城市綠地信息提取遙感影像尺度效應(yīng)分析

1、第 34卷第 5期2009年 9月測(cè)繪科學(xué)Sc i ence of Surveying and M app i ngVol 134No 15Sep 1 作 者 簡(jiǎn) 介 :費(fèi) 鮮 蕓 (19692, 女 , 博 士 , 副 教授 , 現(xiàn) 從 事測(cè) 繪科 學(xué) 的教 學(xué) 與研究 工作 , 主 要研究方向?yàn)?GIS 、 RS 在城市 環(huán)境中的應(yīng)用研究。 E 2m ai:l sdaufxy 1631co m 收稿日 期 :2008204229通訊作 者 :張志 國(guó)教授城市綠地信息提取遙感影像尺度效應(yīng)分析費(fèi)鮮蕓 ¹, 張志國(guó) º, 高祥偉¹»(¹淮海工學(xué)院

2、測(cè)繪工程學(xué)院 , 江蘇連云港 222005, º上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院生態(tài)學(xué)院 , 上海 200235,»中國(guó)礦業(yè)大學(xué)土地復(fù)退與生態(tài)重建研究所 , 北京 100083=摘 要 >綠地信息提取精度與影像的空間尺度有關(guān) , 又與 提取目 標(biāo)的特 點(diǎn)有關(guān) 。 目 前用于 綠地信 息提取的 高分 辨率遙感影像主 要有 Q U ICKBIRD 、 I KONOS 和 SPOT5, 不同尺度影像對(duì) 綠地信息提 取精度的 影響還 缺少相關(guān) 的研 究 。 本文利用目視解譯方 法 , 研究 三種尺度遙感影像提取綠地信息的精度 。 結(jié)果表明 , 三種影像中 , 由于 QUICK 2BIRD 影

3、像有更詳細(xì)的空間結(jié)構(gòu) , 更適合于城市綠地零星分布特點(diǎn) , 在以 7層建筑物以下為主的研究區(qū) , 綠地信息 提取精度最高 。=關(guān)鍵詞 >遙感影像空間尺度 ; 綠地信息提取 ; Q U ICKBIRD ; I KO NOS ; SPOT5=中圖分類(lèi)號(hào) >TP751 =文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 >A =文章編號(hào) >100922307(2009 05201362031 引言尺度問(wèn)題在遙感 和 G IS 中 受到 廣泛 的關(guān)注 , 1993年在 法國(guó)召開(kāi)了熱紅 外遙 感尺度 問(wèn)題 國(guó)際會(huì) 議 , 認(rèn) 為尺度 問(wèn)題 是對(duì)從天 空 觀測(cè) 地球 的 首要 挑戰(zhàn) 1。從 遙 感的 角 度來(lái) 看 ,

4、尺度是從天空測(cè)量地 球的空間 量度范 圍 (空間尺 度 和時(shí)間 量度間隔 (時(shí)間尺度 與光譜 量度寬度 (光譜 尺度 , 其中空 間尺度是從天空 測(cè)量 地球的 空間 量度范 圍 , 多 被看作 遙感 影像分辨率大小 2?？臻g 尺度 是影響 影像 信息 提取精 度的 重要因素 , 同 時(shí)也受 遙感 數(shù)據(jù) 源特性、數(shù) 據(jù)處 理方 式、分 類(lèi)方法等多種因 素的 影響。當(dāng) 影像處 理技 術(shù)方 法不變 時(shí)影 像信息提取的不確 定性取 決于 遙感數(shù) 據(jù)空 間分 辨率與 組成 遙感數(shù)據(jù)的類(lèi)別目標(biāo) 物大小之間的相對(duì)關(guān)系 326。研究表明 , 類(lèi)對(duì) 間空 間鄰接 結(jié)構(gòu) 對(duì)類(lèi)別 間混 合像 元數(shù) 目隨空間分辨率

5、的變 化有決 定性 影響 ; 不 同類(lèi) 對(duì)之間 的最 大統(tǒng)計(jì)可分性可 能發(fā) 生在不 同的 空間分 辨率 ; 空間分 辨率 越高 , 并不一定 分類(lèi) 精度越 高 ; 不同 類(lèi)別 之間的 分類(lèi) 需要 不同空間分辨率的數(shù)據(jù) 7。 M oody and W oodcock (1994 研 究了遙感土地覆蓋類(lèi)型面積估 計(jì)誤差與空間 分辨率的 關(guān)系 , 發(fā)現(xiàn)土地覆 蓋類(lèi) 型 面積 估計(jì) 隨 空間 分辨 率 的變 化 而變 化。 當(dāng)空間分辨率大 于 90m 時(shí) , 面積 估計(jì)誤 差顯 著增 大。面積 估計(jì)誤差是空間 分辨 率 , 土地 覆蓋類(lèi) 型的 大小 和土地 覆蓋 類(lèi)別空間結(jié)構(gòu)的函 數(shù) 8。在對(duì) 斑塊大

