、1.803%和2.646%。相比之下，經(jīng)FLAASH大氣校正后的數(shù)據(jù)計算SEVI，陰影林地和陰影稀疏林地植被指數(shù)均值得到有效提升，陰影區(qū)域稀疏林地和非陰影區(qū)域稀疏林地的相對誤差為6.612%；最后，經(jīng)FLAASH大氣校正后的數(shù)據(jù)計算VDSEVI，陰影林地和陰影稀疏林地植被指數(shù)均值達(dá)到理想的效果，陰影稀疏林地和非陰影稀疏林地的相對誤差為3.428%（表2）。

表2 稀疏林地在陰影和非陰影的相對誤差

從不同土地覆蓋類型區(qū)分效果的角度分析，不同土地覆蓋類型植被指數(shù)數(shù)值要有區(qū)分度，并符合實際土地覆蓋情況。各類土地覆蓋樣本的植被指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差見表3。同一土地覆蓋類型樣本的植被指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差越大，則表明該類樣本植被指數(shù)數(shù)值波動較大，容易與其他土地覆蓋類型混淆。經(jīng)過FLAASH大氣校正和C模型地形校正后計算的RVI、NDVI和EVI2，各類土地覆蓋樣本的植被指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差較小。經(jīng)FLAASH大氣校正后的數(shù)據(jù)計算SEVI，各類土地覆蓋樣本的植被指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差較大，存在土地覆蓋信息混淆問題。經(jīng)FLAASH大氣校正后的數(shù)據(jù)計算VDSEVI，各類土地覆蓋樣本的植被指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差最小，較好解決了土地覆蓋信息混淆問題。

表3 各類土地覆蓋類型的植被指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差

3.3 植被指數(shù)與cosi相關(guān)性分析

分別繪制研究區(qū)植被覆蓋樣本各植被指數(shù)與cos的散點圖，并計算植被指數(shù)與cos的相關(guān)系數(shù)，如圖4所示。

圖4 植被指數(shù)與cosi的相關(guān)性

在植被覆蓋均一的情況下，陰陽坡植被指數(shù)與cos的相關(guān)系數(shù)越小則地形陰影校正效果越好，但是當(dāng)陰陽坡植被覆蓋差異大時，則要根據(jù)具體情況分析。陰坡cos值較小，陽坡cos值較大，若陰坡植被覆蓋低于陽坡，植被指數(shù)與cos應(yīng)呈正相關(guān)；若陰坡植被覆蓋高于陽坡，則應(yīng)呈負(fù)相關(guān)。新疆那拉提陰坡以林地為主，陽坡以草地為主，陰坡植被覆蓋高于陽坡。從植被覆蓋樣本的植被指數(shù)與cos的散點圖以及相關(guān)系數(shù)的計算結(jié)果來看，經(jīng)過FLAASH大氣校正和C模型地形校正后計算的RVI、NDVI和EVI2與cos的相關(guān)系數(shù)數(shù)值分別為?0.443、?0.496和?0.491（圖4a～4c），呈較大負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)為大氣校正和地形校正效果顯著，陰影區(qū)域植被指數(shù)數(shù)值增加。由FLAASH大氣校正后的數(shù)據(jù)計算的SEVI與cos的相關(guān)系數(shù)為?0.553（圖4d），表現(xiàn)為SEVI消除陰影影響效果顯著；由FLAASH大氣校正后的數(shù)據(jù)計算的VDSEVI與cos的相關(guān)系數(shù)為?0.800（圖4e），呈較大的負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)為陰影消除效果顯著，再現(xiàn)了陰坡植被覆蓋信息。

3.4 VDSEVI的適用性及精度驗證

為驗證VDSEVI在其他區(qū)域的適用性，將VDSEVI應(yīng)用于內(nèi)蒙古阿爾山和福州市閩侯縣2個區(qū)域。內(nèi)蒙古阿爾山地理坐標(biāo)為119°28′～121°24′E，46°37′～47°38′N，面積約8 225.483 km2，平均海拔約1 000 m，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟西北部，橫跨大興安嶺西南山麓，擁有原始森林，植被覆蓋度高，以針葉林為主；福州市閩侯縣地理坐標(biāo)為118°53′～119°25′E，25°47′～26°36'N，面積約2 114.898 km2，平均海拔約200 m，位于福建省東部，全縣山脈多呈東北至西南走向，群山連綿，山巒重疊，陰陽坡植被覆蓋均一，以闊葉林為主。

內(nèi)蒙古阿爾山和福州市閩侯縣區(qū)域沒有大面積的草地，因此對比分析樣本提取結(jié)果為陰影林地、非陰影林地、稀疏林地、裸地和水域5類樣本，每類50個樣本。各個土地覆蓋類型樣本VDSEVI值如圖5所示，陰影區(qū)域的植被信息得到校正，并且不同植被覆蓋類型間的數(shù)值有一定區(qū)分度，符合實際情況。因此，VDSEVI在這2個區(qū)域具有植被區(qū)分陰影消除效果，同樣適用于山地植被信息提取。

