基于Landsat 8影像的冰面提取光譜模型構(gòu)建

左曉慶，劉懷鵬

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230009；2.洛陽(yáng)師范學(xué)院 國(guó)土與旅游學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471934)

0 引言

地表冰作為氣候變化的敏感因素，其面積變化的信息能夠直觀體現(xiàn)出氣溫的變化特征，其面積變化信息也對(duì)氣候的年際變化有一定的反映，有時(shí)甚至比氣溫更為顯著[1-3]。因此，對(duì)地表冰面的覆蓋面積信息進(jìn)行獲取具有重要的意義。近年來，伴隨著衛(wèi)星傳感器的升級(jí)換代和影像處理算法的不斷發(fā)展，遙感技術(shù)已經(jīng)成為冰面檢測(cè)、監(jiān)測(cè)的主要手段。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于遙感技術(shù)對(duì)冰面的檢測(cè)、提取已有一定的研究。例如，劉懷鵬等[4]基于快鳥影像，通過分析地物光譜曲線，構(gòu)建出一種能快速、準(zhǔn)確提取冰面信息的光譜指數(shù)，再使用閾值分割識(shí)別出影像中的冰面，提出了一種高效檢測(cè)城市冰面的方法；王瓊等[5]使用支持向量機(jī)對(duì)色林錯(cuò)湖區(qū)2017—2018年的7景天宮二號(hào)遙感影像進(jìn)行湖冰提取，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)色林錯(cuò)湖冰信息的識(shí)別；Qi等[6]采用閾值法，提出了一種設(shè)置MODIS數(shù)據(jù)中的紅色波段閾值和紅色、近紅外兩波段反射率之間差值閾值的方法，對(duì)湖冰信息的檢測(cè)取得了不錯(cuò)的結(jié)果；Williamson等[7]基于MODIS遙感影像，將已有的面積提取算法結(jié)果與Landsat 8的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用動(dòng)態(tài)閾值算法提取冰面湖具有較高的精度，可以實(shí)現(xiàn)湖冰信息的有效提取。

