張家界石英砂巖峰林地貌奇峰三千之遙感佐證

　　隨著航天技術(shù)和遙感傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，已能方便地從商業(yè)渠道獲得空間信息更豐富、目標(biāo)細(xì)節(jié)更清楚的高分辨率遙感影像。高分辨率遙感影像的紋理信息非常豐富，而光譜信息往往較弱（波段較少）的特點(diǎn)，決定了僅依靠光譜信息、以像素為基本單元進(jìn)行分類難以達(dá)到較高分類精度這一現(xiàn)實(shí)。
　　為提高針對高分辨率遙感影像的分類精度，人們將圖像分割算法引入遙感影像分類，把分類單元由單個(gè)像素提升為分割得到的“同質(zhì)”對象。所謂“同質(zhì)”對象指的就是光譜與紋理相同或相似的圖斑。
　　本文將嘗試?yán)脤ο笮畔ⅲㄉ{(diào)、形狀、紋理、層次）和類間信息（與鄰近對象、子對象、父對象的相關(guān)特征）對遙感影像進(jìn)行分類，提取張家界核心景區(qū)內(nèi)的石峰陰影，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過陰影長度估算石峰高度、統(tǒng)計(jì)石峰個(gè)數(shù)的目標(biāo)。
　　景區(qū)內(nèi)石峰形態(tài)包括圖1所示石柱和石墻等多種形態(tài)。
　　
　　利用陰影長度估算石峰高度
　　在高分辨率遙感影像中，陰影掩蓋了陰影投影區(qū)的地物信息，但陰影的長度和形狀卻包含了石峰的幾何信息。如圖2所示，在衛(wèi)星對地獲取影像的瞬間，太陽處于某一高度角α?xí)r，石峰高度H與陰影長度S的關(guān)系為：
　　
　　H = S×tgα （2-1）
　　
　　對SPOT-5掃描成像過程中太陽高度角的變化忽略不計(jì)，即假定一幀影像內(nèi)太陽高度角恒為α。此時(shí)，只要知道石峰的陰影長度S，便能通過2-1式計(jì)算出石峰高度Ｈ。
　　一般而言，影像上提取到的陰影長度可能由于成像時(shí)衛(wèi)星的側(cè)視現(xiàn)象而得不到真實(shí)陰影的長度。顯見，當(dāng)衛(wèi)星與太陽處于同一側(cè)對地成像時(shí)，由于陡峭山體的遮擋，影像上得到的陰影會短于真實(shí)陰影，如圖2所示；當(dāng)衛(wèi)星處于對著太陽的方向?qū)Φ爻上駮r(shí)，得到的陰影可能會因會石峰背陽面暗影誤判為陰影而長于真實(shí)陰影，如圖3所示。
　　在同一瞬間獲得的某幀影像內(nèi)，由于衛(wèi)星位置和太陽高度角的相對穩(wěn)定，陰影在影像上的長度變形可近似認(rèn)為是一致的。
　　為避免太陽高度角測算和衛(wèi)星位置等軌道參數(shù)的引用，本實(shí)驗(yàn)采用全站儀側(cè)方交會實(shí)測了包括南天一柱、天波府石墻等6座石峰的高度，用于建立石峰高度與影像提取陰影長度的對應(yīng)關(guān)系，通過陰影長度估算石峰高度。實(shí)測石峰高度與影像陰影長度數(shù)據(jù)如表1所示。由此可得陰影長度P（像素?cái)?shù)）與石峰高度H的關(guān)系為：
　　H = 4.36P（2-2）
　　
　　核心景區(qū)范圍與圖像處理
　　本文所指核心景區(qū)包括張家界國家森林公園、楊家界景區(qū)、索溪峪自然保護(hù)區(qū)和天子山自然保護(hù)區(qū)，總面積約257平方公里。采用2009年9月14日獲取，融合后分辨率為2.5米的SPOT-5影像數(shù)據(jù)。
　　利用實(shí)測控制點(diǎn)（像控點(diǎn)）和同名區(qū)域的DEM（數(shù)字高程模型），配合有理多項(xiàng)式，對影像進(jìn)行幾何精度校正，得到正射影像。
　　多尺度分割：
