TM遙感影像的最佳波段研究——以甘肅敦煌陽(yáng)關(guān)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為例

吳翠霞，謝建平，趙庭偉，劉興文

（甘肅敦煌陽(yáng)關(guān)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅　敦煌　736200）

TM遙感影像的最佳波段研究——以甘肅敦煌陽(yáng)關(guān)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為例

吳翠霞，謝建平，趙庭偉，劉興文

（甘肅敦煌陽(yáng)關(guān)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅敦煌736200）

選擇甘肅敦煌陽(yáng)關(guān)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)TM遙感影像為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用最佳指數(shù)因子方法（OIF）并結(jié)合試驗(yàn)區(qū)地物光譜特征進(jìn)行TM影像最佳波段選取的研究。結(jié)果表明：TM125波段組合為甘肅敦煌陽(yáng)關(guān)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)TM影像的最佳波段組合，三個(gè)波段包含了較大的數(shù)據(jù)量，波段與波段之間的相關(guān)性較小，其合成的彩色影像易于目視解譯，為保護(hù)區(qū)開(kāi)展工作奠定了基礎(chǔ)。

陽(yáng)關(guān)；自然保護(hù)區(qū)；TM；OIF

1　概述

遙感，從廣義來(lái)說(shuō)泛指各種非接觸、遠(yuǎn)距離探測(cè)物體的技術(shù)。狹義的遙感是指電磁波遙感，即從遠(yuǎn)距離、高空以至外層空間的平臺(tái)上，利用可見(jiàn)光、紅外、微波等探測(cè)儀器，通過(guò)攝影掃描、信息感應(yīng)、傳輸和處理等技術(shù)過(guò)程，識(shí)別地面物體的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的現(xiàn)代化技術(shù)系統(tǒng)［1］。遙感的采集數(shù)據(jù)快、探測(cè)范圍廣、能動(dòng)態(tài)反映地面事物的變化等特點(diǎn)，在提取地物信息中應(yīng)用比較廣泛。多光譜分辨率遙感，是利用具有兩個(gè)以上波譜通道的傳感器對(duì)地物進(jìn)行同步成像的一種遙感技術(shù)，它將物體反射輻射的電磁波信息分成若干波譜段進(jìn)行和記錄。

自然保護(hù)區(qū)是對(duì)有代表性的自然生態(tài)系統(tǒng)、珍稀瀕危動(dòng)植物物種的天然集中分布區(qū)、有特殊意義的自然遺跡等保護(hù)對(duì)象所在的陸地、陸地水體或者海域，依法劃定一定面積予以特殊保護(hù)和管理的區(qū)域［2］。甘肅敦煌陽(yáng)關(guān)自然保護(hù)區(qū)位于甘肅省河西走廊最西端的敦煌市南湖鄉(xiāng)境內(nèi)，是由1994年7月4日經(jīng)甘肅省人民政府批準(zhǔn)建立的原敦煌南湖濕地及候鳥(niǎo)省級(jí)自然保護(hù)區(qū)擴(kuò)建而成的自然保護(hù)區(qū)。敦煌南湖濕地及候鳥(niǎo)省級(jí)自然保護(hù)區(qū)于1994年7月4日經(jīng)甘肅省人民政府批準(zhǔn)建立的省級(jí)自然保護(hù)區(qū)，隸屬甘肅省環(huán)保局領(lǐng)導(dǎo)，敦煌市環(huán)保局統(tǒng)一管理。保護(hù)區(qū)現(xiàn)更名為甘肅敦煌陽(yáng)關(guān)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)總面積88177.71hm2，其中，核心區(qū)面積27321.96hm2。保護(hù)區(qū)內(nèi)常年和季節(jié)性濕地面積共約15353.04hm2，約占總面積的17.41%。保護(hù)區(qū)內(nèi)陸泉水河流地質(zhì)成因極為獨(dú)特、濕地生態(tài)系統(tǒng)是極端干旱荒漠區(qū)典型的地下水淺出型濕地。保護(hù)區(qū)地理位置獨(dú)特，區(qū)內(nèi)自然環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜、景觀(guān)各異，大小泉水溝河遍布，由眾多泉水溢出形成的泉水河流、沼澤和湖泊與干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)鑲嵌分布，植被類(lèi)型多樣，是十分獨(dú)特的。該濕地在維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、維系生物多樣性功能及在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、科學(xué)研究等方面都具有重要作用［3］。

2　數(shù)據(jù)來(lái)源與介紹

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要分遙感數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)兩類(lèi)。遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載的landsat5陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)，地面分辨率為30m× 30m，獲取時(shí)間為2011年7月28日，條帶號(hào)為132/ 37，云量為2.74，行列號(hào)為7061×7941。矢量數(shù)據(jù)主要為陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃圖。

