居民地信息提取的最佳假彩色合成方法——以开封市区为例

居民地信息提取的最佳假彩色合成——以开封市区为例 居民地信息提取的最佳假彩色合成方法— —以开封市区为例 第21卷第2期 2006年4月 平顶山学院 JournalofPingdingshanUniversity Vl01.21No.2 Apr.2006 居民地信息提取的最佳假彩色合成方法 —— 以开封市区为例 冯恩国一,李淑香,2 (1.河南大学黄河文明与可持续发展研究中心,河南开封475001; 2.河南大学环境与规划学院,河南开封475001) 摘要:遥感以其高光谱分辨率,空间分辨率为地理研究提供了丰富的数据源,这些数据之间具有重要 的互补性,但是也存在着大量的数据冗余.利用最佳波段组合指数法同时考虑目标地物的光谱信息.考虑波段组 合后的信息量要大,波段之间的相关性要小以及目标地物的光谱差异要大这3个原则,对实验区的居民地信息 提取选取最佳假彩色合成.最后研究表明:分别将TM4,TM5,TM3波段赋予红绿蓝3种颜色,所得的假彩 色信息丰富.居民地与周围地物在色调上具有很好的可分性,有利于信息的提取. 关键词:居民地信息;假彩色合成;波段组合;OIF指数 中图分类号:TP75文献标识码:A文章编号:1673—1670(2006)02—0091—04 遥感技术自20世纪60年代发展以来以其感知面积 大,数据获取周期短,信息量大等特点为地理研究提供了大 量数据.20世纪末,遥感技术迅猛发展,携带光学,微波,多 光谱,高光谱等各种功能的传感器的卫星陆续升空,为人类 进行资源,环境,灾害与监测更是提供了海量数据【卜21.它 们以不同的光谱分辨率.反映地物目标在各个光谱范围内 的各种特性,形成了同一地区的多光谱遥感数据.应用多光 谱遥感数据可以得到大量的地物光谱特征,但是目前在进 行影像判读与专信息提取时仍离不开目视解译.由于人 眼对彩色敏感且分辨力强,多光谱数据往往需要进行波段 组合,合成彩色图像以便于进行目视解译和专题信息提取. 但多光谱遥感数据波段较多,各波段之间既具有互补性,又 存在着大量的数据冗余.如何对多光谱数据进行最佳波段 组合以便于快速,准确提取目标地物信息成为遥感图像处 理的关键之一. 1假彩色图像合成原理 遥感技术发展到今天,目视解译在遥感信息提取中仍 占据重要的位置,在目视判读时一般都是选用信息丰富的 彩色合成图像.假彩色图像是根据加色法彩色合成方案,选 择多光谱影像中的某3个波段,分别赋予红,绿,蓝三原色 组合而成的l3].多光谱遥感数据波段较多,如何进行方案组 合是假彩色合成的关键.波段选择要遵循以下3个原则:1) 所选的3个波段的信息总量要大;2)所选的3个波段的相 关性要弱;3)目标地物类型要在所选的波段组合内与其它 地物具有很好的可分性l4J. 依据以上3个原则,在波段选择时的主要依据是:方差 越大.表明波段的离散程度越大,所含的信息量越丰富,因 而在进行波段组合时首先要考虑组合后的波段方差要尽可 能的大.考虑到第2个原则,由于地物各个波段之问的辐射 特性存在相关性,三个方差最大的波段组合在一起不一定 能得到最大的信息量,这是因为当三个波段之间的相关性 很强时,各波段所包含的信息会存在大量的重复和冗余.此 外,在波段选择时仅仅考虑上面两个原则是不够的,当满足 上面两个原则,但所研究的地物在所选的三个波段与其它 地物不具有很好的可分性,波段组合仍不是最佳的波段组 合.因此,在进行假彩色方案合成时,波段的选取一定要考 虑方差要大而相关性要小这样两个条件,在此基础上目标 地物还应该与其它地物在此波段组合上具有很好的可分 性. 2实验区与影像数据选择及多光谱数据特征分析 笔者以开封市区为实验区,拟从实验区遥感影像上提 取居民地信息,寻求居民点信息提取的假彩色合成方案的 最佳波段组合方法. 2.1实验区概况 开封市位于北纬34.1143一35.0133',东经113.51 57一115.1542之间,南北宽约92km.东西长约126km,土 地总面积6282.40kmz.现辖开封,兰考,杞县,通许,尉氏县 和龙亭,鼓楼,顺河,南关,郊区,共五县五区.本研究只选取 开封市区及郊区部分地区.其经纬度范围为北纬l14.07 03"一114.3001,东经34.4031一34.5526.实验区位于 收稿日期:2006一O1一O6 作者简介:冯恩国(1980).男.山东省聊城市人.