基于主成分分析的二道白河地區泥石流遙感解譯預處理研究

史明遠，王邦鑒 （吉林建筑大學測繪與勘查工程學院，吉林 長春 130118）

1 引言

研究區位于吉林省安圖縣二道白河地區（如圖1所示），該地區夏季多暴雨，地震活動頻發，使地表產生大量形變，并且地形相對較陡，這種地質環境為泥石流的形成提供大量水源、豐富物源以及動力條件[1～6]，因此，二道白河地區泥石流災害頻發。泥石流災害野外調查往往耗時耗力，特別是規模很大的泥石流溝野外調查較為困難，通過遙感影像圈定泥石流危險區，可在災后第一時間獲得災害影響范圍，大幅提高救援效率，降低治理難度。本文對哨兵2B遙感影像數據進行預處理，通過輻射定標、大氣校正、圖像鑲嵌裁剪、本底值計算，使影像上地物邊界明顯，突出研究區泥石流邊界特征，方便后續泥石流危險區的提取。

圖1 研究區地理位置圖

2 遙感數據源

本次研究在ENVI環境下進行，遙感數據源為多光譜高分辨率哨兵2B數據（Level-1C），具體衛星影像參數見表1所示。

研究區泥石流的潛在易發性區域采集，需要充分考慮哨兵2B數據影像時間，因為在采集泥石流過程中需要植被指數，所以這次研究選擇的影像時間是在植被率高的夏季和秋季，哨兵2B元數據概況見表2所示。

哨兵2B衛星影像參數 表1

哨兵2B元數據概況 表2

3 圖像的預處理

幾何上進行精密修正、大氣修正后的哨兵2B數據（Level-1C）進行放射線的定標和大氣修正，然后再把校正好的單波段的哨兵2B數據進行波段合成，最后對哨兵-2B數據進行圖像的鑲嵌和裁剪等處理。

3.1 輻射定標

利用傳感器觀測目的的觀測物反射電磁能的情況下，從傳感器得到的測定值和對象物的光譜反射率等物理量不一樣，會導致失真現象，這對于后續對泥石流提取會產生誤差，因此失真現象必須消除。在大氣校正之前確定輻射標準，將數字量化值轉換成輻射亮度值[4]，確定輻射標準可以利用下面的公式，將遙感數據的數字量化值與輻射亮度值進行轉換。

推導公式：

3.2 大氣校正

大氣校正目的是去除氣溶雜質、光亮等不利條件，而去獲得地面物體反射率的真正模型參數。本次研究先對哨兵2B數據進行大氣矯正，然后采取了歸一化植被指數(NDVI)和土壤亮度指數(NDSI)等指標，為后期泥石流信息提取提供數據保障。哨兵2B圖像的大氣校正后的植被波普化曲線如圖2所示。

圖2 大氣校正后植被波普化曲線

3.3 圖像的鑲嵌與裁剪

本次研究涉及兩幅遙感圖像，圖像的鑲嵌是將相鄰多幅遙感圖像連接成一個大的完整圖像的過程[7～8]；圖像裁剪是把與研究范圍無關的多余圖像進行裁剪的過程。本次研究使用的是三次卷積法進行裁剪，此方法裁剪的誤差小，得到的圖像精度較高。本次的研究區是一個特定范圍區域，因此需要用經緯度確定范圍來進行裁剪，所以將鑲嵌好的影像數據，根據研究區范圍(42°00′N-42°40′N，127°50′E-128°20′E)裁剪，得到預處理后影像如圖3所示。

圖3 預處理后的影像

4 遙感圖像本底值計算

能夠反映自然環境本身面貌的數值為本底值，但是本底值在自然環境中不容易獲取。所以，在遙感上可以選取植被指數、土壤亮度指數和主成分變化第一分量這三個參數作為研究的重點，本次本底值計算在ENVI環境下進行。

4.1 植被指數計算

從研究區發育的狀況可知，發育中的溝谷性泥石流表面有植被的覆蓋，在遙感影像上呈淺色調并且亮度高。因此，在提取泥石流的過程中，植被指數是一個重要特征，本次研究采用了歸一化植被指數（NDVI）。

推導公式：

這里，有分別表示遙感圖像的近紅外頻帶IR和紅頻帶R，一般植被覆蓋指數范圍在0～1之間，并且最后在圖4中表示出植被指數的計算結果。

圖4 NDVI計算結果

4.2 土壤亮度指數計算

土壤亮度指數（NDSI）是基于與土壤的光譜響應和可見光植被的紅綠兩個頻帶變化規則相反的特征[9]，利用紅綠兩個頻帶的比率來區分土地利用的種類。

推導公式：

其中R和G分別代表影像的紅色波段和綠色頻段，然后使用BandMath工具完成土壤亮度指數計算。

推導公式：

其中的b3和b4分別對應影像的第三和第四頻段，最后得到土壤亮度指數影像結果（如圖5所示）。

圖5 NDSI計算結果

4.3 主成分分析

多波段數據關聯度相當高，主成分變化通過旋轉坐標軸使數據之間的方差達到最大，產生不相關頻段，從而隔離噪音和減少數據集數量，用關聯度高的多頻段信息通過數學方式轉化為關聯度小的信息來達到壓縮數據增強圖像的目的。本次研究共做兩次主成分分析，第一次是對原始影像做主成分分析，并將主成分分析的第一頻段影像與植被指數、土壤亮度指數影像打包成新的多光譜影像；第二次是對上述打包的多光譜影像做主成分分析，最后得到頻段重新組成后新圖像第一主成分的計算結果（如圖6所示），此時圖像地物邊界更為清晰，也為后續泥石流流域面積、溝谷彎曲系數等形態參數的提取提供基礎。

圖6 新的PC1計算結果

5 結語

本研究通過對二道白河地區哨兵2B遙感衛星數據進行輻射定標、大氣校正、圖像鑲嵌裁剪、本底值計算等預處理，通過預處理工作：①提高了圖像的精確度和解譯效果，抑制干擾信息，突出有用信息；②圖像上的地物邊界更加清晰，泥石流更加清晰可見，圖像效果良好，可為本課題后續泥石流的提取工作，提供數據基礎。