圖5 內(nèi)蒙古阿爾山和福州市閩侯縣的植被指數(shù)

從圖3e和圖5可以得出，不同植被覆蓋類型，VDSEVI數(shù)值間有一定的區(qū)分度，因此，可通過對VDSEVI設(shè)定閾值用以植被區(qū)分，實現(xiàn)不同植被覆蓋類型信息的提取。新疆那拉提提取植被類型有林地、稀疏林地、草地、稀疏草地和其它，其它類中包括裸地、水域等；由于內(nèi)蒙古阿爾山和福州市閩侯縣草地和稀疏草地的面積小而零散，將草地和稀疏草地歸為其它類中，內(nèi)蒙古阿爾山和福州市閩侯縣提取植被類型有林地、稀疏林地和其它，其它類中包括草地、稀疏草地、裸地和水域等。新疆那拉提區(qū)域植被區(qū)分提取林地、稀疏林地、草地、稀疏草地和其它的VDSEVI閾值計算結(jié)果依次為0.687、0.516、0.347和0.259。同樣，內(nèi)蒙古阿爾山植被區(qū)分提取林地、稀疏林地和其它信息的VDSEVI閾值計算結(jié)果依次為0.530和0.299；福州市閩侯縣用于植被區(qū)分提取林地、稀疏林地和其它信息的VDSEVI閾值計算結(jié)果依次為0.570和0.318。3個區(qū)域的植被信息提取結(jié)果如圖6所示。

圖6 3個區(qū)域植被信息提取結(jié)果

對植被信息提取結(jié)果進(jìn)行評價，確定提取結(jié)果的精度和可靠性，精度評價混淆矩陣如表4所示。從混淆矩陣數(shù)據(jù)中可以看出，相鄰2類植被信息存在誤提和漏提現(xiàn)象，但總體提取效果較好。新疆那拉提、內(nèi)蒙古阿爾山和福州市閩侯縣3個區(qū)域，植被信息提取總體精度分別為84.136%、87.339%、86.709%；Kappa系數(shù)分別為0.799、0.788、0.791。

表4 精度評價混淆矩陣

4 討 論

對于植被覆蓋類型多樣的研究區(qū)，常用的植被指數(shù)存在植被覆蓋類型信息混淆問題，林地草地混為一體。SEVI在植被覆蓋度高、植被覆蓋較為均一的山區(qū)應(yīng)用效果較好[29]，但對于植被覆蓋不均一的山區(qū)植被信息提取則效果欠佳，需要構(gòu)建新的植被指數(shù)。本文構(gòu)建的VDSEVI算法，得益于不同植被覆蓋類型在近紅外波段地表反射率的差異，使得不同植被覆蓋類型的VDSEVI數(shù)值差異增大，從而增加植被指數(shù)的信息量。

植被指數(shù)抗地形效果的傳統(tǒng)驗證方法中，運用植被指數(shù)與cos進(jìn)行相關(guān)性分析來說明植被指數(shù)的優(yōu)劣，相關(guān)系數(shù)低則植被指數(shù)抗地形效果好。該方法僅建立在山地陰陽坡植被覆蓋一致、植被長勢相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上。當(dāng)陰陽坡植被覆蓋不一致，則陰陽坡植被覆蓋的植被指數(shù)與cos應(yīng)呈正或負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同研究區(qū)，陰陽坡的植被覆蓋類型存在不同差異，植被指數(shù)與cos的相關(guān)性應(yīng)根據(jù)實際情況具體分析。

山地植被指數(shù)的優(yōu)劣評價，不僅要分析地形陰影的消除效果，還需要考慮不同植被覆蓋的植被指數(shù)數(shù)值是否混淆，是否符合實際情況。經(jīng)過大氣校正和地形校正的遙感數(shù)據(jù)計算的EVI2，陰影消除效果較好，但是林地和草地存在混淆情況。經(jīng)過大氣校正的遙感數(shù)據(jù)計算的VDSEVI，陰影消除效果與經(jīng)過地形校正和大氣校正的遙感數(shù)據(jù)計算的EVI2相差不大，并且不同植被覆蓋信息的差異增大，不同植被覆蓋的植被指數(shù)值具有區(qū)分度，確保了基于植被指數(shù)閾值法的山地植被信息提取精度。

新疆那拉提、內(nèi)蒙古阿爾山和福州市閩侯縣3個區(qū)域分別位于中國西北、東北和南部，面積大小均相差較大。將VDSEVI應(yīng)用于這3個不同區(qū)域的植被信息提取，均達(dá)到較好的效果，表明VDSEVI適用于不同地域、不同尺度的遙感研究，普適性較強(qiáng)。

