城市擴(kuò)張遙感監(jiān)測(cè)(基于ENVI)課件

城市遙感概述

城市是人口集中、集約經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及不同生活方式并存的復(fù)雜社會(huì)。城市又是人類活動(dòng)的縮影，并且不斷地經(jīng)歷著迅速變化的過(guò)程，需要及時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。城市規(guī)劃和城市建設(shè)者面臨的重大任務(wù)之—，就是獲取與分析那些能有效地用于城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的資料。城市遙感的任務(wù)就是為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理提供多方面的基礎(chǔ)地理信息和其他與城市發(fā)展有關(guān)的資料，諸如城市土地利用現(xiàn)狀、城市演變、城市及區(qū)域的自然狀況、城市人口及其分布情況、城市道路與交通狀況、城市熱島、通訊受地理限制的因素等。城市遙感與傳統(tǒng)的城市相關(guān)資料調(diào)查相比，既省時(shí)，又省錢，而且效率很高，因而具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。1可編輯課件PPT城市遙感調(diào)查的主要技術(shù)流程2可編輯課件PPT城市擴(kuò)張遙感監(jiān)測(cè)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程日益加快，城鎮(zhèn)用地規(guī)模迅速擴(kuò)張。它不僅占用了大量的土地資源，而且也對(duì)城市周邊的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。及時(shí)有效地獲得城鎮(zhèn)用地信息，對(duì)于監(jiān)測(cè)城市擴(kuò)張的動(dòng)態(tài)變化，科學(xué)合理地指導(dǎo)城市規(guī)劃，控制城市用地規(guī)模，保護(hù)有限的土地資源和生態(tài)環(huán)境具有十分重要的指導(dǎo)意義。3可編輯課件PPT國(guó)內(nèi)城市擴(kuò)張研究現(xiàn)狀城市擴(kuò)張研究一直都是城市研究的主要領(lǐng)域，我國(guó)從80年代后期開始就有大量的學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域開展研究，其中包括城市形態(tài)分類、演變階段、城市擴(kuò)展方式和速度、城市擴(kuò)展的主要影響因子，城市擴(kuò)展預(yù)測(cè)和模擬等。例如1992年趙元洪等利用TM影像、MSS影像和航空像片數(shù)據(jù)，對(duì)岳陽(yáng)市地區(qū)的城市擴(kuò)展?fàn)顩r進(jìn)行研究，分別在三時(shí)相的TM、MSS影像和航空像片中提取城區(qū)邊界，然后對(duì)比城區(qū)范圍的不同，得到了岳陽(yáng)市區(qū)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展圖4可編輯課件PPT國(guó)外城市擴(kuò)張研究現(xiàn)狀城市研究在國(guó)外開展較早，最早可以追溯到十九世紀(jì)末的城市形態(tài)學(xué)和結(jié)構(gòu)方面的探索，20世紀(jì)六十年代衛(wèi)星技術(shù)出現(xiàn)，使得利用空間遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行城市擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)和研究，成為城市擴(kuò)展研究的重要方向，高分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是當(dāng)今城市擴(kuò)展研究的主要信息。例如JENSIN等利用LandsatMSS進(jìn)行城市邊緣區(qū)的居住地的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，認(rèn)為遙感手段是進(jìn)行城市動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的有效手段。cward等以地球系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)利用Landsat衛(wèi)星研究了城市發(fā)展中的土地監(jiān)測(cè)情況;Masek等利用Landsat衛(wèi)星研究了華盛頓特區(qū)城市擴(kuò)張的動(dòng)態(tài)變化。5可編輯課件PPT目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)城市擴(kuò)展的研究主要集中在以下三個(gè)方面:一是研究城市擴(kuò)張的規(guī)律及形式;二是城市擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力機(jī)制的分析研究，即分析推動(dòng)城市地域擴(kuò)張的原因是什么;三是針對(duì)城市擴(kuò)張所應(yīng)采取的措施。6可編輯課件PPT遙感監(jiān)測(cè)城市擴(kuò)張的原理與方法城市擴(kuò)張?jiān)谶b感影像上體現(xiàn)為城市面積的不斷擴(kuò)大，特別是城鎮(zhèn)建筑用地的不斷擴(kuò)張。大量的研究表明，利用衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字圖像處理的方法獲取城鎮(zhèn)用地信息，從而揭示城市擴(kuò)張的動(dòng)態(tài)變化是監(jiān)測(cè)城市擴(kuò)張的有效方法，與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析方法相比更具實(shí)時(shí)性和可靠性?；谶b感影像上提取城鎮(zhèn)用地通常是通過(guò)識(shí)別城鎮(zhèn)用地的特征而獲得的。提取城鎮(zhèn)用地信息的方法主要有目視解譯手工數(shù)字化的方法，計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類的方法和基于光譜特征知識(shí)的分類方法。7可編輯課件PPT歸一化建筑用地指數(shù)(NDBI)

