TM遥感影像彩色合成最佳波段组合研究——以恩施市土地利用遥感图制作为例

常 胜

(湖北民族学院 生物科学与技术学院，湖北 恩施 445000)

土地变化研究是全球变化研究的重要领域.遥感技术利用地面上空的飞机、飞船、卫星等飞行物上的遥感器收集地面数据资料，并从中获取信息，经记录、传送、分析和判读来识别地物，不受地面条件限制，可获取大范围地面信息，且获取信息速度快、周期短，已经成为研究土地变化的主要数据来源，土地利用遥感图则是利用遥感数据开展土地变化研究的基础图件[1～3].

TM遥感数据具有适合中等尺度研究的空间分辨率，并相对易于获取，在土地变化研究中应用最为普遍.TM遥感数据为多光谱数据，最佳波段选取是遥感图像增强处理的关键部分，直接影响到目视解译和研究对象的信息提取.目前，目视判读在遥感图像解译中仍具有重要作用，人眼对彩色比较敏感且分辨能力强，而TM单波段图像为灰度图，不利于目视判读.根据彩色图像合成原理，如果在3个通道上安置3个波段图像，然后分别赋以红、绿、蓝色，叠合在一起即可得到彩色图像[4].因此，选择合适的波段数据合成彩色图像，可充分利用信息丰富的彩色合成图像进行目标判读.如何从TM影像的多光谱数据中选取最佳波段合成彩色图像，是遥感数字图像处理的基础问题.本文以恩施市土地变化研究中的遥感图件制作为例，探讨TM遥感数据彩色合成最佳波段组合方法.

1 TM遥感数据及其常用波段组合

1.1 TM遥感数据简介

TM是美国陆地资源卫星Landsat4和Landsat5携带的传感器，每16 d可扫描全球一次.TM影像包含7个波段，波段1～5和波段7的空间分辨率为30 m，波段6(热红外波段)的空间分辨率为120 m.南北的扫描范围大约为170 km，东西的扫描范围大约为183 km.

1.2 TM遥感数据的常用波段组合

1)真彩色组合 将TM影像的3、2、1波段分别赋予红、绿、蓝色，获得自然彩色合成图像.图像色彩较单调，层次感不好，不利于计算机解译；但图像的色彩与原地区或景物的实际色彩一致，适合于非遥感应用专业人员进行目视判读，因此可用该组合来支持计算机监督分类的训练区选择.

2)标准假彩色组合 将TM影像的4、3、2波段分别赋予红、绿、蓝色，获得假彩色图像.植被成红色，由于突出表现了植被的特征，应用十分的广泛，而被称为标准假彩色.

3)453波段组合 TM影像的4、5、3波段分别赋红、绿、蓝色合成假彩色图像.色彩反差明显，层次丰富，而且各类地物的色彩显示规律与常规合成片相似，符合过去常规片的目视判读习惯.如果将4、5两波段的赋色对调一下，即5、4、3分别赋予红、绿、蓝色，则获得近似自然彩色合成图像，适合于非遥感应用专业人员使用.

4)743波段组合 TM影像的7、4、3波段分别赋红、绿、蓝色合成假彩色图像.兼容中红外、近红外及可见光波段信息，图面色彩丰富，层次感好，具有极为丰富的地表环境信息，而且清晰度高，干扰信息少.

表1 TM影像数据的波段设计

2 最佳波段组合的理论模型

2.1 最佳波段的选取原则

通常选择最佳波段的原则有3点[5,6]：①参与彩色合成的波段所含信息量大；②参与彩色合成的各波段之间的相关性小；③该波段组合合成得到的彩色图像对研究区关注的地物类型之间的光谱差异要大.那些信息含量多、相关性小、地物光谱差异大、可分性好的波段组合就是最佳组合，据此，可以认为相关性较强的波段组合在一起不会是最佳组合，高光谱遥感数据波段间的存在着不同程度的信息量重复和冗余.

2.2 最佳波段选取的方法

目前应用比较广泛的选取方法有各波段信息量的比较、波段间相关性比较、最佳指数法(OIF)、各波段数据的信息熵和联合熵、协方差矩阵特征值法、波段指数法[4～7].

在各种方法中，由美国查维茨提出的最佳指数法(OIF)综合考虑单波段图像的信息量及各波段间的相关性，更接近于波段选择的原则，且计算简单，易于实现，得到广泛的应用.OIF指数的计算公式如下：

|Rij|

(1)

其中：Si为第i个波段的标准差，Rij为i、j两波段的相关系数.

