基于時(shí)序光譜特征匹配的中分辨率遙感橡膠林提取

張 洪,沈金祥

(云南國土資源職業(yè)學(xué)院 數(shù)字國土與土地管理學(xué)院,云南 昆明 652501)

基于時(shí)序光譜特征匹配的中分辨率遙感橡膠林提取

張 洪,沈金祥

(云南國土資源職業(yè)學(xué)院 數(shù)字國土與土地管理學(xué)院,云南 昆明 652501)

紋理與物候是橡膠林區(qū)別于天然林及其他地類的有效診斷特征。對(duì)多時(shí)序中分辨率遙感影像合成的多譜影像提取出橡膠林端元光譜,通過光譜角及光譜信息散度計(jì)算像元時(shí)序光譜與橡膠林端元時(shí)序光譜間的匹配度,最后通過匹配度閾值的調(diào)整提取出橡膠林信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用時(shí)序光譜特征匹配法能夠有效地提取出中分辨率遙感影像中的橡膠林信息,精度在93%以上,且光譜信息散度較光譜角匹配能取得更高的精度。

時(shí)序光譜特征;橡膠林；信息提取;光譜角匹配;光譜信息散度

0 引言

橡膠林是熱帶地區(qū)土地利用變化后建立的主要人工林生態(tài)系統(tǒng),橡膠種植業(yè)已成為熱帶地區(qū)許多國家經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,且近些年來呈現(xiàn)不斷增長的趨勢(shì),甚至在產(chǎn)膠低的不宜種植區(qū)也開始種植橡膠林。橡膠林的種植對(duì)于熱帶地區(qū)生物多樣性的破壞作用是顯而易見的,且早已引起了生態(tài)學(xué)家的極大關(guān)注[1-3]。

精確獲取橡膠林的時(shí)空分布信息對(duì)于研究橡膠林的演變過程與趨勢(shì),統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境發(fā)展,科學(xué)開發(fā)規(guī)劃橡膠林具有極為重要的作用。快速發(fā)展的遙感對(duì)地觀測技術(shù)為橡膠林的監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。作為典型的人工林,橡膠一般種植在坡度較緩的山坡上,行距15 m左右,株距4.5 m左右,這在遙感影像上表現(xiàn)出極強(qiáng)的紋理性。此外,橡膠林也具有典型的物候特征,即1月上旬至2月中旬的集中落葉期、2月下旬至3月中旬的快速生長期。紋理與物候也正是橡膠林區(qū)別于天然林及其他地類的有效診斷特征,這已成為遙感影像橡膠林提取的理論依據(jù)。近些年來,眾多學(xué)者針對(duì)多類型的遙感數(shù)據(jù)源提出了多種橡膠林的提取技術(shù)方法,并取得了一定的效果[4-11]。

盡管高分辨率影像能夠清晰地分辨出橡膠林的空間紋理特征,但目前在影像分析上對(duì)于紋理特征的有效表達(dá)和計(jì)算仍有較多不確定性。中分辨率遙感影像獲取成本低,時(shí)相信息豐富,能夠很好地表達(dá)出橡膠林的物候特征。為此,本文提出一種基于中分辨率遙感影像、提取效果較好且計(jì)算又較為簡單的方法——基于時(shí)序光譜特征匹配(Temporal Spectrum Match, TSM)的遙感影像橡膠林識(shí)別方法,通過光譜角匹配(SAM)及光譜信息散度(SID)算法對(duì)樣本與多時(shí)相遙感影像像元時(shí)序光譜特征的匹配來識(shí)別和提取遙感影像中的橡膠林。

1 研究方法

基于TSM的遙感影像橡膠林識(shí)別方法以多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)作為輸入,通過樣本時(shí)序光譜特征的采集及與影像像元時(shí)序光譜的匹配,調(diào)整合適的匹配度閾值提取橡膠林信息。圖1為整個(gè)技術(shù)方法體系。