6、 小和 土地 覆蓋的 異質(zhì) 性對(duì) 遙 感 影 像 分 類(lèi) 精 度 的 影 響 的 研 究 中 , M arkha m and W oodcock 通過(guò)邏輯 回歸模型評(píng)價(jià)不同 斑塊大 小和土 地覆蓋 的異質(zhì)性的遙感 影像 專(zhuān)題分 類(lèi)精 度 , 表明 當(dāng)土 地覆蓋 異質(zhì) 性增加和斑塊 減小時(shí) , 分類(lèi)精 度降 低 9。 因?yàn)?對(duì)于一 定空 間分辨率的遙感 數(shù)據(jù) , 土 地覆 蓋異質(zhì) 性的 增加 和斑塊 減小 的效果實(shí)際上是增加 了混合像元的數(shù)目。本文 將 對(duì) 三 種 常 用 的 高 分 辨 率 遙 感 影 Q U ICKB I RD 、 I KONOS 和 SPOT5影 像 , 在研 究區(qū) 進(jìn)行

7、綠 地信 息調(diào) 查 的尺度效應(yīng)及精度分 析 , 為減 少不 同影像 處理 技術(shù) 對(duì)結(jié)果 的影響 , 同時(shí)適應(yīng)城 市綠 地信息 提取 特點(diǎn) , 該 研究采 用目 視解 譯法進(jìn)行信息提 取 , 主要 考慮 傳感器 分辨 率對(duì) 地物特 征反 演的影響 7。2 數(shù)據(jù)及研究區(qū)的選擇本文 選 擇 山 東 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 老 校 區(qū) (1k m 2 和 新 校 區(qū) (016k m 2 為研究區(qū)域。山 東農(nóng)業(yè) 大學(xué)位 于山東省 泰安 市 , 該市的經(jīng)濟(jì)及發(fā) 展規(guī) 模在山 東省 均屬中 等城 市 , 老城 區(qū)建 筑物大都在 7層以 下 , 以 4層 居多 , 12層 以上 的高層 建筑 較少。樓間距 20m 至

8、 30m 左右 , 城市 邊緣以 低矮的 村居較 多 , 新規(guī)劃的城 市開(kāi) 發(fā)區(qū)多 位于 城市的 邊緣 , 高 層建 筑較 少 , 樓間距 40m 以上 , 是一 個(gè)較 為典型 的北 方城市 。山東 農(nóng)業(yè)大學(xué)校區(qū)建筑物大部分都在 7層以下 , 4層以上 , 地面 植被種類(lèi)豐富 , 綠化較好 , 在該市都具有 代表意義。本文研究所用遙感 數(shù)據(jù)主要包 括 :¹10cm 的真 彩色航 空影像 , 成像時(shí) 間為 2005年 10月 , 包 括 R 、 G 、 B 三個(gè)波 段 , 成像質(zhì)量較好 , 并 已經(jīng)過(guò) 正射 糾正 , 坐 標(biāo)系 統(tǒng)為 1954國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng) ; ºQ U ICK

9、BIRD 全色 和多光 譜影像 , 成 像時(shí) 間為 2005年 5月 27日 , 成像質(zhì)量較好 ; »IK ONOS 全色和 多光 譜影像 , 時(shí)相為 2004年 4月 30日 ; 成像質(zhì)量較好 ; ¼SPOT5全色和多 光譜 影像 , 成像 時(shí)間 為 2005年 6月 1日 , 成像質(zhì)量較好。從真彩色航 空影像 中選 擇控制 點(diǎn) , 用二 維二 次多 項(xiàng)式 對(duì)三種遙感影像 進(jìn)行 幾何精 校正 , 并 將三 種影 像統(tǒng)一 轉(zhuǎn)換 到 1954國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)中。采用主 成分分析方 法對(duì)三 種分辨 率影像分別進(jìn)行自身融合 , 融合 后 QUICKB I RD 影像 的分辨 率為 0