從國(guó)內(nèi)外的研究中可以看出，利用遙感技術(shù)檢測(cè)冰面的方法主要有波段閾值法、影像分類法、比值圖像法、面向?qū)ο蠓ǖ龋@些方法在一定程度上均可實(shí)現(xiàn)冰面的提取[8-10]。波段閾值法是一種基于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的方法，簡(jiǎn)單易操作，但易受影像獲取時(shí)間、大氣傳輸?shù)纫蛩匾约爱愇锿V現(xiàn)象的影響，提取結(jié)果精度低且不穩(wěn)健。因此，該方法具有一定的局限性，一般只在遙感應(yīng)用的早期或數(shù)據(jù)不完整時(shí)使用[11]。影像分類法需經(jīng)過觀察、確定地物種類，選擇不同類型地物的訓(xùn)練樣本等步驟，通過建立判別函數(shù)從而確定非樣本像素的分類特征，提取精度較高，但提取過程既耗時(shí)又復(fù)雜，且光譜特征相似的地物不易分辨。例如，張?chǎng)12]采用最大似然分類法提取了西北高原昆侖山脈崇測(cè)冰川的冰川信息，但出現(xiàn)了部分巖石被錯(cuò)分以及冰川被漏分現(xiàn)象。比值圖像法是運(yùn)用不同波段的數(shù)字化值進(jìn)行比值計(jì)算，操作簡(jiǎn)便且對(duì)冰面信息有一定的增強(qiáng)，但由于一般僅涉及兩個(gè)波段，對(duì)冰面信息增強(qiáng)和其他干擾地物抑制不夠深入，導(dǎo)致冰面與其他地物在影像中的分離效果不理想，提取結(jié)果的精度可能不高。例如，Paul等[13-14]通過計(jì)算TM3/TM5波段的反射率比值得到了冰川信息，但發(fā)現(xiàn)水體在可見光和短波紅外兩個(gè)波段的波譜特征差異與冰川較為相似，故發(fā)生水體誤提成冰川情況。面向?qū)ο蠓ú粌H考慮光譜信息，還考慮形狀、紋理、空間特征等信息，通過統(tǒng)計(jì)每個(gè)分割對(duì)象的灰度、紋理等特征進(jìn)行冰面提取，提取精度較高，但需引入較多參數(shù)作為分類特征，使得提取過程中涉及較大的數(shù)據(jù)量且提取環(huán)節(jié)繁雜。例如，韓惠等[15]引入地形、指數(shù)等特征參數(shù)，并結(jié)合地物的光譜、形狀和紋理等分類特征，使用該方法有效地獲得了冰川范圍信息。另外，這些方法大多是基于低分辨率的遙感影像對(duì)大尺度的冰川進(jìn)行提取，采用中分辨率的Landsat 8影像對(duì)異質(zhì)性較高的地理空間分布的冰面進(jìn)行提取的研究尚不多見。針對(duì)上述問題，本研究基于Landsat 8影像，分析不同地物光譜信息差異，建立一種有益于冰面信息增強(qiáng)、其他非冰面信息抑制的冰面光譜模型，改善異質(zhì)性較高地理空間的冰面提取效果，以期為冰面提取提供一種切實(shí)可行的新方法。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)分為建模區(qū)和測(cè)試區(qū)兩部分。其中，建模區(qū)為岱海旅游區(qū)，位于地理坐標(biāo)為40°32′N～40°38′N、112°37′E～112°47′E的內(nèi)蒙古烏蘭察布市的涼城縣境內(nèi)[16]，該地區(qū)距離省會(huì)呼和浩特市約100 km，距離首都北京市約420 km，屬于典型的中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫約為2～5 ℃，降水主要集中在7、8月份，是占地面積最大的內(nèi)蒙古中西部旅游區(qū)。測(cè)試區(qū)為哈素海旅游區(qū)，位于地理坐標(biāo)為40°33′N～40°40′N、110°48′E～111°3′E的內(nèi)蒙古呼和浩特市的土默特左旗境內(nèi)[17]，該地區(qū)距離包頭市約85 km，距離鄂爾多斯市約114 km，屬于典型的中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，有著較大的年溫差和日溫差，降水主要集中在7、8月份，是風(fēng)景秀美的休閑旅游區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本研究使用的數(shù)據(jù)均來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http：//www.gscloud.cn/)的Landsat 8(operational land imager,OLI)多光譜影像。建模區(qū)影像成像于2018年1月16日，數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)為L(zhǎng)C81250322018016LGN00， 測(cè)試區(qū)影像成像于2016年2月10日，數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)為L(zhǎng)C81270322016041LGN00。兩幅影像的成像時(shí)間正值當(dāng)?shù)睾唇Y(jié)冰期，且無云遮蓋，適宜對(duì)冰面提取光譜模型的構(gòu)建進(jìn)行研究。

利用ENVI 5.3軟件對(duì)建模區(qū)和測(cè)試區(qū)的衛(wèi)星影像進(jìn)行預(yù)處理。首先，分別對(duì)多光譜數(shù)據(jù)和全色波段進(jìn)行輻射定標(biāo)，將圖像的數(shù)字量化值轉(zhuǎn)化為絕對(duì)輻射亮度值[18]；其次，將7波段30 m空間分辨率的多光譜數(shù)據(jù)和15 m空間分辨率的全色波段進(jìn)行融合，提升影像數(shù)據(jù)的空間細(xì)節(jié)表達(dá)能力[19]；然后，對(duì)影像進(jìn)行大氣校正，消除大氣、光照等因素對(duì)地物反射的影響，獲得地物真實(shí)的反射特征值[20]；最后，按照研究范圍對(duì)影像進(jìn)行裁剪。

2 研究方法

本文以岱海旅游區(qū)為建模區(qū)，分析不同地物的光譜響應(yīng)差異，選取多個(gè)與冰面識(shí)別有關(guān)的波段，建立一種基于Landsat 8影像的冰面光譜模型，再使用閾值分割，實(shí)現(xiàn)對(duì)冰面信息的有效識(shí)別。并以哈素海旅游區(qū)為測(cè)試區(qū)，采用最大似然分類方法作對(duì)照實(shí)驗(yàn)，與冰面光譜模型法檢測(cè)的冰面效果進(jìn)行對(duì)比分析，探究創(chuàng)建的冰面提取光譜模型的有效性與適用性。本研究采用的技術(shù)路線如圖1所示。