VDSEVI模型算法中不包含待定參數(shù)，指數(shù)計算僅使用紅光波段和近紅外波段；用于計算VDSEVI的遙感數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行地形校正，因此不受DEM等異源數(shù)據(jù)的限制。但是VDSEVI也有不足之處，即當(dāng)?shù)匦螚l件較為復(fù)雜時，由于不同區(qū)域崎嶇地形產(chǎn)生的地形陰影影響大小不同，VDSEVI地形陰影消除效果不穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1）不同土地覆蓋類型的VDSEVI存在顯著差異；陰影稀疏林地和相鄰非陰影稀疏林地的相對誤差較小，為3.428%；各土地覆蓋類型樣本VDSEVI標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.06；植被覆蓋樣本VDSEVI與太陽入射角余弦值（cos）的相關(guān)系數(shù)為?0.800。

2）為驗證VDSEVI在其他地區(qū)的適用性，將VDSEVI應(yīng)用于內(nèi)蒙古阿爾山和福州市閩侯縣，結(jié)果表明VDSEVI同樣適用。新疆那拉提、內(nèi)蒙古阿爾山和福州市閩侯縣3個區(qū)域基于VDSEVI閾值法的植被信息提取總體精度分別為84.136%、87.339%、86.709%，Kappa系數(shù)分別為0.799、0.788、0.791。

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Extraction of mountain vegetation information based on vegetation distinguished and shadow eliminated vegetation index

Liu Xiaonong, Jiang Hong※, Wang Xiaoqin

(1.,,350108,;2.&,350108,;3.(),350108,)

Mountain vegetation information plays an important role in climate change research and ecological environment protection. Remote sensing technology can quickly acquire mountain vegetation information, but there are the influence of mountain terrain shadows and mountain vegetation information confusion.This paper took mountain vegetation as the research object and analyzed the main characteristics of mountain vegetation based on the multi-spectral data of Landsat satellite remote sensing image. Learn from the structural principle and form of the shadow elimination vegetation index (SEVI), a vegetation index algorithm - Vegetation distinguished and shadow eliminated vegetation index (VDSEVI) for mountain vegetation cover remote sensing monitoring was proposed. Samples for comparison and analysis were selected according to the main land cover types in the study area. The accuracy, validity and practicability of mountain vegetation information extraction with different vegetation indices were compared and analyzed. There are certain criteria which vegetation index of the same vegetation cover in shady and sunny should be equivalent,and the vegetation index values of different vegetation cover should be differentiated and compliance with actual vegetation coverage. Comparative analysis methods for different vegetation indices include: the images of different vegetation indices were directly compared; the vegetation index values of the same vegetation in shady and sunny cover were compared; the vegetation index values of the different land cover types were compared; the correlation between vegetation index and coswas analyzed. The VDSEVI was compared with the ratio vegetation index(RVI), the normalized vegetation index(NDVI), the enhanced vegetation index(EVI2) and SEVI.There was a significant difference in the mean value of VDSEVI among different land cover types. The relative error of the sparse woodland in shady and sunny was small, which was 3.428%. The standard deviation of each land cover type sample was less than 0.060.The shady area of the Nalati in Xinjiang was dominated by woodland, and the sunny area was dominated by grassland. Therefore, the vegetation index and cosshould be negatively correlated. The correlation coefficient between VDSEVI and cosis -0.800.The data results showed that compared with RVI, NDVI, EVI2 and SEVI, VDSEVI eliminated the influence of terrain shadows, and had a large amount of information and strong recognition of vegetation coverage.The problem of vegetation information confusion was solved, and the actual situation of mountain vegetation cover was reflected. To verify the suitability of VDSEVI in other regions, VDSEVI was applied to the area of Arxan in Inner Mongolia and Minhou County in Fuzhou City.The results showed that VDSEVI was equally effective.Vegetation information was extracted based on VDSEVI threshold method in Nalati in Xinjiang, Arxan in Inner Mongolia and Minhou County in Fuzhou City. The threshold was calculated by the VDSEVI value of samples from comparative analysis of various land cover types. Finally, the results of vegetation information extraction were evaluated by validating samples. The overall accuracy of vegetation information extraction in the three regions was 84.136%, 87.339%, 86.709% respectively, and the Kappa coefficients were 0.799, 0.788 and 0.791 respectively.

remote sensing; vegetation; mountainous region; informationextraction;vegetation distinguished and shadow eliminated vegetation index (VDSEVI)

柳曉農(nóng)，江 洪，汪小欽. 構(gòu)建植被區(qū)分陰影消除植被指數(shù)提取山地植被信息[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(20)：135－144.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.017 http://www.tcsae.org

Liu Xiaonong, Jiang Hong, Wang Xiaoqin. Extraction of mountain vegetation information based on vegetation distinguished and shadow eliminated vegetation index[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(20): 135－144. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.017 http://www.tcsae.org

2019-06-25

2019-08-29

國家重點研發(fā)計劃項目（No.2017YFB0504203），福建省自然科學(xué)基金項目（No.2017J01658）。

柳曉農(nóng)，主要從事植被遙感研究。Email：liuxiaonong1013@163.com

江 洪，博士，副研究員，主要從事環(huán)境遙感、信息管理研究。Email：jh9l0@fzu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.017

TP702, TP79

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1002-6819(2019)-20-0135-10