遙感實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)-植被覆蓋率-長(zhǎng)沙市

1、 長(zhǎng)沙市植被覆蓋率變化 長(zhǎng)沙市植被覆蓋率變化 學(xué)生姓名： 李勝 學(xué)號(hào)： 201242979 題 目： 長(zhǎng)沙市植被覆蓋率變化 指導(dǎo)教師： 劉峰 評(píng)閱教師： 劉峰 2015 年5月9日一：研究區(qū)域數(shù)據(jù)獲取 本次實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)植被覆蓋率估算，因此實(shí)驗(yàn)區(qū)域的影像因盡量選擇植被茂盛的季節(jié)。在數(shù)據(jù)源選取上，我在馬里蘭大學(xué)的網(wǎng)站下了Landsat 5 1T級(jí)數(shù)據(jù)，包夠了紅，綠，藍(lán)，近紅外，熱紅外7個(gè)波段。下載的地區(qū)是覆蓋了長(zhǎng)沙市中部地區(qū)2009年6月6日的影像。下圖（圖1）為原始數(shù)據(jù)的假彩色合成圖一：原始數(shù)據(jù)假彩色合成二：數(shù)據(jù)預(yù)處理進(jìn)行植被覆蓋率估算，需要用到歸一化植被指數(shù)（NDVI）。NDVI的物理依據(jù)是地

2、物反射率的差異變化，所以用反射率來(lái)計(jì)算是比較客觀準(zhǔn)確的。TM原始數(shù)據(jù)就是DN值，不能用來(lái)直接計(jì)算NDVI，必須通過(guò)輻射定標(biāo)計(jì)算成反射率，才能用來(lái)計(jì)算NDVI。因此，要對(duì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)先進(jìn)行輻射校正和大氣校正。下載的L1T級(jí)數(shù)據(jù)，頭文件（L5119042_04220090606_MTL）有詳細(xì)影像參數(shù)，控制點(diǎn)文件（L5119042_04220090606_GCP）中有控制點(diǎn)高程信息用于大氣校正的地形參數(shù)，可以利用這兩個(gè)文件做輻射校正和大氣校正。（1）輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)使用數(shù)據(jù)為L(zhǎng)1T級(jí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)輻射校正的數(shù)據(jù)。由于1級(jí)產(chǎn)品的DN值是由輻射亮度線性變換得到的，因此從1級(jí)產(chǎn)品計(jì)算輻射亮度只需利用相關(guān)參數(shù)（

3、Gain和Bias）進(jìn)行線性反變換即可，計(jì)算過(guò)程比較簡(jiǎn)單。各參數(shù)可在影像頭文件中找到，Calibration Type 注意選擇為Radiance。圖2：輻射定標(biāo)參數(shù)設(shè)置（2）大氣校正 大氣校正是采用ENVI的FLAASH模塊，F(xiàn)LAASH模塊要求輸入輻亮度圖像，輸出反射率圖像。之前對(duì)進(jìn)行了輻射定標(biāo)，得到輻亮度圖像，在這里要把BSQ 格式的圖像轉(zhuǎn)換為BIL 或者BIP 格式的圖像。FLAASH校正輸入圖像后，程序會(huì)讓你選擇Scale Factor，即原始輻亮度單位與ENVI 默認(rèn)輻亮度單位之間的比例。ENVI 默認(rèn)的輻亮度單位是W/cm2 srnm，而之前我們做輻射定標(biāo)時(shí)單位是W/m2 srm

4、，二者之間轉(zhuǎn)換的比例是10，因此在下圖中選擇Single scale factor，填寫(xiě)10.000。其中參數(shù)中心坐標(biāo)，影像獲取時(shí)間，都可以在頭文件中獲取，大氣參數(shù)可以查看ENVI help來(lái)確定，還有研究區(qū)域的平均高程，可以通過(guò)GCP文件大致估算。FLAASH的參數(shù)設(shè)置如下圖（圖3）。圖3：FLAASH參數(shù)設(shè)置三：研究區(qū)域裁剪 本來(lái)想以長(zhǎng)沙市為研究區(qū)域，但是這景影像覆蓋了長(zhǎng)沙市中部百分之90左右的距離，但并沒(méi)有覆蓋完整，所以無(wú)法用矢量邊界裁剪，我就規(guī)則裁剪了一塊區(qū)域做研究圖5：裁剪區(qū)域四：分類(lèi)這里我選擇了用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)（1） 訓(xùn)練區(qū)選擇由于分辨率不太高，并且結(jié)合植被覆蓋度估算中用到

5、的三種模型，我將圖像分為了5類(lèi)，水體和裸地的fg=0，林地和城區(qū)用等密度模型估算，草地用非等密度模型估算。圖6：ROI選擇（2）采用最大似然分類(lèi)圖7：最大似然分類(lèi)參數(shù)設(shè)置圖8：最大似然分類(lèi)結(jié)果五：土壤線方程參數(shù)確定土壤線：指土壤的光譜值在近紅外波段和紅波段的反射率或亮度值所構(gòu)成的二維平面上的線性關(guān)系，是對(duì)大量土壤光譜信息的綜合描述。土壤線方程為：NIR=aR+b其中：NIR 近紅外波段的反射率或DN值；R紅色波段的反射率或DN值；a和b分別為土壤線的斜率和截距。TM影像的band 3是紅色波段，band 4是近紅外波段。在ENVI中繪制散點(diǎn)圖，然后選擇散點(diǎn)圖的土壤線部分，導(dǎo)出對(duì)應(yīng)圖像AOI區(qū)的