河南大学环境与规划学院硕士研究 生.主要从事遥感和地理信息系统(GIs)应用方面的研 究. ? 92?平顶山学院2006年 豫东冲击平原东部,黄河冲击扇上,总的趋势是由西北向东 南倾斜,海拔高度介于58,78m.地势平坦,居民地密集分 布,且受地形变化影响较小.研究区的大致位置如图1所 示. 图1研究区范围示意图 2.2多光谱数据 美国陆地卫星系列的TM影像因其较高的空问分辨率 和时间分辨率已经广泛的应用于土地利用,农林业,生态等 领域.TM影像数据的观测参数如表1. 圈2研究区影像裁减图(Band432) 表1TM的观测参数 本次实验所采用的遥感影像数据是采集于2002年09 月02日TM7号星的多光谱数据.其轨道号为124—36.开 封市位于该景图像上的右上角.根据在1:5万的地形图上 确定的研究区范围在ERDAS软件中对该景影像进行裁减 处理.影像图如图2所示,波段组合为假彩色432波段 组合.根据表1,影像的1—5,7六个波段的空间分辨率为 30m,第6波段其空间分辨率为120m,为红外波段,主要反 映地物的温度信息,与其它六波段相比,分辨率较低.因此, 在波段组合研究中只选取了1—5和7波段. 2.3实验区各地物光谱特征分析 遥感图像本身包占大量的地物波谱信息,利用矢量化 后的开封市土地利用现状图与遥感影像叠合,选取各土地 利用类型的若干样本,获取遥感影像同步的地物光谱信息. 利用这些统计数据可以做出各地物的光谱曲线图(图4). 图3453波段组合假彩色图像 从图中可以看出在TM1和TM2波段,居民地与其它地物 差异不大,目标地物很难与背景地物区分开来.从TM3波 段开始居民地与其它地物的差异开始逐渐增大,在TM5波 段时达到各地物的差异最大. TM12rM3TM4TM5Tj仃 ;波段 ;...一......一,…一…一.…一一..…一一.……..—…一{ 图4TM影像各地物反射率曲线圈 3最佳波段选择 目前,最佳波段选择的方法有很多种L5]:最佳波段组合 指数法(OIF法),方差一协方差矩阵特征值法,主成分分析 法,熵与联合熵法等.笔者采用OIF指数法,进行最佳波段 组合研究. 本次研究是在PC机上进行的,所采用的影像处理环境 包括:ERDASIMAGINF~.5和ENvI3.6. 3.1最佳波段组合指数法(OIF指数法)的计算 该方法是美国的Chavez教授提出的,它的基本思想 是:利用3个波段的标准差及两两之间的相关系数计算一 第2期冯恩国,李淑香:居民地信息提取的最佳假彩色合成方法?93? 个最佳指数因子(optimumindexfactor,OIF),图像数据的 标准差越大,所包含的信息量也越多,而波段的相关系数越 小,表明各波段的图像数据独立性也就越高,信息的冗余度 也就越小[.其数学表达式如下: OIF=?s/?I 式中:S为第i波段的标准差,是第i波段与第波段之 间的相关系数.OIF值越大,说明此3个波段组合所包含的 信息量越大,波段的相关性越小. 在OIF指数的计算中,关键是求出各个波段的标准差 和波段两两之间的相关系数.相关系数可由相关系数 求出: ?(xk一一Xi)(xki—)k1 式中:i,1,2,3,4,5,7为波段数,为第i波段第k个像 元的灰度值,为第i波段的像元灰度均值,,为第波段 的第k像元的灰度值,矗为第J波段的像元灰度均值.k= 1,2,3,…,为实验区的像元数. 标准差可以在ERDASIMAGINE8.5中的图层信息中 获得,但是相关系数在啪ASIMAGINE8.5中没有相应 的模块可以计算出来,可以通过ERDASIMAGINE中的 MODEL模块开发相应的计算模型计算出各波段的相关系 数,笔者通过另一款遥感图像处理系统ENVI3.6来计算各 波段的相关系数.在ENVI3.6中的BASIC1?LS的 STATISTICS模块中,设置计算影像的统计信息,可以统计 出图像的标准差和各波段的相关系数矩阵.各波段的标准 差及相关系数矩阵表如表2. 表2各波段间的标准差及相关系数矩阵表 将表2中各项结果带入OIF指数计算公式,得到表3 表3OIF指数及其排序 3.2结果分析与最佳渡段组合 从表2结果分析,TM1,TM2与其它波段的相关性较 大,尤其是TM1和TM2,TM2和TM3之间,分别为 0.995533和0+984495.在后面的波段组合中应该尽量避 免使用TM1和TM2波段+TM5波段与其它波段之间的相 关性较小,是一个相对独立的波段.