歸一化植被指數(shù)：NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)NDVI之所以能有效提取植被，是因?yàn)橹脖辉赥M4上值大于TM3，而其它地物的DN值都變小。因此在NDVI圖像上一般值大于0的地物都是植被。NDVI=（TM4-TM3）/（TM4+TM3），8可編輯課件PPTNDBI源于對(duì)NDVI的深入分析。在TM4和TM5波段之間除了城鎮(zhèn)用地DN值走高之外，其他地物DN值都變小。因此，NDBI=（TM5-TM4）/（TM5+TM4），圖像上NDBI值大于0的地物則認(rèn)為是城鎮(zhèn)用地。NDBI從本質(zhì)上講揭示了地表裸露特征，因此將NDBI定義為歸一化裸露指數(shù)（NormalizedDifferencedBarrenIndex）。9可編輯課件PPT典型地物在LandsatTM影像上的光譜曲線10可編輯課件PPT以武漢TM數(shù)據(jù)為例首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理得到標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像(r4g3b2)11可編輯課件PPT在ENVI-BasicTools-BandMath中利用公式float(b1)-float(b2)與float(b1)+float(b2)，然后做比值運(yùn)算得到NDBI圖城鎮(zhèn)用地在NDBI圖上得到了最大的亮度增強(qiáng)，其他地物則普遍受到壓抑，其NDBI值為-1～112可編輯課件PPT在ENVI -BasicTools-BandMath中利用公式：(b1ge0)*1+(b1lt0)*0，ge、lt分別表示“大于等于”和“小于”，得到NDBI二值化圖。NDBI值大于0的賦值為1，以白色顯示，代表城鎮(zhèn)用地；其它的賦值為0，以黑色顯示，代表非城鎮(zhèn)用地13可編輯課件PPT由于城鎮(zhèn)用地TM5波段和TM4波段的差異遠(yuǎn)不如構(gòu)建植被指數(shù)的波段之間的差異來(lái)的明顯。在LandsatTM影像上DN值TM5高于TM4的除了城鎮(zhèn)用地還有裸地以及含土壤背景信息的低密度植被覆蓋區(qū)。通過(guò)與LandsatTM標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像對(duì)比發(fā)現(xiàn)低密度植被覆蓋區(qū)也被提取出來(lái)了。因此，利用NDBI提取城鎮(zhèn)用地的精度必然會(huì)受到一定程度的影響。14可編輯課件PPT改進(jìn)的歸一化裸露指數(shù)(MNDBI)

從典型地物的光譜曲線我們可以知道研究發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)用地TM5波段和TM4波段的差異遠(yuǎn)不如構(gòu)建植被指數(shù)的波段之間的差異來(lái)的明顯?？紤]到歸一化植被指數(shù)NDVI反映的是植被信息，那么（1-NDVI）反映的就是非植被信息，即主要是居民地、裸地以及河流。由于NDBI主要反映的是城鎮(zhèn)和裸露地信息，所以將NDBI和（1-NDVI）相加就可以更加突出居民地信息。因此將之稱為改進(jìn)的歸一化裸露指數(shù)（ModifiedNormalizedDifferenceBarrenIndex,MNDBI），即MNDBI=NDBI+(1-NDVI)。15可編輯課件PPT在ENVI-BasicTools-BandMath中利用公式float(b1)+(1-float(b2))，得到MNDBI圖很明顯改進(jìn)的MNDBI圖得到了增強(qiáng)，有利于地城鎮(zhèn)地物提取16可編輯課件PPT圖a和圖b分別是NDBI和MNDBI中心位置的剖面線灰度值分布圖，可以很明顯的看出，改進(jìn)的NDBI對(duì)圖像有增強(qiáng)作用，灰度值的變化范圍較之NDBI變化很大，突出了城市信息，使其與周圍地物的反差增大，有利于提取城市信息。17可編輯課件PPT圖aNDBI圖像中心灰度值剖面圖18可編輯課件PPT圖bMNDBI圖像中心灰度值剖面圖19可編輯課件PPTMNDBI是對(duì)NDBI的改進(jìn)突出了城市信息，使其與周圍地物的反差增大，有利于提取城市信息。但是，它需要不斷人為嘗試選取MNDBI的閾值，最終獲得較好的提取效果。因此其結(jié)果仍然不夠客觀。20可編輯課件PPT城鎮(zhèn)用地指數(shù)(ULI)

