基于NDVI像元二分模型的城市植被覆蓋度分析

劉艷杰 李重

關(guān)鍵詞：NDVI;像元二分模型;植被覆蓋度

植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝等）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比，揭示了植被的茂密程度及植物光合作用面積的大小，是一個(gè)反映地表植被群落生長態(tài)勢(shì)的綜合量化指標(biāo)，是衡量區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要參考因子。

分析植被覆蓋度有利于了解城市綠地覆蓋信息。植被覆蓋度的測(cè)量方法有兩種：地面測(cè)量和遙感測(cè)量。小范圍的地表植被覆蓋度的估算可以利用地面測(cè)量，常用的方法有目估法、采樣法、儀器法和模型法。地面測(cè)量精度比較高，但是測(cè)量成本較高，并且受時(shí)間、天氣和區(qū)域條件的限制，且難以在大范圍內(nèi)快速獲得植被覆蓋度。大范圍的地表植被覆蓋度的估算可以利用遙感測(cè)量，地面測(cè)量作為遙感監(jiān)測(cè)的一種輔助方式，為遙感監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文對(duì)研究區(qū)植被覆蓋度采用基于像元二分法原理，結(jié)合植被指數(shù)，對(duì)研究區(qū)域的植被覆蓋度進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)。

一、研究區(qū)概況

焦作市位于河南省西北部，地處東經(jīng)112°43'3 1”～113°38'35”、北緯34°49'03”～35°29'45"之間，位于太行山脈和豫北平原的交界地帶。地形主要有由平原和山區(qū)兩大基本類型構(gòu)成，從北到南依次為山區(qū)一丘陵一平原，地勢(shì)由西北向東南傾斜。處于中緯度地區(qū)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，季節(jié)差異明顯。

二、研究方法

（一）NDVI計(jì)算

NDVI即歸一化植被指數(shù)，是反映區(qū)域植被生態(tài)態(tài)勢(shì)的重要參數(shù)因子，是植被監(jiān)測(cè)情況的重要指標(biāo)，被定義為近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值之差與這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值，即

NDVI=（pmrt--prt）/（pnm+pa）………………………（1）

NDVI值的范圍在卜1，1]之間。NDVI經(jīng)比值處理，可以部分消除與太陽高度角、衛(wèi)星觀測(cè)角、地形、云、陰影和大氣條件等有關(guān)的輻照度條件變化的影響;同時(shí)NDVI的歸一化處理，使因遙感器標(biāo)定衰退對(duì)單波段的影響從10%-30%降到NDVI的0-6%，并使由地表雙向反射和大氣效應(yīng)造成的角度影響減小。

（二）像元二分模型

像元二分模型是一種簡單、常用的線性模型。它假定一個(gè)像元的信息是由植被和土壤兩部分組成，即通過遙感傳感器所觀測(cè)到的一個(gè)像元信息S可以看作是由土壤（無植被覆蓋）部分所貢獻(xiàn)的信息和由植被覆蓋部分所貢獻(xiàn)的信息S的和即：

對(duì)于遙感影像上的任一像元其組成方式有2種可能：一種是只有一種地物構(gòu)成的純像元;另一種是由兩種或多種地物混合構(gòu)成的混合像元。對(duì)于純像元，假設(shè)全部由植被覆蓋像元的遙感信息為S，全部由土壤（無植被）覆蓋像元的遙感信息為S對(duì)于混合像元，像元由植被和土壤兩部分構(gòu)成，像元中植被覆蓋面積占像元總面積比例即為該像元的植被覆蓋度￡，而土壤（無植被覆蓋）面積占像元總面積比例為則像元中植被成分所貢獻(xiàn)的信息S，可以表示為：

式中Sa和s是該模型的2個(gè)參數(shù)，根據(jù)該公式只要知道這兩個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值就可以利用遙感信息來估算植被覆蓋度。

像元二分模型表達(dá)了遙感信息和植被覆蓋度之間的關(guān)系，參數(shù)S代表土壤純像元所反映的遙感信息，參數(shù)s。代表植被純像元所反映的遙感信息，像元二分模型不受地域條件限制，引人參數(shù)S和S來削弱大氣、土壤背景與植被類型等的影響。通過兩個(gè)因子進(jìn)行線性變換，將大氣、土壤背景與植被類型等對(duì)遙感信息的影響降到最低，只留下植被覆蓋度的信息。