　　融合后的影像只有紅、綠、藍(lán)（假藍(lán)色）3個(gè)波段，光譜信息相對較弱。考慮到各波段的貢獻(xiàn)程度近似，給3個(gè)波段賦以相同的權(quán)重參與分割和分類。將核心景區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)作為專題層導(dǎo)入，界定分割與分類范圍。
　　采用多尺度分割策略，以便準(zhǔn)確獲取不同尺度（不同大小和高低的）石峰陰影。在eCongnition軟件平臺下，采用10 /15 /25 /35等4個(gè)分割尺度，分割結(jié)果如圖4所示。
　　分析比對不同尺度下的分割對象大小與陰影大小的匹配情況，得知分割尺度為10時(shí)所得分割對象大致對應(yīng)高度在100米以下的低矮石峰陰影；分割尺度為15時(shí)所得分割對象大致對應(yīng)高度在100至300米的石峰陰影；分割尺度為25時(shí)所得分割對象大致對應(yīng)高度在300至500米的石峰陰影；分割尺度為35的分割對象大致對應(yīng)高度在500米以上的石峰陰影。
　　陰影提取與石峰高度估算：
　　顧及多尺度分割對象網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中的父子關(guān)系與上下文，在訓(xùn)練樣本及陰影區(qū)光譜特征等先驗(yàn)知識引導(dǎo)下，構(gòu)建基于多層關(guān)聯(lián)繼承、知識推理和模糊邏輯決策的陰影識別流程，采用逐層遞推模式 “選中”石峰陰影。算法流程如圖5所示。
　　在eCongnition支持下實(shí)現(xiàn)上述分類策略與操作，結(jié)果如圖6所示，紅色圖斑為石峰陰影。從石峰陰影的整體分布可知，張家界核心景區(qū)的石柱峰林主要集中在張家界國家森林公園（左側(cè)實(shí)線橢圓范圍）、水繞四門（中間虛線橢圓范圍）和天子山景區(qū)（右上側(cè)點(diǎn)線橢圓范圍）。
　　以像素為計(jì)量單位，沿著太陽入射方向量取“石峰陰影長度”。將陰影長度P帶入（2-2）式，估算陰影所對應(yīng)石峰的高度H。張家界核心景區(qū)范圍內(nèi)石峰座數(shù)、高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。
　　
　　結(jié)論
　　張家界景區(qū)以其獨(dú)特的石英砂巖峰林地貌而著稱于世。利用2.5米分辨率的SPOT-5融合影像，采用面向?qū)ο蟮姆诸惣夹g(shù)，得到了張家界核心景區(qū)257平方公里范圍的石峰陰影。用實(shí)測石峰高度與提取陰影長度構(gòu)建關(guān)系模型估算石峰高度，進(jìn)而得到了景區(qū)內(nèi)石峰個(gè)數(shù)及其空間分布信息，用遙感方法為著名風(fēng)景名勝區(qū)“奇峰三千”之說提供了佐證，為景觀形態(tài)學(xué)研究提供了新的技術(shù)手段。
　　本文結(jié)果還可應(yīng)在如下幾個(gè)方面得到改進(jìn)：
　　石峰陰影的投影長度與太陽高度角和陰影投射面形態(tài)等有關(guān)，尤其是在地形起伏很大的山區(qū)，投射在不同坡度上的陰影會被大幅壓縮或拉長。用衛(wèi)星對地觀測時(shí)刻的太陽高度角配合數(shù)字高程模型（DEM）對陰影長度進(jìn)行改算，將會得到更為準(zhǔn)確的石峰高度估算結(jié)果。
　　當(dāng)石峰排列方向與太陽入射方向接近平行時(shí)，陰影會重疊，用陰影數(shù)推算的石峰數(shù)會偏少。在與衛(wèi)星過頂時(shí)刻大致接近的時(shí)段對陰影重疊情況進(jìn)行實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)在影像上因重疊而不可區(qū)分的陰影數(shù)約在20%左右。照此推算，實(shí)際石峰數(shù)大約為2836座。
　　如果采用空間分辨率更高的遙感數(shù)據(jù)，石峰陰影的可分性將會得到改善，石峰座數(shù)統(tǒng)計(jì)將更為準(zhǔn)確。