Landsat影像标准化及城市变迁分析

胥海威，韩瑞梅

（1. 河南省地调院遥感地质调查中心，河南 郑州 450001；2. 河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000）

Landsat影像标准化及城市变迁分析

胥海威1，韩瑞梅2

（1. 河南省地调院遥感地质调查中心，河南 郑州 450001；2. 河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000）

利用日照大气校正模型讨论影像标准化方法，并分别以郑州市和平顶山市城区为研究区，使用两对研究区的Landsat影像为数据源，结合差值主成分法研究城市变迁。实验表明，经过影像标准化处理后两对影像可以明显削弱大气与日照影响，去除由此产生的噪声，得到的城市变化分级图真实反映了研究区城市化进程的变化幅度和空间特征。

定量遥感；影像标准化；城市变迁分析；辐射校正

目前国内对城市变迁分析的研究主要是根据历史资料对城市的变迁进行历史、文化、政治等方面的分析，基于遥感影像或航测图像的定量研究寥寥无几。本文以郑州市和平顶山市为工作区，使用Landsat4、Landsat5与Landsat7卫星影像，探讨基于Landsat影像标准化的城市变迁分析。

1 影像标准化模型与评价指标

由于不同时期卫星影像的成像条件不同，相同地物在影像上的色度、饱和度、亮度差异较大。为消除这种差异，很多学者提出不同算法和大气模型[1-3]，但都需要很多获取难度很大的大气参数，致使这些算法和模型很难付诸实施。因此，针对遥感影像进行标准化校正成为一种方便的影像处理技术[4-6]。

所谓影像标准化，即指通过将影像灰度值转化为反射率，最大程度地弱化遥感影像成像过程中出现的大气等多种因素的影响，从而使不同时相遥感影像的辐射值一致[7]。当前使用最广泛的影像标准化模型有两种，一种是经典的日照差异校正模型[8]，另一种则是2004年美国犹他州立大学遥感与地理信息系统实验室提出的日照大气综合校正模型。

1.1 日照差异校正模型

日照差异校正模型即为通过将影像亮度值转化为反射率，消除不同时相影像间在日地距离和太阳天顶角方面的差异，从而达到标准化的目的[8,9]：

1.2 日照大气综合校正模型

美国犹他州立大学遥感与地理信息系统实验室对式（2）进行修改，在公式中引入大气影响修正参数，提出综合考虑日照和大气条件的纠正模型[1]：

但同样有研究表明，使用COST模型计算会高估τ值，特别是在成像时晴空无云、τ值很小、太阳天顶角很高或高纬度地区， 反而会影响大气顶部反射率的正确性。因此，在大气干扰不严重的情况下，更适合忽略τ值，式（5）可以进一步简化为：

1.3 评价指标

对TM影像的定量评价采用不变特征地物法[10]。首先从影像中提取不变特征地物（通常称之为辐射地面控制点），提取其灰度值，建立不同时相影像各波段的回归方程。不变特征地物是指那些在多时相影像中反射率不随季节和生物周期变化而变化的地物, 如未受扰动的深水体、裸岩、大屋顶等。

2 实 验

2.1 研究区与数据概况

本次研究选取郑州与平顶山的季相、时相和成像条件各不相同的两对Landsat影像进行实验，其中郑州一对影像分别为1989年的Landst4影像与2009年Landsat5影像，平顶山影像则都为Landsat7，具体参数见表1。

表1 研究区影像对数据参数表

2.2 实 验

1）将郑州与平顶山的两对Landsat影像进行正规化处理。由于两对影像下载时控制云量在5%以下，基本可以忽略大气影响。实验发现，IACM模型（公式6）效果更好。

2）在4幅影像上分别选择深水体或人工混凝土建筑等影像亮度值不随时相、季相发生变化的地物若干，获取这些地物在两种不同时相、季相遥感影像上某个波段的像元值。

3）将4幅影像对应的像元值分别投影到同一地方不同时相的二维光谱空间，求出线性回归方程的系数（限于篇幅，仅列出郑州市3个波段的光谱空间对照图，见图1）。为简便起见，令回归方程的截距都为0，得到线性回归方程的斜率和对应的波段均方差（见表2）。