圖1 橡膠林信息提取方法流程

1.1 影像預(yù)處理

影像預(yù)處理工作主要包括遙感數(shù)據(jù)的輻射校正、幾何校正(正射校正)、波段合并等。輻射校正是將原始影像像元灰度值(DN值)還原成真實(shí)的地物反射率值的過程。由于涉及至少兩個(gè)時(shí)期的多景遙感影像,輻射校正處理是不同景遙感影像間具有可比性的保障。輻射校正包括輻射定標(biāo)及大氣校正兩個(gè)過程。輻射定標(biāo)將遙感影像各個(gè)波段的灰度值(DN值)轉(zhuǎn)換為具有物理意義的反射率值(0～1之間的值),即轉(zhuǎn)換為大氣頂層反射率。大氣校正是在大氣頂層反射率計(jì)算后進(jìn)一步考慮和消除太陽輻射兩次穿越大氣層到頂對(duì)地觀測平臺(tái)時(shí)大氣成分對(duì)太陽輻射的散射、吸收等,其計(jì)算過程較為復(fù)雜,目前常用的模型有基于輻射傳輸機(jī)理的6S及MODTRAN兩類模型。

幾何校正是建立遙感影像與地面目標(biāo)間的幾何映射關(guān)系的過程,平坦區(qū)通過若干地面控制點(diǎn)結(jié)合校正模型即可以完成校正處理。對(duì)于山區(qū)則需要考慮地形起伏的影像,在地面控制點(diǎn)支撐的同時(shí),還需加入地面高程模型(DEM)才能得到較好的校正精度。幾何校正是時(shí)間系列影像疊加分析成功的關(guān)鍵因素,是能夠從落葉期與生長期多個(gè)時(shí)期遙感影像取得準(zhǔn)確光譜變異特征的重要保障。

影像預(yù)處理階段的另一項(xiàng)工作是波段合并,即對(duì)生長期與落葉期的多波段影像進(jìn)行波段合并,以形成單景多波段影像。

1.2 樣本時(shí)序光譜采集

結(jié)合橡膠林的實(shí)地采集樣本及較高空間分辨率影像,在落葉期與生長期合成的單景多波段影像上選擇相應(yīng)的若干像元樣本,形成橡膠林時(shí)序光譜曲線。由于橡膠林行距、株距較大,林中混合有土壤或其他林下植被信息,因此采集的影像像元樣本通常是混合樣本。為了提高后續(xù)的橡膠林時(shí)序光譜匹配的精度,將對(duì)采集的橡膠林像元樣本進(jìn)行亞像元分析,提取出純凈的橡膠林時(shí)序光譜曲線。

1.3 光譜匹配度的計(jì)算

計(jì)算光譜匹配度的方法包括光譜角匹配(SAM)及光譜信息散度匹配(SID)兩種,均是通過計(jì)算樣本光譜曲線與目標(biāo)光譜曲線間的相似程度來確定目標(biāo)的類別歸屬概率大小。SAM通過在高維空間中以夾角的形式對(duì)多、高光譜影像像元光譜曲線與光譜庫中的地物標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線進(jìn)行相似性比較,其計(jì)算公式[12]為:

上式中：nb為波段數(shù)目；ti、ri分別為測試光譜及參考光譜在第i波段的反射率值。

SID基于信息論和概率統(tǒng)計(jì),通過信息散度來考慮像元光譜與參考光譜間的相似性[13]。假設(shè)參考光譜R={R1,R2,R3,R4,…,Rn},像元目標(biāo)光譜P={P1,P2,P3,P4,…,Pn},則SID的計(jì)算公式為:SID(R,P)=D(R||P)+D(P||R),式中:

無論是SAM匹配還是SID匹配，它們對(duì)參考光譜與目標(biāo)光譜進(jìn)行匹配的重要優(yōu)勢(shì)在于不考慮各個(gè)波段上取值的絕對(duì)差異性,而僅從整體上看兩條曲線的相似程度。對(duì)于遙感影像而言,只要保證正確的波段關(guān)系,則光譜曲線匹配就可以取得較好的效果。這里的參考光譜為上述采集的橡膠林樣本光譜曲線,測試光譜則是由像元各波段反射率值形成的光譜曲線。對(duì)橡膠林落葉期與生長期合成的影像,分別利用上述SAM及SID計(jì)算公式逐像元計(jì)算其光譜曲線與參考光譜間的SAM值及SID值。

