Landsat影像標準化及城市變遷分析

胥海威，韓瑞梅

（1. 河南省地調院遙感地質調查中心，河南 鄭州 450001；2. 河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

Landsat影像標準化及城市變遷分析

胥海威1，韓瑞梅2

（1. 河南省地調院遙感地質調查中心，河南 鄭州 450001；2. 河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

利用日照大氣校正模型討論影像標準化方法，并分別以鄭州市和平頂山市城區為研究區，使用兩對研究區的Landsat影像為數據源，結合差值主成分法研究城市變遷。實驗表明，經過影像標準化處理后兩對影像可以明顯削弱大氣與日照影響，去除由此產生的噪聲，得到的城市變化分級圖真實反映了研究區城市化進程的變化幅度和空間特征。

定量遙感；影像標準化；城市變遷分析；輻射校正

目前國內對城市變遷分析的研究主要是根據歷史資料對城市的變遷進行歷史、文化、政治等方面的分析，基于遙感影像或航測圖像的定量研究寥寥無幾。本文以鄭州市和平頂山市為工作區，使用Landsat4、Landsat5與Landsat7衛星影像，探討基于Landsat影像標準化的城市變遷分析。

1 影像標準化模型與評價指標

由于不同時期衛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，致使這些算法和模型很難付諸實施。因此，針對遙感影像進行標準化校正成為一種方便的影像處理技術[4-6]。

所謂影像標準化，即指通過將影像灰度值轉化為反射率，最大程度地弱化遙感影像成像過程中出現的大氣等多種因素的影響，從而使不同時相遙感影像的輻射值一致[7]。當前使用最廣泛的影像標準化模型有兩種，一種是經典的日照差異校正模型[8]，另一種則是2004年美國猶他州立大學遙感與地理信息系統實驗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將影像亮度值轉化為反射率，消除不同時相影像間在日地距離和太陽天頂角方面的差異，從而達到標準化的目的[8,9]：

1.2 日照大氣綜合校正模型

美國猶他州立大學遙感與地理信息系統實驗室對式（2）進行修改，在公式中引入大氣影響修正參數，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模型計算會高估τ值，特別是在成像時晴空無云、τ值很小、太陽天頂角很高或高緯度地區， 反而會影響大氣頂部反射率的正確性。因此，在大氣干擾不嚴重的情況下，更適合忽略τ值，式（5）可以進一步簡化為：

1.3 評價指標

對TM影像的定量評價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），提取其灰度值，建立不同時相影像各波段的回歸方程。不變特征地物是指那些在多時相影像中反射率不隨季節和生物周期變化而變化的地物, 如未受擾動的深水體、裸巖、大屋頂等。

2 實 驗

2.1 研究區與數據概況

本次研究選取鄭州與平頂山的季相、時相和成像條件各不相同的兩對Landsat影像進行實驗，其中鄭州一對影像分別為1989年的Landst4影像與2009年Landsat5影像，平頂山影像則都為Landsat7，具體參數見表1。

表1 研究區影像對數據參數表

2.2 實 驗

1）將鄭州與平頂山的兩對Landsat影像進行正規化處理。由于兩對影像下載時控制云量在5%以下，基本可以忽略大氣影響。實驗發現，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相、季相發生變化的地物若干，獲取這些地物在兩種不同時相、季相遙感影像上某個波段的像元值。

3）將4幅影像對應的像元值分別投影到同一地方不同時相的二維光譜空間，求出線性回歸方程的系數（限于篇幅，僅列出鄭州市3個波段的光譜空間對照圖，見圖1）。為簡便起見，令回歸方程的截距都為0，得到線性回歸方程的斜率和對應的波段均方差（見表2）。

4）對正規化效果好的影像進行主成分分析，主組分的第一主成分集中了兩時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年原始影像與標準化后影像樣本點回歸分析圖

5）對不同時期影像的第一主成分進行差值運算，得到包含在這些波段中的地物變化信息。對所得結果進行密度分割，獲取城市變遷等級圖（如圖2、圖3）。

3 結果與討論

分析實驗結果可以得出以下結論：

1）對比圖1各分圖可知，光譜空間內樣本點聚集成兩個群落，說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）影像標準化后，TM影像的各個波段樣本明顯更靠近斜率為1的直線。從影像標準化的評價指標可以推斷，輻射亮度值不隨時間變化的地物在不同年份影像圖的輻射亮度值是不變的。參照圖1的標準化結果（右圖），對鄭州1989年和2009年TM影像的標準化效果比較明顯。

3）由表2可以發現，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，斜率達到2．21；平頂山TM影像第5波段斜率最小，斜率為0．836。這說明，未經標準化的TM影像受大氣輻射的影響較大。

4）由于鄭州的影像時間跨度較大，必須采用1989年的landsat4影像和2009年的landsat5影像，而平頂山的影像時間跨度較小，使用的數據都是landsat7的ETM+影像。根據表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離理想模型（斜率為1）。

表2 各對應波段兩時相影像光譜散點圖回歸方程斜率及均方差表

5）從表2發現，經過標準化處理后的影像，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變為1．081，平頂山ETM+影像各波段平均斜率從原始影的0．78變為1．014。

6）根據圖2與圖3城市變遷程度分級圖可以發現，經過20 a的發展，鄭州市變化幅度較大，整個市區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，大部分處于細微變化的級別。

7）根據圖2與圖3以及研究區實際情況可以發現，影像與城市發展狀況相吻合。鄭州市作為河南省的省會，起著政治、文化與經濟中心的作用，其發展類型明顯是環狀分布，由內至外層層發展。從圖2可以明顯劃分出鄭州市的二環至四環，其變化幅度較大的位置分布于郊區，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，因此雖然研究區時間跨度不大，但礦區周圍屬于中等變化甚至顯著變化，而平頂山在西部建設新城區，在圖3可以發現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，跨越了鄭州市發展的幾個重要階段[11]，分別是1978年～1991年城市大發展時期和1992年～2009年的城市快速發展時期。經過舊城更新和城市空間拓展,通過繞城公路、快速三環、107國道和金水河、熊耳河,鄭州研究區所選取的時間跨度正好位于鄭州的高速發展期，這一點在圖2中也得到了反映。平頂山市的研究跨度為1999年～2003年，跨越該市城市化進程的兩個階段[12]：1962年～2000年的城市化發展平穩上升和2001年～2006年城市化發展明顯上升。5年中，城市化水平年平均增長率為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圖

圖3 1999年～2003年平頂山市影像標準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，主要從事資源環境遙感技術與應用研究。

2013-09-25。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（U1261206-3）。