4）对正规化效果好的影像进行主成分分析，主组分的第一主成分集中了两时相地物变化信息量的90%以上，是分析城市变迁的有效信息源。

图1 郑州市1989年、2003年原始影像与标准化后影像样本点回归分析图

5）对不同时期影像的第一主成分进行差值运算，得到包含在这些波段中的地物变化信息。对所得结果进行密度分割，获取城市变迁等级图（如图2、图3）。

3 结果与讨论

分析实验结果可以得出以下结论：

1）对比图1各分图可知，光谱空间内样本点聚集成两个群落，说明所选择的样本属于两种地物类型，不同年份光谱空间同样有助于不同地物类型的分类。

2）影像标准化后，TM影像的各个波段样本明显更靠近斜率为1的直线。从影像标准化的评价指标可以推断，辐射亮度值不随时间变化的地物在不同年份影像图的辐射亮度值是不变的。参照图1的标准化结果（右图），对郑州1989年和2009年TM影像的标准化效果比较明显。

3）由表2可以发现，不论是郑州还是平顶山的原始影像，其回归方程的斜率都比较大，最大的是郑州TM影像第4波段，斜率达到2．21；平顶山TM影像第5波段斜率最小，斜率为0．836。这说明，未经标准化的TM影像受大气辐射的影响较大。

4）由于郑州的影像时间跨度较大，必须采用1989年的landsat4影像和2009年的landsat5影像，而平顶山的影像时间跨度较小，使用的数据都是landsat7的ETM+影像。根据表2，郑州影像各波段的平均斜率为1．902，平顶山影像各波段的平均斜率为0．78，可以得出由于传感器类型的差异，郑州原始影像的光谱空间各波段的斜率都比平顶山的斜率更加远离理想模型（斜率为1）。

表2 各对应波段两时相影像光谱散点图回归方程斜率及均方差表

5）从表2发现，经过标准化处理后的影像，样本分布明显更接近于理想模型，郑州TM影像各波段平均斜率从原始的1．902变为1．081，平顶山ETM+影像各波段平均斜率从原始影的0．78变为1．014。

6）根据图2与图3城市变迁程度分级图可以发现，经过20 a的发展，郑州市变化幅度较大，整个市区基本都处于中等变化或显著变化，只有极少的城市中心地带才属于细微变化；而平顶山在研究年份（1999年～2003年），在TM影像上的变化很不明显，大部分处于细微变化的级别。

7）根据图2与图3以及研究区实际情况可以发现，影像与城市发展状况相吻合。郑州市作为河南省的省会，起着政治、文化与经济中心的作用，其发展类型明显是环状分布，由内至外层层发展。从图2可以明显划分出郑州市的二环至四环，其变化幅度较大的位置分布于郊区，市中心变化不明显。而平顶山属于资源型城市，北部和西部是矿山，因此虽然研究区时间跨度不大，但矿区周围属于中等变化甚至显著变化，而平顶山在西部建设新城区，在图3可以发现西部有部分属于中等变化。

8）郑州市的研究跨度为1989年～2009年，跨越了郑州市发展的几个重要阶段[11]，分别是1978年～1991年城市大发展时期和1992年～2009年的城市快速发展时期。经过旧城更新和城市空间拓展,通过绕城公路、快速三环、107国道和金水河、熊耳河,郑州研究区所选取的时间跨度正好位于郑州的高速发展期，这一点在图2中也得到了反映。平顶山市的研究跨度为1999年～2003年，跨越该市城市化进程的两个阶段[12]：1962年～2000年的城市化发展平稳上升和2001年～2006年城市化发展明显上升。5年中，城市化水平年平均增长率为1．42%。从图3也可以看出，在1999年～2003年，平顶山市的变化整体不大，但新城区以及矿山周围建筑是主要变化，这也与平顶山市是资源型城市的定位相吻合。

图2 1989年～2009年郑州市城市变化分级图

图3 1999年～2003年平顶山市影像标准化第一组分阈值分割图

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P237.9

B

1672-4623（2014）04-0046-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.04.016

胥海威，博士，工程师，主要从事资源环境遥感技术与应用研究。

2013-09-25。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（U1261206-3）。