对n波段图像，先统计计算单波段图像的标准差，计算各波段间的相关系数矩阵，再分别求出所有可能的波段组合对应的OIF指数，根据该指数大小来判断各种波段组合的优劣.指数越大，则相应组合影像所包含的信息量就越大.对OIF指数从大到小进行排序，最大OIF指数对应的波段组合即为最佳波段组合.

表2 恩施市2000年多波段图像光谱统计特征表

表3 恩施市2000年多波段图像相关系数

表4 不同波段组合的OIF指数计算表

3 恩施市土地利用遥感图的彩色合成

3.1 数据

恩施市所在TM影像数据轨道号为125/39，本研究中采用数据的获取时间为2000年5月14日.

3.2 遥感图像光谱特征统计及波段间相关系数计算

在ENVI软件的支持下，对2007年区域遥感多波段图像进行图像统计，得到研究区遥感图像各波段的光谱统计特征及波段间相关系数.图像光谱特征统计(表2)表明：单波段信息量最大的为band4，其次为band5和band1.各波段间的相关系数计算结果显示：band4与其它波段相关性较低，而3个可见光波段之间、band5和band7之间相关性较高.

3.3 最佳波段组合确定

根据表2和表3，可确定band4为参与彩色合成的一个波段，三个可见光波段中选择一个波段，band5和band7中选择一个波段，得到六种可能的波段组合，再加上真彩色波段组合及标准假彩色波段组合，共8种可能的最佳波段组合.按式1计算得到不同波段组合的OIF指数(表4)，以145波段组合的OIF指数最大，故可确定本研究中遥感数据的最佳波段组合为145波段组合.

3.4 土地利用遥感图彩色合成

在确定最佳波段组合的基础上，还需确定赋色方案以使获得的合成图像与自然地物具有较好的相似性，便于目视解译.在ERDAS IMAGINE软件支持下，导入1、4、5三个波段数据，按各种赋色方案分别进行图层叠置，并比较得到的合成图像，确定最佳赋色方案为分别赋予band5、band4、band1以红、绿、蓝色，获得近似自然彩色图像.

4 结论与讨论

一般情况下，在TM7个波段光谱图像中，第5个波段包含的地物信息最丰富；3个可见光波段(即第1、2、3波段)之间、两个中红外波段(第5、7波段)之间相关性较高，表明这些波段的信息中有相当大的重复性或者冗余性；第4、6波段较特殊，尤其是第4波段与其他波段的相关性得很低，表明这个波段信息有很大的独立性；第7波段在探测森林火灾、岩矿蚀变带及土壤粘土矿物类型等方面有特殊的作用，也可用于进行植被的解译.有关研究表明，由一个可见光波段、一个中红外波段及第4波段组合而成的彩色合成图像一般具有最丰富的地物信息，其中又以5、4、3或5、4、1波段的组合为最佳[6～10].

本文基于OIF指数数量分析方法确定出恩施市所在遥感图像的最佳波段组合为541波段组合，与TM影像特征的定性分析相吻合，表明该方法用于确定最佳波段组合是可行的、可靠的.另外，OIF指数法计算简单，所需要的基础参数为各波段数据的方差和波段之间的相关系数，可很容易的在相关软件支持下进行统计获得，因此该方法易于操作.

[1]沈小乐,王璇,刘倩.土地利用动态监测技术的研究[J].湖北民族学院学报:自然科学版,2007,25(3):326-330.

[2]沈小乐,王璇,刘倩.遥感技术在生态省建设中的应用[J].湖北民族学院学报:自然科学版,2007,25(2):174-176.

[3]卢玉东,尹黎明,何丙辉,等.利用TM影像在土地利用/覆被遥感解译中波段选取研究[J].西南农业大学学报:自然科学版,2005,27(4):479-486.

[4]刘建平,赵英时,孙淑玲.高光谱遥感数据最佳波段选择方法试验研究[J].遥感技术与应用,2001,16(1):7-13.

[5]姜小光,王成.成像光谱数据的光谱信息特点及最佳波段选择:以北京顺义区为例[J].干旱区地理,2000,23(3):214-220.

[6]罗音,舒宁.基于信息量确定遥感图像主要波段的方法[J].城市勘测,2002(4):28-32.

[7]杜华强,赵宪文,范文义.分形维数作为高光谱遥感数据波段选择的一个指标[J].遥感技术与应用,2004,19(1):5-9.

[8]戴昌达,雷莉萍.TM图像的光谱信息特征与最佳波段组[J].环境遥感,1989,4(4):282-291.

[9]杨金红,尹球,顾松山,等.城区高光谱遥感数据假彩色波段组合研究[J].南京气象学院学报,2005,28(3):289-295.

[10]李石华,王金亮,陈姚,等.多光谱遥感数据最佳波段选择方法试验研究[J].云南地理环境研究,2005,11(6):17-21.