2.1 反射光譜曲線擬合

對(duì)比不同地物的反射光譜曲線數(shù)值和形狀的特征差異，有助于實(shí)現(xiàn)冰面信息的提取[21]。基于建模區(qū)影像數(shù)據(jù)，首先，在真彩色合成狀態(tài)下，通過目視觀察，確定冰面、藍(lán)色地物、白色地物、植被和陰影為分類目標(biāo)；然后，在標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成狀態(tài)下，對(duì)這5種地物類型隨機(jī)分散地采集50、30、30、30、30個(gè)像元。利用采集的地物樣本，統(tǒng)計(jì)得到各地物的反射特征均值，結(jié)果如表1和圖2所示。

表1 建模區(qū)各地物反射特征均值統(tǒng)計(jì)表

2.2 冰面信息增強(qiáng)

在冰面識(shí)別的過程中，困難在于與冰面光譜信息相似的其他地物的干擾，但難以分辨的地物雖然光譜特征相近，波段上的反射值總存在差異。冰面提取的光譜模型依據(jù)光譜增強(qiáng)的原理來創(chuàng)建，采用代數(shù)運(yùn)算法則，可以在各地物波段原始反射值微小差異的基礎(chǔ)上進(jìn)一步銳化目標(biāo)地物與其難以區(qū)分地物的亮度值差異。

基于VMI模式的供應(yīng)鏈集成同樣會(huì)帶動(dòng)信息流的整合，庫(kù)存信息將不僅僅在生產(chǎn)站段內(nèi)流動(dòng)，還需要通過供應(yīng)鏈向物資供應(yīng)段、供應(yīng)商傳導(dǎo)；同樣，供應(yīng)商的生產(chǎn)供應(yīng)計(jì)劃也會(huì)通過供應(yīng)鏈向物資供應(yīng)段、生產(chǎn)站段流動(dòng)。通過信息流的整合，物資供應(yīng)段在向供應(yīng)商提報(bào)需求計(jì)劃時(shí)能夠綜合考慮現(xiàn)有庫(kù)存和在途庫(kù)存，通過調(diào)控生產(chǎn)需求計(jì)劃保證生產(chǎn)站段庫(kù)存容量及到貨頻率。物資供應(yīng)段在調(diào)控生產(chǎn)需求計(jì)劃的同時(shí)，要時(shí)刻關(guān)注并預(yù)測(cè)庫(kù)存總量、庫(kù)存資金占用的變化，以保證站段生產(chǎn)持續(xù)性為第一原則，少批量、多頻率地向供應(yīng)商提報(bào)生產(chǎn)需求計(jì)劃。

1)波段相加。從光譜曲線中尋找非目標(biāo)地物的反射特征值不如目標(biāo)地物(冰面)反射特征值突出的波段。在波段b1、b2、b3、b4中，冰面的反射特征值高于藍(lán)色地物、植被和陰影，把這4個(gè)波段相加，可將冰面和白色地物信息增強(qiáng)，得到的特征圖像表示為b1+b2+b3+b4。

2)波段差值。從光譜曲線中尋找兩波段作差可增強(qiáng)目標(biāo)地物信息，同時(shí)又能弱化與背景地物信息的配對(duì)波段。冰面在波段b1的反射特征值高于b5，這兩波段之間的反射特征值差異與其他非冰面地物不同，將波段b1與b5做差，可正向增強(qiáng)冰面信息，負(fù)向增強(qiáng)其他地物信息，得到的差值型特征圖像表示為b1-b5。

3)正負(fù)處理。從光譜曲線中尋找目標(biāo)地物與非目標(biāo)地物光譜曲線在兩波段之間斜率差異最顯著的波段。在波段b4與b5之間，冰面光譜曲線與其不易分辨的地物光譜曲線的斜率差異最顯著，通過b4與b5兩波段的反射特征值差值與中心波長(zhǎng)λ4、λ5差值的比值計(jì)算斜率，可進(jìn)一步銳化不同地物間的光譜差異。為保證對(duì)感興趣目標(biāo)地物亮度值的增強(qiáng)為正向增強(qiáng)，選擇再與-1相乘，使提取的冰面信息落在正值區(qū)間，得到的正向增強(qiáng)型特征圖像表示為(b4-b5)/(λ4-λ5)×(-1)。