從LandsatTM上典型地物的光譜特征分析可知利用NDBI提取城鎮(zhèn)用地的結(jié)果必然包含了裸地以及低密度植被覆蓋區(qū)的信息。城鎮(zhèn)用地和裸地具有相似的光譜特征，所以城鎮(zhèn)用地和裸地較難區(qū)分。但是，低密度植被覆蓋區(qū)在TM3和TM4上具有植被的光譜特征即在TM3和TM4之間DN值是變大的；而在TM4和TM5上具有城鎮(zhèn)用地的光譜特征或者說(shuō)具有裸地的光譜特征即在TM4和TM5波段之間DN值是變大的。因此，低密度植被覆蓋區(qū)不僅具有植被的光譜特性而且具有城鎮(zhèn)用地的光譜特性。利用這一獨(dú)特的光譜特性可以將NDBI提取得到的城鎮(zhèn)用地（其結(jié)果還包含裸地和低密度植被覆蓋區(qū)）中的低密度植被覆蓋區(qū)從中分離出來(lái)。21可編輯課件PPT在ENVI-BasicTools-BandMath中利用公式float(b1)－float(b2)與float(b1)+float(b2)，然后做比值運(yùn)算得到NDVI圖。22可編輯課件PPT利用ULI提取城鎮(zhèn)用地是在NDBI的基礎(chǔ)上引入了NDVI，并在兩者歸一化的基礎(chǔ)上進(jìn)行求交運(yùn)算。在ENVI-BasicTools-BandMath中利用公式:float(b1)andfloat(b2)得到ULI圖。23可編輯課件PPT在ENVI-BasicTools-BandMath中利用公式：(b1ge0)*1+(b1lt0)*0得到ULI二值化圖。ULI值大于0的賦值為1，以白色顯示，代表城鎮(zhèn)用地；其它的賦值為0，以黑色顯示，代表非城鎮(zhèn)用地。24可編輯課件PPT方法名稱公式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)歸一化建筑用地指數(shù)（NDBI）（TM5-TM4）/（TM5＋TM4）相對(duì)于傳統(tǒng)方法快速有效，提取精度較高，結(jié)果較為客觀，可信提取結(jié)果包含低密度植被區(qū)、裸地信息改進(jìn)的歸一化裸露指數(shù)（MNDBI）NDBI+(1-NDVI)相對(duì)NDBI更加突出了城鎮(zhèn)用地信息，提取結(jié)果得到改善需要人為設(shè)定閾值，結(jié)果受主觀因素影響；提取結(jié)果包含低密度植被區(qū)、裸地信息城鎮(zhèn)用地指數(shù)（ULI）NDBI&NDVI相對(duì)NDBI去除了低密度植被區(qū)的影響，提取精度得到提高，結(jié)果客觀、可信，是一種自動(dòng)提取城鎮(zhèn)用地的方法提取結(jié)果仍含有裸地信息三種基于譜間特征分析的城鎮(zhèn)用地提取方法比較25可編輯課件PPT然后能過(guò)對(duì)假彩色影像進(jìn)行人工目視解譯，并且對(duì)其野外勘察驗(yàn)證，與NDBI圖、ULI圖進(jìn)行對(duì)比分析，以檢驗(yàn)其提取城鎮(zhèn)用地的精確度。26可編輯課件PPTNDBI提取城鎮(zhèn)用地精度分析