（三）基于NDVI和像元二分模型植被覆蓋度計(jì)算

NDVI可以很好地反映不同時(shí)期植被的長勢(shì)以及不同地點(diǎn)植被的覆蓋情況，所以，在像元二分模型的基礎(chǔ)上，通過NDVI來估算研究區(qū)域的植被覆蓋度。

對(duì)于大多數(shù)的裸地類型，NDVI應(yīng)該是變化很小且接近于0的一個(gè)定值，但實(shí)際上由于受土壤類型、濕度等眾多因素的影響，NDVI的值會(huì)有一定的變化，其變化范圍一般在-0.1-0.2之間。同樣，NDVL值會(huì)隨著植被類型、植被結(jié)構(gòu)等因素的變化而變化，即使是對(duì)同一幅遙感影像計(jì)算植被覆蓋度，NDVI和NDVI也不能取固定值。結(jié)合所研究區(qū)域和研究區(qū)域影像的特點(diǎn)選取NDVI和NDVI參數(shù)值，所得估算結(jié)果更加接近實(shí)際情況。

三、結(jié)果與分析

對(duì)研究區(qū)的原始多光譜影像，利用公式1計(jì)算NDVI值，NDVl分布圖如圖1所示，顏色的深淺代表NDVI值的大小，顏色越深NDVI值越大。根據(jù)所得的NDVI圖像，利用ENVI軟件Compute Statistics工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，對(duì)融合后的焦作市區(qū)多光譜影像進(jìn)行監(jiān)督分類，提取綠地信息。結(jié)合焦作市的實(shí)際情況，將綠地細(xì)分為：樹木、草地、農(nóng)田三類。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別取累積概率為5%和95%的NDVI值作為NDVI和NDVI，可得：NDV=0.655025，NDvI=-0.066389。根據(jù)公式8，計(jì)算植被覆蓋度，并繪制圖像（見圖2）。圖像的每個(gè)像元值表示該像元內(nèi)的平均植被覆蓋度，其中顏色的深淺代表該區(qū)域植被覆蓋度的高低，顏色越淺代表其植被覆蓋度越高，通過植被覆蓋度分布圖，可以從總體上了解研究區(qū)的植被分布情況，有利于對(duì)研究區(qū)綠地信息的精細(xì)提取。

利用SVM分類方法得到的分類圖像信息，統(tǒng)計(jì)各類別地物面積、所占比例、綠地率、人均綠地面積等信息，結(jié)果見表1。

根據(jù)表1，雖然焦作市城市綠地覆蓋面積、綠地覆蓋率總體較高，滿足城市區(qū)綠化用地面積不低于總用地面積30%的要求，但是其中農(nóng)田所占比例過大，草地和樹木所占比例過小，人均占有面積少。因此，應(yīng)該加大對(duì)草地和樹木的投入，特別是綠量較高的喬木的種植，更大程度提高綠化面積及質(zhì)量。

結(jié)語

針對(duì)焦作市植被覆蓋度，以Landsat8和高空間分辨率影像為數(shù)據(jù)源，對(duì)城市綠地信息提取的NDVI、像元二分模型以及分類方法進(jìn)行研究，提取了焦作市的綠地空間分布信息，利用NDVI的簡單快速特點(diǎn)，結(jié)合像元二分模型實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)綠地信息的快速提取。通過恰當(dāng)?shù)姆诸惙椒?，在NDVI綠地提取的基礎(chǔ)上，將綠地進(jìn)一步細(xì)分為草地、樹林和農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)了城市綠地信息的精細(xì)提取。今后需要加強(qiáng)對(duì)遙感影像信息提取原理和方法的研究，探索更好的分類方法，如，嘗試新波段組合數(shù)據(jù)，更好地結(jié)合影像光譜信息和紋理信息，尋找針對(duì)城市信息提取的快速而又準(zhǔn)確方法。