2.3 冰面指數(shù)創(chuàng)建

在波段相加環(huán)節(jié)中，白色地物信息也被增強(qiáng)了，利用斜率調(diào)節(jié)在第一步中被連帶增強(qiáng)的非目標(biāo)地物信息，突出冰面信息。故選擇將第一步和第二步獲得的特征圖像相加，與第三步獲得的正向增強(qiáng)型特征圖像相乘，最后創(chuàng)建的冰面指數(shù)(ice spectrum index，ISI)，如式(1)所示。

(1)

式中：λ4、λ5分別代表Landsat 8影像中b4(紅色波段)、b5(近紅外波段)的中心波長(zhǎng)，兩個(gè)波段的中心波長(zhǎng)取值分別為0.655、0.865。

2.4 冰面提取

由于創(chuàng)建的冰面光譜指數(shù)涉及特征圖像間的相乘運(yùn)算，使冰面光譜指數(shù)得到的結(jié)果影像像元值變得過大。為便于后續(xù)閾值的選取，在閾值選擇前對(duì)結(jié)果影像進(jìn)行[-1，1]歸一化處理，以使冰面和非冰面像元值易于比較大小。

閾值分割是一種經(jīng)典的圖像分割方法，它的基本思想是在圖像目標(biāo)與非目標(biāo)的不同灰度級(jí)區(qū)域的組合中設(shè)置某一閾值作為分界線，把像素劃分為兩類，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與非目標(biāo)區(qū)域的分離，具有簡(jiǎn)單、便捷的優(yōu)勢(shì)[22-23]。對(duì)于冰面光譜指數(shù)歸一化得到的結(jié)果影像，其冰面與非冰面的像元值有著較為明顯的區(qū)別，該影像的灰度直方圖會(huì)存在較明顯的雙峰，但波谷不夠明顯。因此在閾值選取過程中，首先，統(tǒng)計(jì)冰面光譜指數(shù)歸一化影像的灰度直方圖，并得到雙峰中峰值較低的波峰峰值；其次，在該波峰峰值處做一條水平線，獲得與另一峰值較高的波峰的兩個(gè)交點(diǎn)，記錄雙峰中峰值較低處對(duì)應(yīng)的像元值以及所獲得的兩個(gè)交點(diǎn)中與該峰值水平距離最近的一個(gè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像元值；然后，將這兩個(gè)數(shù)值作為閾值選定區(qū)間，查看該結(jié)果影像中冰面和其他非冰面地物像元值以及該像元值下直方圖中對(duì)應(yīng)的像元個(gè)數(shù)，并與原影像動(dòng)態(tài)鏈接，反復(fù)選取多個(gè)閾值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；最后，通過目視觀察和精度驗(yàn)證，對(duì)比提取效果，從而獲得適宜提取Landsat 8影像中冰面的閾值，完成冰面的提取。

2.5 性能檢驗(yàn)

表2 冰面提取采用的訓(xùn)練樣本及驗(yàn)證樣本像元數(shù)量表

3 結(jié)果與分析

3.1 冰面提取精度

統(tǒng)計(jì)得到建模區(qū)和測(cè)試區(qū)的冰面光譜指數(shù)歸一化結(jié)果影像的灰度直方圖，如圖3所示。觀察直方圖，確定建模區(qū)的閾值選定區(qū)間為[0.058 8，0.184 3]，測(cè)試區(qū)的閾值選定區(qū)間為[0.341 2，0.458 8]。通過目視解譯和反復(fù)實(shí)驗(yàn)不斷調(diào)整閾值，獲得在建模區(qū)中適宜檢測(cè)冰面信息的閾值范圍為[0.086 0，1]，在測(cè)試區(qū)中適宜檢測(cè)冰面信息的閾值范圍為[0.371 0，1]。在建模區(qū)和測(cè)試區(qū)影像上，基于不同方法提取的冰面經(jīng)過精度驗(yàn)證后得到的混淆矩陣結(jié)果如表3和表4所示。

表3 建模區(qū)基于光譜模型冰面提取混淆矩陣

表4 測(cè)試區(qū)基于不同方法冰面提取混淆矩陣

由表3和表4可知，基于光譜模型法在建模區(qū)和測(cè)試區(qū)檢測(cè)到的冰面總體分類精度分別為93.18%、94.89%。由此表明，采用冰面光譜模型檢測(cè)冰面基本可以取得90%以上的精度，檢測(cè)效果具有穩(wěn)健性。在測(cè)試區(qū)中，基于光譜模型法檢測(cè)冰面的總體分類精度比最大似然分類法精度高了1.33%。由此表明，本研究提出的冰面光譜模型可以完成在Landsat 8影像中冰面信息的識(shí)別，且與常規(guī)分類方法相比，具有較高的檢測(cè)精度，能夠取得較為理想的冰面檢測(cè)效果。

