基于Landsat影像的南陽市植被變化研究

蘆斌 謝宏全 汪秋玲 李培顯 孫建宇

摘? 要：以南陽市為研究區，基于2010年LANDSAT TM 4-5和2017年LANDSAT 8遙感影像數據，利用最大似然法對2010—2017年南陽市植被覆蓋及其動態變化進行研究。研究結果表明：2010—2017年農田由31.88%減少到29.57%;森林由23.90%增加到31.64%（其中不包括疑似草本植物和裸地）。

關鍵詞：植被? 遙感? 最大似然法

中圖分類號：Q948 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（a）-0071-02

植被是覆蓋地表的植物群落的總稱[1]，是地球生態系統中重要的組成部分，而研究植被的變化對描述一個地區植被覆蓋情況有著深遠意義，也是描述生態系統的重要基礎數據。獲得某個區域地表植被覆蓋狀態，對于解譯地表植被變化及植被動態變化趨勢、分析、評價區域生態環境具有重要意義。植被遙感技術的研究經歷了很長時間，現在植被指數與地表生態環境參數的關系研究方面已經取得突破，這些技術可以提高植被遙感的精度，并且可以了解植被在地表物質能量交換中所產生的作用[2]。

該文以2010年Landsat TM4-5和2017年Landsat 8遙感影像數據為基礎，以空間分析為手段，通過對影像數據的處理，利用最大似然法提取南陽市的植被變化情況。根據2010—2017年的植被變化情況，分析南陽市的植被變化原因。

1? 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

南陽市，位于河南、湖北、陜西三省交界處，河南省的西南部。南陽，北緯34°40′，東經112°21′，總面積為26600km2。南陽市的年平均氣溫14.4℃～15.7℃，7月平均氣溫最高，為26.9℃～28.0℃，1月平均氣溫最低，為0.5℃～2.4℃。全年的降雨量可以達到703.6～1173.4mm，并且是東南的平均降雨量比西北的平均降雨量多，適宜植被生長。

1.2 數據來源

數據的來源基于地理空間數據云（https：//www.gscloud.cn）網站，下載南陽市2010年和2018年影像。其中2010年5月的數據格式為Landsat TM4-5，2017年4月的數據格式為Landsat 8，所選取的數據空間分辨率均為30m。所有的影像數據采集的時間基本一致，這樣有助于采樣過程中便于辨別地物。影像選取的基本要求為云率最小，數據采集時間基本在四五月份，植被長勢較好，可以明顯區分不同地物。

2? 分類方法與評價

2.1 數據處理流程

此次研究流程包括8個主要的方面（見圖1），數據的預處理包括幾何糾正、輻射定標、大氣校正、影像鑲嵌和影像裁剪。

此次影像數據處理的軟件平臺為ENVI 5.3.1。輻射定標采用軟件的通用輻射定標工具（Radiometric Calibration），大氣校正采用軟件平臺的FLAASH模塊對衛星數據進行大氣校正。經過輻射定標和大氣校正的影像，進行無縫拼接鑲嵌。采用2015年全國行政邊界矢量數據對拼接后的影像進行裁剪，以此得到整個南陽市的研究區域。

根據不同的地物可以選擇不同的波段進行組合，利用不同的波段組合，在監督分類時候可以用來判斷不同地物。該次采用的波段組合為5、4、3。

2.2 監督分類

監督分類方法為：最大似然法[3]。最大似然法是根據訓練樣本的均值和方差來評價其他像元和訓練類別之間的相似性，它可以同時定量地考慮兩個以上的波段和類別，是一種廣泛應用的分類器，但是這種算法的計算量較大，同時對不同類別的方差變化比較敏感[4]。

通過影像的色調、色彩、大小、陰影、紋理、形狀、圖案、位置、組合9個方面對影像進行分類。這次預分類為7類，分別為森林、水體、農田、裸地、居民地/道路、疑似草本植物以及其他。根據不同的地理環境和特征，選取比較明顯地方的區域。為了達到要求，每類地物都選擇了大量樣本，以此來提高精度。

2.3 精度評價

經過分類后數據的數值越接近2，說明數據的區分度越高，數值處于1.8以下的，說明數據的可分離性較低，分類的可靠性不高。

由數據分析可知：2010年的數據中森林與農田的區分度較差，區分難度較大;其他的各類地物之間都具有可分離性。2017年的數據中森林、裸地、居民地＼道路、沙地、農田以及水體疑似草本植物7類地物之間都可以區分。

在該次精度評定過程中因為任務區較遠，借助高分辨率影像來進行樣本的精度評定。實地地物樣本采集的地點與監督分類選取的樣本在同一地方選取，這樣可以保證樣本區分的有效性、真實性、可比性。經過與高分辨率影像對比，可以確認監督分類中選取的樣本與實地基本一致，具有較好的可分辨性。樣本精度的質量，可以決定分類精度的好壞。選區的樣本質量越高，所代表的分類精度越高。

3? 分類結果統計

經過監督分類后，統計了各類地類的像元數量，其中每個像元的大小為30m×30m。根據像元數量乘以每個像元大小就可以得到每個地類的面積，從而也可以計算所占的百分比（見表1和表2）。為了更好地反映植被的動態變化，在基于ENVI5.3軟件，對其中重要變化的農田和森林做了變化分析（見圖2），從圖2中可以清楚地看到植被的增加以及變化。

4? 結語

由于南水北調工程源頭在南陽市境內，為了保護水源地，這幾年里政府大力支持退耕還林政策，所以這幾年時間森林的覆蓋率逐年增加，實施庫區周圍的大量居民地遷移農田由2010年的31.88%，減少到2017年的29.57%;森林由2010年23.90%增加到2017年的31.64%（其中不包括疑似草本植物和裸地）。

選取的地物為森林的變化，以及農田的變化。從變化信息圖中可以看出，森林部分變化最大。在丹江口水庫的上游，很多農田變成了森林。這是因為庫區作為南水北調的源頭，近些年來實施了大量的移民。據可靠資料顯示，移民數量大約為16.5萬人，因此有很多的農田變成森林，實施退耕還林政策。

參考文獻

[1] 劉子瀟，顏悅.天津地區植被覆蓋度的遙感估算及其動態變化研究[J].城市勘測，2019（3）：115-120.

[2] 王體雯，李濤.基于多源遙感影像融合的植被覆蓋度信息提取研究[J].安徽農業科學，2019，47（12）：146-148.

[3] 韓富圓，王天明，孫陽.基于Landsat遙感數據武漢地區植被覆蓋度動態變化監測分析[J].測繪與空間地理信息，2019，42（4）：90-92.

[4] 崔舜銚，姚佛軍，連琛芹.多源遙感數據在植被覆蓋區的水體信息提取[J].科學技術與工程，2018，18（28）：116-122.