10、162m, I KONOS 影像 分 辨率 為 1m, SPOT5影 像 分辨 率為 215m 。研究所用的地 面資 料主 要包 括 1B 500的 校園 平面 圖紙 質(zhì)圖 , 成圖時(shí)間 2006年 10月 。3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)建設(shè)部 5國(guó)家園林城市遙感 調(diào)查與測(cè)試 要求 610, 城市綠地面 積為 公園 綠地、附屬 綠地、防 護(hù)綠 地、生 產(chǎn)綠 地、其他綠地五 類(lèi)綠 地面積 之和。綠 地面 積包括 綠地 邊界 圍合之內(nèi)的所有面積 , 公園綠 地、道路綠地 等的硬質(zhì)景 觀 ; 以及生產(chǎn)綠地、風(fēng) 景林地 等邊 界內(nèi)由 于郁 閉度 原因造 成的 裸露的土壤都?xì)w 為綠 地面積 , 所以城 市綠 地面

11、積適合 人工 目視解譯 , 同時(shí) 也為 了減少 分類(lèi) 器產(chǎn)生 的誤 差 , 實(shí)驗(yàn) 選擇 目視解譯方法繪 制綠 地現(xiàn)狀 圖。由于 城市 各類(lèi) 綠地大 多有第 5期 費(fèi)鮮蕓等 城市綠地信息提取遙感影像尺度效應(yīng)分析 較清晰、規(guī)則的 邊界 , 所 以目 視解譯 時(shí)可 以較容 易地 判斷 繪圖邊界。少 數(shù)以高 大喬 木為 主的綠 地 , 邊界 不規(guī) 則 , 繪 圖時(shí)按照植被區(qū)和非 植被區(qū)的分界線進(jìn)行勾繪。現(xiàn)狀圖中綠 地類(lèi) 別 , 按照 面狀綠 地 , 零 星綠 地分 為兩 類(lèi)。面狀綠地和零星 綠地的 確定主 要根據(jù) SPOT5影像 來(lái)確 定 , 在 SPOT5影 像中 有 一定 長(zhǎng)度 , 且寬 度 大于

12、 5個(gè) 像 元 , 即 1215m 左右的綠地都?xì)w為面狀綠地。 311 1B 1000綠 地現(xiàn)狀圖的繪制以 10cm 航 空影 像 為 數(shù) 據(jù) 源 , 利 用 目 視 解 譯 方 法 繪 制 比例 尺為 1B 1000的 綠地 現(xiàn) 狀圖 , 如 圖 1, 為在 航 空 影 像 中勾 繪的 部分 面狀 綠地 , 按照 綠 地 面 積 的 定 義 , 綠 地 邊 界圍 合 之 內(nèi) 的 所 有 面 積都 歸 為 綠 地 面 積 。 其 他 綠 地 , 包 括零 星生 長(zhǎng) 的 樹(shù) 木 , 及 道 路 兩 邊 的 單排 行道 樹(shù)都 歸為 零星綠地。在 10c m 航空影像中 , 建筑物對(duì)地面綠 地遮擋嚴(yán)

13、 重 , 為了對(duì)遮擋處綠地進(jìn)行準(zhǔn) 確提取 , 需要結(jié)合 1B 500平面 圖在實(shí)地調(diào)查的 基礎(chǔ) 上繪制 完成。另 外三 種分 辨率的 遙感 影像提取的綠地信息 將以 1B 1000的綠 地現(xiàn)狀 圖為基 礎(chǔ)進(jìn)行 精度對(duì)比。312 三種不同 尺度綠地現(xiàn)狀圖的繪制分別 按 照 面 狀 綠 地、 零 星 綠 地 , 利 用 Q U ICKB I RD 、 I KONOS 、 SPOT5彩 色影 像 繪 制 綠地 現(xiàn) 狀 圖。 對(duì)于 面 狀 綠 地 , 通過(guò)和 1B 1000綠地現(xiàn) 狀圖逐一 對(duì)應(yīng) , 對(duì)其每 一斑塊的 面積誤差、所有 斑塊 總面積 誤差 進(jìn)行精 度分 析 ; 對(duì)于 零星 綠地 , 由于