3.2 冰面提取效果分析

采用新建的冰面光譜模型識(shí)別建模區(qū)、測(cè)試區(qū)Landsat 8影像中的冰面信息，并與最大似然分類法在測(cè)試區(qū)影像上提取的冰面結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，得到的冰面檢測(cè)結(jié)果如圖4至圖6所示。

由圖4至圖6可以看出，在裸地和冰面連接密切的垂釣區(qū)或面積相對(duì)較大的冰面區(qū)域中，最大似然分類法受冰面色調(diào)影響，對(duì)深色調(diào)冰面與裸地的分離效果欠佳，發(fā)生了小斑點(diǎn)或大斑塊冰面信息被遺漏提取的情況；冰面光譜模型法提取的冰面存在少量信息被漏提，提取信息較為完整，提取結(jié)果更貼近實(shí)際情況。在已融化的冰面或者未結(jié)冰的水體區(qū)域中，冰面光譜模型法發(fā)生小范圍把此處錯(cuò)誤提取為冰面的情況；最大似然分類法在此處提取效果良好，但存在與已融化的冰面或者未結(jié)冰的水體交接處的冰面遺漏提取的現(xiàn)象。在冰面區(qū)域狹窄或彎曲處，冰面光譜模型法和最大似然分類法均存在斷點(diǎn)的冰面檢測(cè)情況，導(dǎo)致局部小區(qū)域提取的冰面信息不夠完整。總體比較而言，二者的冰面提取情況各有優(yōu)劣。從提取精度和效果來看，冰面光譜模型法和最大似然分類法相差不大，在綜合考慮實(shí)用性后，判定最為理想的方法是冰面光譜模型法，最大似然分類法次之。

4 結(jié)束語(yǔ)

地表冰的面積和空間位置參數(shù)是環(huán)境要素的重要信息，通過創(chuàng)建遙感模型提取冰面獲得這些參數(shù)具有重要意義。本研究針對(duì)傳統(tǒng)遙感方法分離影像冰面與其他干擾信息效果不理想、提取冰面操作步驟多的問題，提出了一種基于Landsat 8影像的冰面信息識(shí)別方法。為了驗(yàn)證該方法的使用效果，在建模區(qū)和測(cè)試區(qū)影像上采用該方法提取出冰面，再在測(cè)試區(qū)影像上采用最大似然分類法提取出冰面，比較基于不同方法的冰面信息提取效果，得出以下結(jié)論。

1)冰面光譜模型法提取冰面的精度基本可以維持在90%以上，檢測(cè)效果具有穩(wěn)健性。

2)在測(cè)試區(qū)中冰面光譜模型法提取效果最佳，總體精度為94.89%，Kappa系數(shù)為0.90，比最大似然分類法檢測(cè)精度高。

3)冰面光譜模型法不需要選取地物樣本和設(shè)置相關(guān)參數(shù)，識(shí)別冰面信息過程簡(jiǎn)易，在保持較高檢測(cè)精度的條件下，減少了在Landsat 8影像中識(shí)別冰面的環(huán)節(jié)。

4)新建的冰面光譜模型有益于增強(qiáng)影像中冰面與其他非冰面地物的分離性，對(duì)于獲知異質(zhì)性較高地理空間區(qū)域中的冰面分布情況，具有突出的使用價(jià)值和響應(yīng)能力。

本研究的不足之處是在確定冰面和非冰面的閾值時(shí)，不可避免地受到人為主觀因素的干擾，對(duì)提取結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。另外，本研究所選擇的研究區(qū)范圍有限，對(duì)于不同地理區(qū)域的冰面提取效果還需要進(jìn)一步探討。在今后的研究中，擬選取不同地區(qū)、不同規(guī)模大小的區(qū)域，并根據(jù)所選區(qū)域的具體情況選擇合適的閾值，進(jìn)一步驗(yàn)證本研究所提出的冰面提取光譜模型的魯棒性。