基于植被覆蓋度遙感反演的國情草地三級分類研究

喬占明，王曉波，吳笑天

(1. 青海省地理國情監(jiān)測院，青海 西寧 810000； 2. 青海省地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室，青海 西寧 810000)

0 前 言

目前，研究人員利用遙感反演技術(shù)進(jìn)行植被覆蓋度估算，大多都集中在對模型的建立、數(shù)據(jù)源的選擇及區(qū)域的選取等方面，但對其后期的利用研究相對較少[1-3]。地理國情普查是利用高分辨率航空航天遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和其他專題數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，查清我國地形地貌、地表覆蓋等地表自然和人文地理要素現(xiàn)狀和空間分布情況[4]。青海省是一個草原大省，且青海省地理國情普查承擔(dān)區(qū)域大多屬于半農(nóng)半牧或牧業(yè)縣，但青海省地理國情普查采用的影像大多為冬季，難以滿足地理國情普查的需要，對于草地的辨識有一定難度，同時外業(yè)調(diào)查對草地覆蓋度的認(rèn)知也存在一定偏差。

本文依托青海省第1次全國地理國情普查項目，研究如何利用植被覆蓋度遙感反演結(jié)果確定地理國情普查草地三級分類。以青海省地理國情普查項目承擔(dān)區(qū)域為例，探索植被覆蓋度遙感反演結(jié)果在青海省地理國情普查中的應(yīng)用原則，通過試驗區(qū)域地應(yīng)用，準(zhǔn)確合理地提出反演應(yīng)用的原則。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域為青海省第1次地理國情普查承擔(dān)區(qū)域，主要包括西寧市、海東市、黃南藏族自治州、海北藏族自治州兩市兩州共計21縣域的范圍，位于青海省西北面，面積為7.32 萬km2，草地可利用面積為4.76 km2。

1.2 數(shù)據(jù)源

1.2.1 影像數(shù)據(jù)源

本次試驗中，數(shù)據(jù)源采用Lansat8影像，時間為2013年7～8月，對于部分區(qū)域影像質(zhì)量較差，可選用6月下旬或9月份影像替換。

Landsat8影像包含11個波段，試驗中使用的影像只有OLI陸地成像儀中的9各波段，空間分辨率為30 m，其中包括一個15 m的全色波段，見表1。在植被覆蓋度遙感反演中主要使用第4波段(紅波段)和第5波段(近紅外波段)。

表1 Landsat8 影像波段(OLI)

1.2.2 植被度蓋度數(shù)據(jù)

植被覆蓋度遙感反演利用Landsat8影像經(jīng)過影像去云、輻射糾正，利用最優(yōu)土壤調(diào)整植被指數(shù)(OSAVI)，結(jié)合樣點內(nèi)插結(jié)果進(jìn)行植被覆蓋度估算。最終得到的結(jié)果按照第1次全國地理國情普查要求分級[5]，分級要求如表2所示，效果如圖1所示。青海省地理國情普查承擔(dān)區(qū)域植被覆蓋度遙感反演結(jié)果經(jīng)過驗證精度到85.5%，基本可以滿足生產(chǎn)的需要。

表2 地理國情普查草地三級分類

圖1 青海省地理國情普查承擔(dān)區(qū)域遙感反演結(jié)果

2 分類原則研究

2.1 地理國情普查技術(shù)指標(biāo)

數(shù)據(jù)采集精度，即采集的地物界線和位置與影像上地物的邊界和位置的對應(yīng)程度。影像上分界明顯的地表覆蓋分類界線和地理國情要素的邊界以及定位點的采集精度應(yīng)控制在5個像素以內(nèi)。特殊情況，如高層建筑物遮擋、陰影等，采集精度原則上應(yīng)控制在10個像素以內(nèi)。地表覆蓋類型漸變地帶沒有明顯的分界線，過渡地帶的覆蓋分類應(yīng)至少保證上一級類型的準(zhǔn)確性[4]。

草地采集指標(biāo)：草原地區(qū)，最小圖斑對應(yīng)的實地面積為1 600 m2；其他地區(qū)最小圖斑對應(yīng)的地面實地面積為400 m2[5-6]?；哪c裸露地表采集指標(biāo)：荒漠地區(qū)最小圖斑對應(yīng)的地面實地面積為10 000 m2，其他地區(qū)為1 600 m2[5-6]。

2.2 分類原則建立

利用植被覆蓋度遙感反演結(jié)果，需嚴(yán)格按照國家地理國情普查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，在采集精度要求內(nèi)，輔助完成草地三級類的劃分。