从表3结果分析,先不 考虑其它因素,仅就OIF值来说,波段组合145,345,457, 135,245的OIF值较高,是最佳波段组合备选组合.结合本 实验的研究目的是为了提取居民地信息,要结合当时的地 物光谱信息来选择最佳波段.在蓝色波段(TM1)和绿色波 段(TM2),居民地除与河流能很好的分离,与其它背景地物 可分性较差,到红色波段,地物之间的差异开始加大.考虑 到由表2分析后的结果,在波段选择时不选择FM1,TM2 波段参与组合.排除波段组合145,135,245.按照OIF值的 大小决定345为最佳波段组合.将FM3,TM4,FM5分别赋 予红绿蓝三原色又有6种组合方案,通过目视分辨,将 TM4赋予红色,TM5赋予绿色,TM3赋予蓝色,即453波 段组合.合成后的假彩色影像(图3),地物光谱信息丰富, 可分性较好.在图像上蓝色,砖红色,青绿色,深蓝色构成了 影像一级波谱信息,分别表示居民地,水田,旱地和水体.居 民地可以很好的从背景地物中分别出来. ? 94?平顶山学院2006正 4结论 遥感影像的最佳假彩色合成方案的确定是图像信息增 强的关键技术之一.波段组合的优劣,直接影响遥感影像信 息的多少,进一步影响后面影像的目视解译和专题信息提 取.笔者在实验区内,利用最佳波段组合指数法(OIF法)与 地物光谱信息相结合,最后确定453波段为最佳波段组合, 在该图像上,居民地显示为蓝色,能和背景地物较好的区分 开,效果较好.实验结果表明,该方法操作简便,快捷,是进 行假彩色合成的一种行之有效的方法. 参考文献: [1]梅安新,彭望碌,等.遥感导论[M].北京:高等教育出版 社.2001. 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MethodsforOptimalFalseColorCompositesinExtracting theInformationofResidentialAreas FENGEn—guo1一.LIshu—xiang- (1.KeyResearchInsituteofYellowRiverCivilizationandSustainableDevelopmentHenanUniversity, Kaifeng,Henan475001,China; 2.College0fPlanningandEnvironment,HenanUniversity,Kaifeng,Henan475001,China) Abstract:Theremotesensingprovidesgeographicalresearchwitharichdatasourceofferinghighspec— trumresolutionandspatialresolution.Thesedatahaveveryimportantsupplementary,butalsohavemassive dataredundancyvalue.Thispaperusesthe0IFmethodandconsidersthespectruminformationoftargetob— jects.Inthisstudy,thefollowingfactorsmustbemaximal;theinformationofwavebandsandthedifferenceof targetobjectsspectruminformationmustbemax,thecorrelationofthewavebandsmustbelowered.Inthe end,thisstudyindicates:ThefalsecolorimagecomposedofTM4,.TM3wavebandsisrichininforma— tionandtheresidentialareascanobviouslydifferfromsurroundingobjectsincolor.Soitisbetterforextract— ingtheinformation0fresidentialarexis. Keywords:informationofresidentialareas;falsecolorcomposite;optimalbands;OIFindex