2.2TM遙感數(shù)據(jù)及常見(jiàn)波段組合原則

2.2.1TM影像的波譜范圍及影像特征［4］

TM影像指美國(guó)陸地衛(wèi)星4～5號(hào)專(zhuān)題制圖儀（thematic mapper）所獲取的多波段掃描影像。它包含七個(gè)波段：TM1～7，其中，TM6屬于熱紅外區(qū)，由于其空間分辨率低，一般多用于巖石識(shí)別和地質(zhì)探礦等方面。TM7波段是中紅外波段，為地質(zhì)學(xué)家追加波段，處于水的強(qiáng)吸收帶，水體呈黑色，用來(lái)區(qū)分主要巖石類(lèi)型，巖石的熱蝕度，探測(cè)與交代巖石有關(guān)的粘土礦物。而本文中的研究無(wú)關(guān)，所以本文中不考慮TM6和TM7波段。

TM1為0.45～0.52um為藍(lán)波段，該波段位于水體衰減位于水體衰減系數(shù)最小的部位，對(duì)水體的穿透力最大，用于判別水深，研究淺海水下地形、水體渾濁度等，進(jìn)行水系及淺海水域制圖；

TM2為0.52～0.60um為綠波段，該波段位于綠色植物的反射峰附近，對(duì)健康茂盛植物反射敏感，可以識(shí)別植物類(lèi)別和評(píng)價(jià)植物生產(chǎn)力，對(duì)水體具有一定的穿透力，可反應(yīng)水下地形、沙洲、沿岸沙壩等特征；

TM3為0.63～0.69um為紅波段，該波段位于葉綠素的主要吸收帶，可用于區(qū)分植物類(lèi)型、覆蓋度、判別植物生長(zhǎng)狀況等，此外該波段對(duì)裸露地表、植被、巖性、地層、構(gòu)造、地貌、水文等特征均可提取豐富的植物信息；

TM4為0.76～0.90um，為近紅外波段，該波段位于植物的高反射區(qū)，反映了大量的植物信息，多用與植物的識(shí)別、分類(lèi)，同時(shí)它也位于水體的強(qiáng)吸收區(qū)，用于購(gòu)匯水體邊界，識(shí)別與水體有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造、地貌等；

TM5為1.55～1.75um，短波紅外波段，該波段位于兩個(gè)水體吸收帶之間，對(duì)植物和土壤水分含量敏感，從而提高了區(qū)分作物的能力，信息量大，應(yīng)用率較高。TM7為2.08～2.35um，為中紅外波段，是專(zhuān)為地質(zhì)調(diào)查追加的波段；

2.2.1TM組合原則及常見(jiàn)的波段組合

Tm波段最佳組合的原則有三點(diǎn)［5］：（1）所選的波段信息量要大；（2）波段間的相關(guān)性要小；（3）波段組合對(duì)所研究地物類(lèi)型的光譜差異要大［5］。常見(jiàn)的波段組合有：

541：某開(kāi)發(fā)區(qū)砂石礦遙感調(diào)查是通過(guò)對(duì)陸地衛(wèi)星TM最佳波段組fefee7合的選擇（TM5、TM4、TM1）以及航空、航天多種遙感資料的解譯分析進(jìn)行的，在初步解譯查明調(diào)查區(qū)第四系地貌。

543：城鎮(zhèn)和農(nóng)村土地利用的區(qū)分，陸地/水體邊界的確定。

432：紅外假色。在植被、農(nóng)作物、土地利用和濕地分析的遙感方面，這是最常用的波段組合。提供中等的空間分辨率。在這種組合中，所有的植被都顯示為紅色。

453：用于土壤濕度和植被狀況的分析，也很好的用于內(nèi)陸水體和陸地/水體邊界的確定，可突出水體、城市、山區(qū)、線(xiàn)性特征。

3　計(jì)算方法

通過(guò)遙感軟件---ENVI的裁剪工具，利用陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃圖，得到陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)單波段遙感影像，進(jìn)而對(duì)單波段相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，得到陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)TM數(shù)據(jù)的最優(yōu)波段組合。

3.1標(biāo)準(zhǔn)差

標(biāo)準(zhǔn)差（si）也稱(chēng)為均方差，一般在概率統(tǒng)計(jì)中用來(lái)作為統(tǒng)計(jì)分布程度的測(cè)量，它是各數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的距離的平均數(shù)，是離均差平方和平均后的方根［6］。見(jiàn)公式（1）：

式中：S為i波段的標(biāo)準(zhǔn)差；x0為圖像第i波段像元值的平均值；xn為第i波段的對(duì)應(yīng)的像元值；n為像元總個(gè)數(shù)。

3.2協(xié)方差

協(xié)方差（Sxi2）是建立在方差分析和回歸分析基礎(chǔ)之上的一種統(tǒng)計(jì)分析方法［7］。計(jì)算公式如下：

式中：i、j為波段數(shù)，xik為第i波段的第k個(gè)像元光譜灰度值；x0為第i波段的光譜灰度均值；yik為第j波段的光譜灰度均值；k=1，2，3…，n，n為實(shí)驗(yàn)區(qū)的像元數(shù)。

3.3相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)（Rij）是一種非確定性的關(guān)系，是用以反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。相關(guān)系數(shù)同樣以?xún)勺兞颗c各自平均值的離差為基礎(chǔ)，通過(guò)兩個(gè)離差相乘來(lái)反應(yīng)兩變量之間相關(guān)程度，著重研究線(xiàn)性的單相關(guān)系數(shù)。計(jì)算公式如下：