14、部分面 積較少 的綠 地在較 低分 辨率 影像中 不能 表現(xiàn) , 所以不能對(duì)綠地斑塊逐 一對(duì)應(yīng) , 所以 對(duì)其斑塊 數(shù)量 , 最小斑塊面積、總面積等進(jìn)行 對(duì)比分析 , 研究其提取精度。 313 陰影和遮 擋處綠地信息的提取在三種高分 辨率遙 感影 像中 , 由 于建筑 物的 陰影 和遮 擋綠地信息 會(huì)有不 同程 度的 丟失 , 如圖 5和 6所示。 這些 綠地信息可以在 10c m 航空影 像中 較好表 現(xiàn) , 如圖 7所 示。 所以不同分辨率遙 感影像 中由 于陰影 和遮 擋丟 失的信 息可 以在航空遙 感影像 中進(jìn) 行提 取 , 為了提 高繪 圖精 度 , 需要 結(jié)合 1B 500平面圖完

15、成。4 結(jié)果分析411 面狀綠地 結(jié)果分析經(jīng)目視解譯 結(jié)果 如 表 1, 研 究 區(qū)共 有面 狀 綠地 55塊 , 在 1B 1000綠地 現(xiàn) 狀 中 其面 積 之 和 為 15206518m 2, QUICK 2BIRD 影 像 為 15484813m 2, I KONOS 影 像 為 155169m 2, SPOT5影像為 15564811m 2, 由 此求 得 QICKB I RD 影 像 面積誤差為 -278215m 2, I KONOS 影像面積誤差 為 -310312m 2,SPOT5影像面積誤差為 -358213m 2。求每塊綠地斑塊與 1B 1000綠地現(xiàn)狀面積之 差 , 并按

16、照 斑塊面積由小到大順序 排列 , 如 圖 8。結(jié)果顯示 , ¹誤差的 大小與分辨率相 關(guān) , 總體 表現(xiàn) 同一綠 地斑 塊在 較高分 辨率 影像中的誤差小 于較低 分辨 率影 像 ; º誤 差大 小還與 斑塊 面積大小有 關(guān) , 隨斑 塊面積 增大 , 斑 塊面 積誤差 呈增 大趨 勢(shì) ; 但相對(duì) 誤 差與 斑 塊 面積 大 小 沒(méi) 有明 顯 關(guān) 系 , 如 圖 9; »誤差大小又 與斑 塊的性 質(zhì)有 關(guān) , 規(guī)則 綠地誤 差較 小 , 在 高大喬木形成的 不規(guī)則 的綠 地誤 差較大 ; ¼面 積誤差 與時(shí) 相相關(guān) , 在 I KONOS 影 像中 由

17、于 時(shí)相 較早 , 許多 綠地 表現(xiàn) 不充分 , 所以誤差較大。表 1 綠地 提取結(jié)果各種分辨率影像 面狀綠地 (m2 零星綠地 (m2 最小斑塊 面積 (m2 斑塊數(shù) 量 (m2 綠地面積 (m2 遮擋的綠 地 (m2綠地現(xiàn)狀圖 1520651879300011208523136518QB面積和 15484813589701659213818186553誤差-2782152033017547I KO NOS 面積和1551693551044601904797765誤差-310312437904088618S PO T5面積和15564811343582274190006118340誤差-35

18、821344942413591 7圖 8 不同面積綠 地斑塊面積誤差412 零星綠地的 提取結(jié)果分析10cm 航空影像獲取的 1B 1000的綠地現(xiàn)狀圖 中 , 共勾繪 零星綠地 2085塊 , 最 小斑塊 面積為 011m 2, 共 勾繪零 星綠 地 79300m 2。在 Q U IC KBIRD 、 I KONOS 、 SPOT5影像中 勾繪137測(cè)繪科學(xué) 第 34 卷圖 9不同面積綠地斑塊 面積相對(duì)誤差零星綠地斑塊數(shù)分 別為 659、 460、 74, 最小 斑塊 面積 分別 為 1m 2、 4m 2、 22m 2, 零 星 綠地 總 面 積 分 別 為 58970m 2、 35510m

19、 2, 34358m 2, 分別減少 2516%、 47179%和 5617%, 所以高分辨率遙 感影 像提取 零星 綠地的 精度 明顯 較高。可 以得出 , 空間 分辨率 增強(qiáng) , 空 間結(jié) 構(gòu)更詳 細(xì) , 零 星綠 地得 到更好地表現(xiàn) , 所 以較高 分辨 率遙感 影像 提取 零星小 綠地 的精度明顯較 高 , 說(shuō)明 , QU I CKB I RD 影像比 另外兩種 影像 更適應(yīng)城市綠 地零 星分 布的 特點(diǎn)。 雖然 I KON OS 影像 分辨 率與 QU I CKBIRD 影 像相 差 不大 , 但 零星 綠 地提 取 精度 與 QU I CKB I RD 影像相差較 大 , 主要是

