遥感波段运算在抚顺县森林面积动态监测中研究

杨子健

(辽宁省林业调查规划监测院，辽宁 沈阳 110122 )

太阳是一个电磁波辐射源，由于物体固有的结构特点，对于不同波长的电磁波有选择地反射，植物的叶片由上表皮、叶绿素颗粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成，入射到叶片上的太阳辐射透过上表皮，蓝、红光辐射能被叶绿素吸收进行光合作用；而近红外线可以穿透叶绿素，被多孔薄壁细胞组织所反射。结构和成分不同，反射的光谱特性也不相同，植被在R红光波段(0.55～0.68 μm)具有强吸收特性，在NIR 近红外(0.725～1.1 μm)波段具有高反射和高透射特性，利用植被光谱特性来实现动态监测地表植被变化情况的目的。

1 研究区地貌概况

抚顺县位于辽宁省东部，地处东经123°39′～124°26′，北纬41°26′～42°04′。处于低山丘陵向平原过渡地带。东部、东南、东北地势高峻，而西部、西南、西北稍平缓。整个地势由东向西缓倾，中部为浑河谷地。平均海拔100～300 m，境内山峦起伏，森林茂密，河流纵横。地貌特征为“七山一水半分田，半分道路和庄园”。

2 研究方法

利用遥感动态监测技术，从不同时间获取同一地区的遥感图像中，识别并量化地表变化的类型、空间分布情况和变化量。采用图像直接比较法，对经过配准的两个时相遥感图像中像元直接进行运算或变换处理，找出变化区域并对输入的两个时相的图像进行图像变换，提取并导出变化信息。利用植被在红光波段(0.55～0.68 μm)强吸收、NIR近红外(0.725～1.1 μm)高反射和高透射的特征，根据归一化差分植被指数Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)来识别影像变化区域。利用主成分分析法(PCA)增强图像，从变化信息检测结果中提取变化信息。将本结果与人工判读结果进行对比分析，得到分析结论(图1)。

图1 研究思路

首先利用遥感图像处理软件ENVI的Image Change Workflow工具检测两个时相影像中增加和减少两种变化信息，获取地表绝对变化信息。以两个时相的landsat-8影像为数据源，利用Image Change Workflow 工具提取影像变化区域。

ENVI中的图像直接比较法就是对两时相影像做差值或者比值运算，整合了一些预处理功能，如数据值归一化和单位的统一等。

2.1 数据输入

ENVI中，选择File->Open As->Optical Sensors->Landsat->GeoTIFF with Mededata。

数据源：

LC08_L1TP_119031_20140807_20170420_01_T1_MT

LC08_L1TP_119031_20170831_20180205_01_T1_MTL

工具条上卷帘工具可以查看两景影像的配准情况及变化信息。

2.2 变化信息检测

在Toolbox 列表中，双击/Change Detection/Image Change WorkflowTime1 File 选择LC08_L1TP_119031_20140807_20170420_01_T1_MTLTime File2 选择LC08_L1TP_119031_20170831_20180205_01_T1_MTL并加载shapefile掩膜文件，选取实验区域。在 Change Method Choice 面板中，选择 Image Difference 方法(图像差值法)进行操作。

图像差值法又提供了几种方法，这里选择特征指数差值法。自动根据图像信息(波段数和中心波长信息)在select feature index列表中选择vegetation index(NDVI)归一化植被指数。切换到 Advanced，自动为band1和band2选择相应的波段。

Landsat8：DVI=(Band5-Band4)/(Band5+Band4)

2.3 变化信息提取

选择Apply Thresholding，在 Select Change of Interest 列表中选择 Decrease Only，获取森林减少区域。Auto-Thresholding面板中选取Otsu's:基于直方图形状的方法。使用直方图积累区间来划分阈值，勾选 Preview 预览分割效果。

之后进入Cleaning Up Change Detection Results 面板来移除椒盐噪声和去除小面积斑块。

Enable Smoothing：平滑核(Smooth Kernel Size)：5，值越大，平滑尺度越大。

Enable Aggregation：最小聚类值(Aggregate Minimum Size)：35。

2.4 变化信息输出

在Exporting Image Change Detection Results 面板选择输出文件类型：包括矢量数据(shp.)和统计文本文件(txt.)。

3 结果与分析

经实验方法判读出239个变化图斑，森林植被面积989.49 hm2；经现地验证，其中216个图斑通过验证，森林植被面积891.37 hm2。经人工判读出252个变化图斑，森林植被面积1 011.30 hm2；经现地验证，其中220个图斑通过验证，森林植被面积840.81 hm2。具体结果见表1。

表1 抚顺县统计结果

由表2可以看出，由实验方法提取的森林植被变化斑块正确率高于人工判读方法正确率5%。由此可见，本研究结果科学合理，可以认定实验方法更加准确有效。

表2 统计结果 %

4 结 论

本文通过对Landsat 8中光谱波段数据的计算，自动获取森林面积的动态变化结果，使森林资源数据的动态变化更直观，方便后期统计分析和资源管理应用。相对比传统人工判读，森林资源面积变化监测准确率平均提高5%；缩短了遥感判读的工作时间及强度，工作效率平均提高8倍以上。该项目具有显著的经济、社会及生态效益。