式中，Rij為波段的相關(guān)系數(shù)；Si和Sj分別為圖像i與j波段之間的標(biāo)準(zhǔn)差；Sxi2為第i波段與第j波段的協(xié)方差。

3.4最佳指數(shù)法

由美國(guó)查維茨提出的最佳指數(shù)法 （簡(jiǎn)稱(chēng)OIF），綜合考慮了單波段圖像的信息量及各波段間的相關(guān)性，更接近于波段選擇的原則，且計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，在遙感處理的最佳波段選取中得到廣泛應(yīng)用。其原理是波段組合的信息量與波段間的相關(guān)系數(shù)成反比，與波段本身的標(biāo)準(zhǔn)差成正比，最大OIF指數(shù)對(duì)應(yīng)的波段組合即為最佳波段組合。OIF指數(shù)的計(jì)算公式如下［8］：

其中，Si為i波段的標(biāo)準(zhǔn)差，Rij是i波段與j波段之間的相關(guān)系數(shù)。

4　陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)TM遙感影像最優(yōu)波段選擇

由于Band6為熱紅外波段，該波段對(duì)地物熱量輻射敏感，分辨率相對(duì)較低，一般不用于土地覆蓋信息的分類(lèi)，而是主要用于探測(cè)地?zé)幔瑓^(qū)分作物與森林、水體、巖石等地表特征。Band7為短波紅外波段，波長(zhǎng)比band5大，是專(zhuān)為地質(zhì)調(diào)查追加的波段，該波段對(duì)巖石、特定礦物反映敏感，用于區(qū)分主要巖石類(lèi)型、巖石水熱蝕變，探測(cè)與交代巖石有關(guān)的粘土礦物等。這兩個(gè)波段一般不參與土地利用分類(lèi)、彩色合成等，故本文中僅使用band1-5這五個(gè)波段進(jìn)行波段合成研究。

4.1單波段統(tǒng)計(jì)

利用ENVI4.8軟件直接可以得出陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)遙感數(shù)據(jù)各波段的統(tǒng)計(jì)值，包括最大值、最小值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差，見(jiàn)表1。

表1　陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)TM遙感數(shù)據(jù)單波段統(tǒng)計(jì)特征值統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)五個(gè)波段進(jìn)行合成，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可以得出陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)TM遙感數(shù)據(jù)五個(gè)波段的協(xié)方差，見(jiàn)表2。

表2　陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)TM遙感數(shù)據(jù)波段間協(xié)方差統(tǒng)計(jì)表

統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3.

表3　陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)TM遙感數(shù)據(jù)波段間相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4.2波段組合相關(guān)系數(shù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)TM遙感數(shù)據(jù)波段組合OIF統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4　陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)TM遙感數(shù)據(jù)波段組合OIF統(tǒng)計(jì)表

5　結(jié)果分析

陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)TM影像最優(yōu)波段選擇研究結(jié)果表明，TM135波段組合OIF指數(shù)最高，TM125波段組合次之，TM145位居第三。根據(jù)波段間的相關(guān)系數(shù)要盡可能的小的原則，選擇TM125波段為陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)TM影像最優(yōu)波段組合。

本文的研究計(jì)算的到了陽(yáng)關(guān)保護(hù)區(qū)的遙感影像最優(yōu)波段組合，但是也存在波段間的相關(guān)系數(shù)比較大的問(wèn)題，在以后的研究中，會(huì)繼續(xù)探討。

［1］ 劉揚(yáng)，王琳.遙感的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)［J］.科技傳播，2012（6）：209-210.

［2］ 孫佑海，陳少云：制定《自然保護(hù)區(qū)法》的論證［J］.環(huán)境保護(hù)，2002.（4）.

［3］ 甘肅省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院.甘肅敦煌陽(yáng)關(guān)自然保護(hù)區(qū)總體規(guī)劃（2010-2019）［Z］.2010.

［4］ 徐磊，侯立春，楊強(qiáng).利用TM影像提取土地利用、覆被信息的最佳波段研究［J］.湖北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，33（1）：119-122.

［5］ 姜小光，王長(zhǎng)耀，王成.成像光譜數(shù)據(jù)的光譜信息特點(diǎn)及最佳波段選擇［J］.干旱地理，2000，21（3）：214-220.

［6］ 王琴，陳蜜.基于信息量的ALI影像最佳波段選擇及融合研究［J］，資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)，2014：1027-1030

［7］ ETM+多光譜遙感影像彩色合成最佳波段選擇研究—以順德區(qū)土地遙感圖制作為例

［8］ 羅音，舒寧．基于信息量確定遙感圖像主要波段的方法［J］．城市勘測(cè)，2002，（4）：28-32．

［9］ 郭雷，常威威，付朝陽(yáng)．高光譜圖像融合最佳波段選擇方法［J］．宇航學(xué)報(bào)，2011：374-379．

［10］周麗雅．遙感影像融合及質(zhì)量評(píng)價(jià)研究［D］．解放軍信息工程大學(xué)

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