20、由于時(shí) 相較早 , 一 些小 綠地還不能 充分表 現(xiàn) , 根據(jù) 該地 區(qū)的植 被生 長(zhǎng)特 點(diǎn) , 影像 的時(shí)相應(yīng)在 6月份至 10月份為好。413影像遮擋 綠地提取結(jié)果分析三種影像中 , 由于遮 擋、陰影 不能 提取 的綠 地面 積分 別 是 Q U ICKB I RD 影 像 6553m 2、 I KONOS 影 像 7765m 2, SPOT5影像 8340m 2。由于研究區(qū) 內(nèi)建筑 物大部 分為 7層以 下 , 所以影像中由 于遮擋 不能 提取的 綠地 多為 建筑物 前后 規(guī)劃的小塊綠地 , 這些綠 地在 SPOT5影 像中 , 由于分 辨率 較少 , 空 間 細(xì) 節(jié) 表 現(xiàn) 不 充 分

21、 , 大 多 不 能 表 現(xiàn) 出 來(lái) , 而 QU I CKB I RD 影像雖然陰影較 多 , 但由 于較高 分辨率 影像有 較好的空間結(jié)構(gòu) , 部分陰 影處 的綠地 可以 根據(jù) 空間關(guān) 系推 出 , 同時(shí) QU I CKBI RD 影像 大塊的陰影面積還包括 了居民區(qū) 樓前一定寬度的居民區(qū)道路面 積。所以雖 然 Q U ICKB I RD 影 像中 陰 影 較 多 , 但 對(duì) 陰 影、 遮 擋 處 綠 地 信 息 提 取 , 比 SPOT5影像提 取精 度 更 高。由 于研 究 區(qū) 內(nèi)綠 化 質(zhì)量 較 好 , 房前屋后沒(méi)有空 閑地 , 綠化 面積占 可以綠 化面 積的 100%, 所以該結(jié)

22、果在中小城 市有典型代表意義。5結(jié)束語(yǔ)由以上研究 得出 :¹面狀 綠地信 息提 取精 度 , 較 高分 辨率影像高于較低分 辨率影像 , 但差別較少 ; º由于較高 分辨率遙感影像 空間 結(jié)構(gòu)更 詳細(xì) , 零 星綠 地在 較高分 辨率 遙感影像中能夠 得到 較好地 表現(xiàn) , 所 以零 星小 綠地的 精度 明顯較高 , 且分 辨率 對(duì)綠地 面積 精度的 影響 較大 ; »雖然 QU I CKB I RD 影像 的 遮 擋 和陰 影 較 嚴(yán) 重 , 但 由 于分 辨 率 較 高 , 空間結(jié)構(gòu)更詳細(xì) , 提取建 筑物前綠 地信息 精度 比 I KO 2 NOS 和 SP

23、OT5影像更高 ; ¼可以 得出 , 以 7層 建筑物 以下 為主的 研 究區(qū) 內(nèi) , QU I CKB I RD 影 像比 I KONOS 、 SPOT5影 像更適合于城 市綠 地信 息提 取 ; ½研究 所用 I KO NOS 影像 時(shí)相為 4月 30日 , 該季節(jié)植 被生長(zhǎng)尚不 充分 , 一定 程度地 影響了綠 地信 息 提取 精度 , 為了 提 高綠 地信 息 提取 精 度 , 影像時(shí)相應(yīng)選取在 6月份至 10月份為好。參考文獻(xiàn)1R a ffyM 1Change of sca l e theory :a capita l cha ll enge for space

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28、 ysis i n urban gr een spa ce inform a tion ob ta i n i ng usi ng h i gh spa ti a l r e m ote sen sing i m ageAbstr ac t :RS c l assifica tion precisio n is connected h i ghly with the scale of re m ote sensi ng i m age and character i stic of objecti ves 1 In recent years , Q U ICKB I RD , I KONOS and SPOT5i m ages a re often used for urban green space i n f or m ati on o bta i n i ng 1No w , there is little st udy on the eff ec t of t he i m age sca l e to i nfor m a tion obta i n i ng 1In th i s paper , green space i