1.4 提取處理

計(jì)算出來的SAM及SID影像,其取值越接近0值,則說明像元光譜與橡膠林樣本光譜的匹配度越高,即像元為橡膠林的概率就越大。通過調(diào)整和設(shè)置閾值,即可提取出影像中的橡膠林分布區(qū)域。在提取完成后,還需進(jìn)行小斑塊的合并與移除、多景提取結(jié)果的拼接及裁剪等后處理操作。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

選擇橡膠林種植面積較大的云南西雙版納地區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū),該地區(qū)1976年橡膠林種植面積只占總面積的1.1%左右;到2003年上升至11.3%,20多年擴(kuò)張了近10倍[1]。在數(shù)據(jù)源方面,選擇輻射和空間定位精度較高的Landsat8OLI(由glovis.usgs.gov網(wǎng)站免費(fèi)下載)。覆蓋全區(qū)域的數(shù)據(jù)有3景,全部為2015年數(shù)據(jù),時(shí)間跨度為2月下旬(落葉期)至3月上中旬(快速生長期),相關(guān)信息如表1。

數(shù)據(jù)預(yù)處理工作在ENVI 5.1軟件平臺(tái)上完成。該版本ENVI支持Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)的讀取。在下載、解壓壓縮包后讀取MTL.txt即讀入OLI各波段的影像數(shù)據(jù)。通過Radiometric calibration模塊將影像DN值直接轉(zhuǎn)換為大氣校正模塊Flaash所需的輻射值,再由Flaash模塊完成大氣校正處理,最終轉(zhuǎn)換為地表反射率值。實(shí)驗(yàn)區(qū)主要為山區(qū),結(jié)合野外采集的控制點(diǎn)及地形圖數(shù)據(jù)采集的地面控制點(diǎn),在90 m SRTM DEM支持下完成數(shù)據(jù)的正射校正處理。同軌兩個(gè)時(shí)期的影像選擇{Blue, Green, Red, NIR, SWIR1, SWIR2}6個(gè)波段進(jìn)行波段合并處理,最后產(chǎn)生12個(gè)波段的影像文件。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 橡膠林時(shí)序光譜的采集 結(jié)合高分辨率衛(wèi)星影像及野外采集的樣本點(diǎn),在全圖均勻選擇樣本區(qū),共有超過2500個(gè)像元樣本。利用連續(xù)最大角凸錐(SMACC)對(duì)這些像素進(jìn)行端元提取,提取出真實(shí)的橡膠林時(shí)序光譜(如圖2所示)。

a:落葉期影像(NIR、RED、GREEN); b:生長期影像(NIR、RED、GREEN);

從圖2中的{NIR、RED、GREEN}合成的標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像(圖2a、圖2b)對(duì)比以及光譜曲線(圖2c、圖2d)對(duì)比均可以看出：無論是落葉期與快速生長期間的對(duì)比,還是橡膠林與天然林的對(duì)比,在NIR波段上的光譜反射率差異都是最大的,快速生長期在NIR波段有一個(gè)較大的反射峰；除此之外,在綠波段位置上,快速生長期也形成有一個(gè)較為明顯的小反射峰。

2.2.2 基于TSM的橡膠林提取 盡管在近紅外波段及綠波段上,落葉期與生長期的橡膠林反射率,以及橡膠林與天然林間的反射率均有較大的差異性,但僅利用絕對(duì)的差異性仍難以有效提取出橡膠林信息。在ENVI中,對(duì)落葉期與快速生長期{Blue、Green、Red、NIR、SWIR1、SWIR2}合成影像,用上述SMACC提取出的橡膠林時(shí)序光譜分別計(jì)算SAM與SID值,依據(jù)精度評(píng)價(jià)結(jié)果調(diào)整閾值,直至最終得到較高精度的橡膠林提取結(jié)果。對(duì)覆蓋西雙版納的129045、130044、130045分別進(jìn)行提取,并對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行拼接與裁剪。對(duì)初步提取結(jié)果還需進(jìn)行一些后處理操作,主要包括小斑塊的合并與去除、部分錯(cuò)誤區(qū)域的編輯處理等。最后得到西雙版納地區(qū)2015年的橡膠林分布圖(圖3)。

a:落葉期; b:快速生長期; c: SAM計(jì)算結(jié)果; d: SID計(jì)算結(jié)果;

