城市擴張遙感監(jiān)測(基于ENVI).pptx

城市遙感概述 城市是人口集中 集約經(jīng)濟活動及不同生活方式并存的復(fù)雜社會 城市又是人類活動的縮影 并且不斷地經(jīng)歷著迅速變化的過程 需要及時地進行監(jiān)測與分析 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 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 城市遙感調(diào)查的主要技術(shù)流程 城市擴張遙感監(jiān)測 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程日益加快 城鎮(zhèn)用地規(guī)模迅速擴張 它不僅占用了大量的土地資源 而且也對城市周邊的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響 及時有效地獲得城鎮(zhèn)用地信息 對于監(jiān)測城市擴張的動態(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 國內(nèi)城市擴張研究現(xiàn)狀 城市擴張研究一直都是城市研究的主要領(lǐng)域 我國從80年代后期開始就有大量的學(xué)者在這個領(lǐng)域開展研究 其中包括城市形態(tài)分類 演變階段 城市擴展方式和速度 城市擴展的主要影響因子 城市擴展預(yù)測和模擬等 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) 對岳陽市地區(qū)的城市擴展狀況進行研究 分別在三時相的TM MSS影像和航空像片中提取城區(qū)邊界 然后對比城區(qū)范圍的不同 得到了岳陽市區(qū)的動態(tài)擴展圖 國外城市擴張研究現(xiàn)狀 城市研究在國外開展較早 最早可以追溯到十九世紀末的城市形態(tài)學(xué)和結(jié)構(gòu)方面的探索 20世紀六十年代衛(wèi)星技術(shù)出現(xiàn) 使得利用空間遙感數(shù)據(jù)進行城市擴展的監(jiān)測和研究 成為城市擴展研究的重要方向 高分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是當今城市擴展研究的主要信息 例如JENSIN等利用LandsatMSS進行城市邊緣區(qū)的居住地的動態(tài)監(jiān)測 認為遙感手段是進行城市動態(tài)監(jiān)測的有效手段 cward等以地球系統(tǒng)科學(xué)的觀點利用Landsat衛(wèi)星研究了城市發(fā)展中的土地監(jiān)測情況 Masek等利用Landsat衛(wèi)星研究了華盛頓特區(qū)城市擴張的動態(tài)變化 目前 國內(nèi)外對城市擴展的研究主要集中在以下三個方面 一是研究城市擴張的規(guī)律及形式 二是城市擴張的驅(qū)動力機制的分析研究 即分析推動城市地域擴張的原因是什么 三是針對城市擴張所應(yīng)采取的措施 遙感監(jiān)測城市擴張的原理與方法 城市擴張在遙感影像上體現(xiàn)為城市面積的不斷擴大 特別是城鎮(zhèn)建筑用地的不斷擴張 大量的研究表明 利用衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)通過數(shù)字圖像處理的方法獲取城鎮(zhèn)用地信息 從而揭示城市擴張的動態(tài)變化是監(jiān)測城市擴張的有效方法 與統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析方法相比更具實時性和可靠性 基于遙感影像上提取城鎮(zhèn)用地通常是通過識別城鎮(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 計算機監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類的方法和基于光譜特征知識的分類方法 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 是因為植被在TM4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 NDBI源于對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 典型地物在LandsatTM影像上的光譜曲線 以武漢TM數(shù)據(jù)為例首先對圖像進行預(yù)處理得到標準假彩色影像 r4g3b2 在ENVI BasicTools BandMath中利用公式float b1 float b2 與float b1 float b2 然后做比值運算得到NDBI圖 城鎮(zhèn)用地在NDBI圖上得到了最大的亮度增強 其他地物則普遍受到壓抑 其NDBI值為 1 1 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 由于城鎮(zhèn)用地TM5波段和TM4波段的差異遠不如構(gòu)建植被指數(shù)的波段之間的差異來的明顯 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) 通過與LandsatTM標準假彩色影像對比發(fā)現(xiàn)低密度植被覆蓋區(qū)也被提取出來了 因此 利用NDBI提取城鎮(zhèn)用地的精度必然會受到一定程度的影響 改進的歸一化裸露指數(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波段的差異遠不如構(gòu)建植被指數(shù)的波段之間的差異來的明顯 考慮到歸一化植被指數(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 因此將之稱為改進的歸一化裸露指數(shù) ModifiedNormalizedDifferenceBarrenIndex MNDBI 即MNDBI NDBI 1 NDVI 在ENVI BasicTools BandMath中利用公式float b1 1 float b2 得到MNDBI圖 很明顯改進的MNDBI圖得到了增強 有利于地城鎮(zhèn)地物提取 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 改進的NDBI對圖像有增強作用 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 圖aNDBI圖像中心灰度值剖面圖 圖bMNDBI圖像中心灰度值剖面圖 MNDBI是對NDBI的改進突出了城市信息 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 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 在ENVI BasicTools BandMath中利用公式float b1 float b2 與float b1 float b2 然后做比值運算得到NDVI圖 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)上進行求交運算 在ENVI BasicTools BandMath中利用公式 float b1 andfloat b2 得到ULI圖 在ENVI BasicTools BandMath中利用公式 b1ge0 1 b1lt0 0得到ULI二