1)高分為主—反演為輔。即在使用反演結(jié)果劃分草地三級分類時，以高分影像為主，結(jié)合植被覆蓋度遙感反演結(jié)果輔助劃分草地三級分類。遙感反演結(jié)果中，1個像素表示實地225 m2，因此其大于兩個像素的分類部分，均需在高分影像中進(jìn)行分析。主要存在以下兩種情況：①需采集情況。在植被覆蓋度遙感反演結(jié)果中，大于兩個像素的部分，其相應(yīng)位置在高分影像中與周圍地物存在差異的，必需按照地理國情普查最小上圖指標(biāo)對其進(jìn)行表示；②不需采集情況。在植被覆蓋度遙感反演結(jié)果中，大于兩個像素的部分，其相應(yīng)位置在高分影像中難以看出與周圍地物的差異，此種情況可不考慮反演結(jié)果，以高分影像為主。

2)高分定界—反演定性。即在使用反演結(jié)果劃分草地三級分類時，以使用的高分影像確定區(qū)域的界線，反演結(jié)果確定區(qū)域的草地三級分類級別。地理國情普查使用的分辨率為0.5 m或2.5 m的影像，而遙感反演使用的為15 m分辨率的影像。因此，在使用遙感反演結(jié)果確定草地三級分類的過程中應(yīng)遵循采用高分影像確定范圍，遙感反演結(jié)果進(jìn)行級別定性的方式。

3)面積占優(yōu)法。即在使用反演結(jié)果劃分草地三級分類時，對于區(qū)域內(nèi)有多個分類級別且分區(qū)較為零散時，按照面積最大的類型確定最終級別。

遙感反演結(jié)果中存在同一個地方同時出現(xiàn)高、中、低、裸地中的兩種或幾種，而在高分影像中其紋理、色彩等無明顯的差異，此時需要根據(jù)面積占優(yōu)法對其進(jìn)行定性。

2.3 分類原則應(yīng)用

依據(jù)上述采集原則，結(jié)合高分影像WorldView1和WorldView2影像，在青海省地理國情普查區(qū)域大通縣、尖扎縣得以應(yīng)用。

2.3.1 WorldView1影像中的應(yīng)用

圖2為WorldView1應(yīng)用案例，該區(qū)域位于尖扎縣境內(nèi)，地理國情普查使用的影像數(shù)據(jù)源為WorldView1。從高分影像中，先通過紋理、色調(diào)等信息判定其各個地物的范圍，然后依據(jù)反演結(jié)果數(shù)據(jù)確定其級別。其中，在遙感反演結(jié)果中，紅色方框內(nèi)，中覆蓋區(qū)域內(nèi)還包含部分低覆蓋草地和裸地區(qū)域，但在高分影像中其與周圍地物無差異，故此處按照面積占優(yōu)法將其全部歸入中覆蓋草地。

圖2 WorldView1應(yīng)用案例

2.3.2 WorldView2影像中的應(yīng)用

圖3為WorldView2應(yīng)用案例，區(qū)域位于尖扎縣境內(nèi)，地理國情普查中使用的影像數(shù)據(jù)源為WorldView2影像。根據(jù)高分影像的紋理、顏色等信息可以確定各個地物的界線，然后疊加遙感反演結(jié)果數(shù)據(jù)，確定其分類級別。如圖3泥土地表(0920)范圍，在高分影像中呈現(xiàn)高亮、發(fā)白，在遙感反演結(jié)果數(shù)據(jù)中，其基本呈現(xiàn)裸地分級。因此，此處按照高分影像確定其界線，依據(jù)遙感反演結(jié)果確定其級別。如圖3覆蓋草地(0421)范圍，在高分影像中其紋理較為光滑，在遙感反演結(jié)果中，其大部分處于中覆蓋分級中，包含少部分低覆蓋區(qū)域及裸地部分，依照面積占優(yōu)法原則，將其全部歸入中覆蓋度草地中。

圖3 WorldView2應(yīng)用案例

3 結(jié) 論

1)依據(jù)生產(chǎn)試驗，提出的青海省地理國情普查植被覆蓋度遙感反演結(jié)果使用分類原則，可以較好的指導(dǎo)實際的生產(chǎn)應(yīng)用。高分為主—反演為輔、高分定界—反演定性、面積占有法3大原則，適用性較強(qiáng)，操作方便。

2)利用植被覆蓋度遙感反演結(jié)果，可以彌補(bǔ)青海省地理國情普查影像時相不好、全色影像難以辨別草地三級類劃分等不利因素。

3)植被覆蓋度遙感反演結(jié)果的應(yīng)用，可以合理、科學(xué)的輔助指導(dǎo)一線作業(yè)人員進(jìn)行草地三級類的劃分，統(tǒng)一青海省各普查單位之間的認(rèn)知，加快青海省地理國情普查的步伐。

青海省地理國情普查片區(qū)植被覆蓋度遙感反演結(jié)果已經(jīng)在青海省尖扎縣、大通縣、海晏縣得到普遍應(yīng)用，后期將在全省推廣使用。但是在應(yīng)用中還是存在一些問題，如低覆蓋度草地、荒漠與裸露地表的劃分，后期將通過裸地樣點的篩選，優(yōu)化反演結(jié)果，總結(jié)分類原則，不斷解決問題，更好的發(fā)揮遙感反演技術(shù)的作用。