通過野外采集及影像上手工采集的檢驗(yàn)樣本進(jìn)行精度檢驗(yàn),SAM與SID提取橡膠林信息的總體精度分別為93.2%及94.8%。相對(duì)來說,在本次實(shí)驗(yàn)中,SID光譜匹配方法能夠取得更高的精度。采用這兩種匹配方法對(duì)橡膠林的提取結(jié)果均能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。圖3的結(jié)果還表明,西雙版納地區(qū)橡膠林主要集中在溫度更高的南部地區(qū),其中景洪市和勐臘縣種植更為廣泛。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,該地區(qū)橡膠林面積在2700 km2左右,占該地區(qū)面積的14%左右。

3 結(jié)論與討論

由于“同物異譜、異物同譜”現(xiàn)象的客觀存在,應(yīng)用單一遙感影像通常難以準(zhǔn)確地識(shí)別出目標(biāo)信息。對(duì)于具有典型物候特征的地物目標(biāo),通過多時(shí)相遙感影像擴(kuò)展識(shí)別“譜”特征,能夠顯著提高識(shí)別的準(zhǔn)確性。在本研究中,通過SMACC提純后的橡膠林時(shí)序光譜,計(jì)算出的SAM及SID值代表了與橡膠林時(shí)序光譜的擬合度,通過設(shè)置一定的閾值即可以提取出橡膠林分布數(shù)據(jù)。然而,遙感數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出的落葉期橡膠林并未完全落葉或葉片變黃,快速生長期也并非完全生長出綠葉。因此,客觀上會(huì)不可避免地存在“少提取”部分不符合時(shí)序光譜特征的橡膠林區(qū)域的問題。同時(shí),如果為了盡可能地避免發(fā)生“少提取”問題而調(diào)整閾值，則又會(huì)發(fā)生“多提取”的問題。更多時(shí)期的遙感影像可以形成更為復(fù)雜的時(shí)序光譜曲線；如能加入地形、坡度或其他專題圖層等橡膠林分布的限制性因子,則有望能夠進(jìn)一步提高橡膠林的識(shí)別精度。基于時(shí)序光譜匹配的橡膠林識(shí)別方法也將為具有典型物候特征的其他植被類型的識(shí)別提供可借鑒的研究思路。

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Extraction of Rubber Plantation Information from Medium-resolution Remote-sensing Images Based on Temporal Spectral Feature Matching

ZHANG Hong, SHEN Jin-xiang

(Department of Digital Land and Land Management，Yunnan Land and Resources Vocational College, Kunming 652501, China)

Texture and phenology was the effective diagnostic features to distinguish the rubber plantation from natural forests and other land types. Extracted the rubber plantation endmember from the multispectral image which synthesized with time series images, used the spectral angle and the spectral information divergence formula to calculate the temporal spectral fitting value between pixels and rubber plantation endmember, finally, extracted the rubber plantation information from fitting value image with the favorable threshold. Experimental results showed that the temporal spectral feature matching method could effectively extract rubber plantation information from the medium-resolution remote sensing image, and the accuracy was better than 93%, furthermore, the spectral information divergence matching could achieve higher accuracy than that of the spectral angle.

Temporal spectral feature; Rubber plantation extraction; Information extraction; Spectral angle matching; Spectral information divergence

2015-10-28

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃面上項(xiàng)目(2013FB082)。

張洪(1968─),男,四川成都人,副教授,主要研究領(lǐng)域?yàn)閿z影測量與遙感技術(shù)。

S794.1

A

1001-8581(2016)03-0093-05

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表

軌道號(hào)成像時(shí)間(

)1290452月21日(LC81290452015052LGN00);3月9日(LC81290452015068LGN00)1300442月28日(LC81300442015059LGN00);3月16日(LC81300442015075LGN00)1300452月28日(LC81300452015059LGN00);3月16日(LC81300452015075LGN00)

黃榮華)