6、ASCLL碼文件，在EXCEL中進(jìn)行曲線擬合。擬合結(jié)果如下圖（圖9）所示圖9：土壤線方程擬合得到參數(shù)a=1.366 b=389.45 由于我進(jìn)行大氣校正后，結(jié)果并沒(méi)有/10000，所以土壤線截距為300+，但后面的計(jì)算同一用沒(méi)有/10000的影像來(lái)做，并不會(huì)對(duì)最后的fg產(chǎn)生影響。六： NDVI的確定使用大氣校正后得到的反射率數(shù)據(jù)，直接用ENVI的Band math計(jì)算NDVI。負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對(duì)可見(jiàn)光高反射；0表示有巖石或裸土等，NIR和R近似相等；正值表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。由于影像的背景值和無(wú)效值影響，導(dǎo)致計(jì)算的NDVI值范圍超出了-1,1之間。因此，Band

7、 math下輸入公式-1> b1 < 1（b1：NDVI波段），最小值和最大值運(yùn)算符的同時(shí)運(yùn)用使NDVI中的值被限制在-1,1之間。NDVI的最后結(jié)果如下圖所示（圖10）圖10：NDVI圖圖11：NDVI統(tǒng)計(jì)結(jié)果七：植被的亞像元模型（1）等密度模型：假設(shè)像元中植被類(lèi)型較為單一且植被垂直密度足夠高，即: LAI, 對(duì)應(yīng)的NDVIgNDVI，因此，在等密度模型假設(shè)下，植被覆蓋率fg：（a） 林地：第一步：求NDVI最大值和最小值，用類(lèi)別圖像建立掩膜文件，然后應(yīng)用于NDVI圖像，提取出林地部分，統(tǒng)計(jì)像元值。NDVI最小值NDVI最大值林地0.0036250.977543 第二步： 求fg

8、，利用提取得到的林地的ndvi影像做波段運(yùn)算，輸入公式：(float(b1)-0.003625)/(0.977543-0.003625)。其中b1是第一步求得的林地的NDVI波段。波段運(yùn)算后得到如下結(jié)果。圖12：林地的fgFg最小值Fg最大值林地0.7294120.925490（b） 城鎮(zhèn)用地：第一步：求NDVI最大值和最小值，用類(lèi)別圖像建立掩膜文件，然后應(yīng)用于NDVI圖像，提取出城區(qū)部分，統(tǒng)計(jì)像元值。NDVI最小值NDVI最大值城區(qū)-0.0016080.654542第二步：求fg，利用提取得到的林地的ndvi影像做波段運(yùn)算，輸入公式：(float(b1)+ 0.001608)/( 0.654

9、542+0.001608)。其中b1是第一步求得的城區(qū)的NDVI波段。波段運(yùn)算后得到如下結(jié)果。圖13：城市的fgNDVI最小值NDVI最大值城區(qū)0.0039220.898039 （2） 非等密度模型非密度模型與等密度模型相似，該模型也假設(shè)像元中植被類(lèi)型較為單一；但此時(shí)的植被垂直密度較小,即LAI<<。因而植被覆蓋部分的NDVI值(NDVIg) 需由Bear定律確定,k=1。草地&農(nóng)田：第一步：求NDVI最大值和最小值用類(lèi)別圖像建立掩膜文件，然后應(yīng)用于NDVI圖像，提取出草地&農(nóng)田部分，統(tǒng)計(jì)像元值。NDVI最小值NDVI最大值草地&農(nóng)田0.0031090.99

10、5320 第二步：估算LAI,插值法求得LAI與紅波段和近紅外波段的關(guān)系。令LAI=0、0.5、1，帶入下式計(jì)算，能算出形如DN2=aDN1+b+c 的式子。參數(shù)值見(jiàn)表1.參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值DN11602DN14098r10.05r20.7c10.6c20.21a1.366b389.47表1：參數(shù)表 LAI=0, DN2=aDN1+b LAI=0.5, DN2=aDN1+b+432.6 LAI=1， DN2= aDN1+b+1097.5 用二次多項(xiàng)式擬合LAI和c的關(guān)系： LAI=-0.3*c2+10*c 其中c=DN2-aDN1-b 用以上得出的LAI與DN1、DN2的關(guān)系求LAI后除以10000并做歸一化，得到以下結(jié)果圖14：草地&農(nóng)田L(fēng)AILAI最小值LAI最大值草地&農(nóng)田0.667105.66978第三步：根據(jù)Bear定理，用波段計(jì)算計(jì)算NDVIg圖15：NDVIg灰度