基于像元二分模型的植被覆蓋反演

姜瑋旭

摘 要：土地覆蓋分類數據的采集是地理普查中最基礎、最重要的工作之一，數據采集任務量很大、精度要求也比較高，良好的地表分類能為后續的動態監測打下堅實的基礎。植被覆蓋度是形容生態和氣候的重要參數之一，同時要對生態系統進行分析描述時也要利用該數據，所以，對于植被覆蓋度的研究分析具有重要的意義。本文是基于像元二分模型對北京市順義區的植被覆蓋進行反演，實驗結果表明，該模型能夠滿足植被覆蓋度定量化要求。

關鍵詞：像元二分模型;圖像預處理;NDVI 計算;植被覆蓋度

1、引言

植被是連接土壤、大氣、和水分的橋梁，它不僅是生態系統的重要組成部分，同時還影響著陸地表面的能量平衡和生化循環。植被覆蓋度是指地面植被的投影面積與該地區總面積的百分比，是植被在該地區覆蓋面積的一個綜合的量化指標，可應用于不同行業。對于在全球循環的水文生態環境來說，監測植被覆蓋的動態數據和空間分布有重要意義。本文基于像元二分模型對北京市順義區的植被覆蓋度進行反演。首先對圖像依次進行輻射定標將沒有意義的 DN 值定標得到輻射亮度值、然后進行圖像裁剪和大氣校正等預處理。圖像預處理之后進行 NDVI 計算，統計出每一種土地類型的 NDVI 最大和 NDVI 最小值，計算出植被覆蓋度。

2、植被覆蓋度計算

2.1???? 研究區概述

北京市是中國的首都，總面積大約是16800平方公里。 Landsat8衛星遙感圖像上能夠明確從北京地區的土地覆蓋分類圖上看出人類的經濟活動逐步從城市的中心慢慢外邊擴散，十分明顯的表現出了人類活動的占地面積逐漸擴大，建房增多的變化情況，所以對該地區的植被覆蓋進行研究分析具有較高實用價值。研究區域順義區位于北京市的東北方向，距離市中心大約30公里，整個順義區大概面積為1021平方根公里。

本文研究的數據來源是從 Landsat8OLI 影像上獲取的北京地區的矢量影像圖、土地覆蓋分類圖以及北京市行政邊界矢量這三種遙感影像數據。

2.2???? 像元二分模型簡介

遙感影像上的像元信息，主要反映的是地物的混合信息。那么假設遙感圖像中任一像元的反射率 F 僅由沒有植被所覆蓋的部分（裸土）的信息Fs 與有植被覆蓋部分所提供的信息 Fv 這兩部分線性加權組合而成，即： F=Fs+Fv假設遙感圖像中任一像元都是純像元，那么，將有植被覆蓋的地區的圖像反射率設為 NDVIveg，沒有植被覆蓋的地區（裸土）的圖像反射率設為NDVIsoil。假設遙感圖像中任一像元只存在植被和土壤這兩個組分，那么這個像元中有植被覆蓋的面積在整個像元中的比例——植被覆蓋度，將其設為 VFC，那么沒有植被覆蓋的面積所占的比例即為（1-VFC）。因此，在混合像元中，將有植被所覆蓋區域的那部分所提供的信息設為 Fv，可以用純粹由植被所覆蓋地區的反射率 NDVIveg 與 VFC 的乘積算出來，無植被覆蓋的信息 Fs 可以用 NDVIsoil 與 （1-VFC） 的乘積來表示， F=ND- VIveg*VFC+NDVIsoil*（1-VFC）通過實踐證明，將 NDVI 值直接代替式上式中 F，植被覆蓋度的公式可以變換為：， 公式中：NDVIsoil—沒有植被覆蓋地區所體現的像元的 NDVI 值; NDVIveg—完全由植被所覆蓋地區所體現的像元的 NDVI 值。

所以要利用像元二分模型來估算順義區的植被覆蓋度的關鍵就是要求出 NDVIsoil 和 NDVIveg 這兩個參數值。這里有兩種假設：

（1） 當區域內可以近似取 。那么植被覆蓋公式可變為：VFC=（ND- VI-NDVImin）/ （ NDVImax-NDVImin）。將區域內最大的 NDVI 值設為 ND- VImax，最小的 NDVI 值設為 NDVImin。本論文選 作為置信度的范圍選取該值。

（2） 當區域內不能近似的選取 。本文選取一定置信度范圍內的NDVImin 和 NDVImax 作為植被覆蓋度計算的參數。

2.3???? NDVI 計算

歸一化植被指數（NDVI）能反映出地面含有如土壤、潮濕地面、雪、枯葉、粗超度等植物冠層的背景影響等方面內容，且與植被覆蓋有關。在遙感影像中，NDVI 的計算公式：，其中，NIR—近紅外波段的反射值，R—紅光波段的反射值。NDVI 計算中，要將 NDVI 值保持在[-1，1]中，避免異常值太大給計算造成不便。

本論文選用 NDVI 值作為參數計算植被覆蓋度，采用像元二分模型對植被覆蓋進行反演，要求取植被覆蓋度，首先需要計算 NDVI 值。由于大氣校正后的結果有部分像元為負值且數值較大在[-1，1]之外，為了便于后面的計算統計分析，對 NDVI 進行去除異常值處理，將 NDVI 值中大于1的數值變為1，小于 -1的數值變成 -1。

2.4???? 制作掩膜

為了控制需要處理的圖像的處理區域，采用特定的圖像（掩膜圖像）對要處理的圖像進行遮擋，這就是掩膜文件制作的原理。掩膜文件的作用：（1）屏蔽作用，可以只對所屏蔽的地區進行處理。（2）提取感興趣區域，用已經制作好掩膜文件與需要處理的遙感圖像相乘，就能得到感興趣區域的圖像，計算所得的圖像本身的圖像值保持不變，感興趣區域外的圖像值變為0，作為背景值存在。（3）特殊形狀圖像的制作，跟提取感興趣區域原理一樣，跟圖像裁剪類似。

2.5???? 獲取閾值

獲取閾值就是獲得上面處理得到的掩膜文件，統計圖像文件中的NDVImin 和 NDVImax，本文在置信度范圍為 內獲取每個掩膜文件對應的最大和最小 NDVI 值，得到掩膜文件的 NDVI 最大最小值。

2.6???? 計算參數文件

植被覆蓋度的計算公式為：。求取出 NDVIsoil 和 NDVIveg 這兩個參數，代入上述公式，計算出研究區域的植被覆蓋度。得到上述兩個參數的結果之后之后，進行波段運算，再進行去除異常值處理，由此生成最終參數文件，最后進行符號化，得到最終植被覆蓋結果。

3、總結

本文利用像元二分模型對北京市順義區的植被覆蓋度進行了估算，從估算結果來看，順義區中心區域的植被覆蓋度相對于遠離中心地區的植被覆蓋度要小，尤其是東南地區人口密集、城市化水平較高的地區，植被覆蓋度相對較小。因此，通過分析對比，本文采用像元二分模型估算北京市順義區的植被覆蓋度與實際情況大致相同，能夠充分說明該模型估算植被覆蓋度結果比較準確。

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