1、本科毕业论文（20 届）基于 TM 影像龙岩市植被变化分析所在学院专业班级 测绘工程学生姓名指导教师完成日期基于 TM 影像龙岩市植被变化分析【摘要】 大自然中不可替代的主要组成成分是植被，植被是生态环境的主要基础，植被对人类的生存、生态环境的保护、现代社会的发展进步都有着重要的意义。当生态环境因外界各种因素影响发生变化时，植被能在最短的时间感觉到 1。在 TM 遥感影像处理,植被指数能定性和定量评定植物的生长状况。本文是以龙岩市为目标研究区域，以含有龙岩市的 TM 遥感影像为主要研究数据，使用 ENVI 软件对含有龙岩市的遥感影像图进行图像处理，即多波段组合、辐射定标、大气校正、图像拼接、图
2、像裁切，用 ENVI 计算 NDVI，用 ENVI 在 NDVI 基础上计算植被覆盖度，并且把植被覆盖度分为四级进行讨论，经过研究，结果分析显示，长汀、漳平、武平总体植被增加，连城、上杭、永定、龙岩市植被覆盖在减少。【关键词】 TM 影像 ENVI 归一化植被指数 植被覆盖度1 引言 .11.1 植被研究背景 .11.2 国内外植被变化研究现状 .11.3 植被变化研究的意义 .11.4 研究的内容 .12 研究区域概况 .13 基本原理 .23.1 植被光谱特征 .23.2 植被指数 .23.3 归一化植被指数 .24 研究方法与步骤 .24.1 研究方法 .24.2 研究方案 .24.3
3、技术路线 .35 数据资料与数据处理 .35.1 数据资料 .35.2 图像预处理过程 .45.3 图像处理结果 .46 结果分析 .56.1 DNVI 值变化分析 .56.2 植被覆盖度变化分析 .66.3 影响分析 .67 结论 .7参考文献 .711 引言 1.1 植被研究背景现代城市的发展是衡量一个国家发展水平的重要标准。改革开放政策实施之后，我国城市化发展步伐加快。龙岩市在福建省西部山区，近年来在建设海峡西岸经济区的推进之下，龙岩市规模扩大，对龙岩市周边的环境产生了很大的影响。因此有必要对龙岩市的植被变化进行研究，以便得出随着经济发展、城市扩大对龙岩市的整体植被的影响。植被在生态系统
4、中充当的角色是不可替代的，在生态系统稳定发展的维护中也是至关重要的。1.2 国内外植被变化研究现状植被在全球的研究领域中一直是一个热门的课题，可见植被变化对整个世界的影响都是不可估量的。随着现代科学技术的发展，各种研究设备的完善，以及对植被作用的认识不断加深，研究植被变化、植被变化监测的方法也在不断的发展、创新和突破。国内外研究植被在不断的更新和成熟，国外有最近有一种新的方法为 13C 分析法，这种方法为研究土壤中 13C 含量的差别来判断植物的生长情况，以便得到植被变化的分析；根据植被生长的影响因素建立模型来研究。中国有以 AVHRR-NDVI 数据为基础研究不同种类植被的覆盖度 2；使用
5、AVHRR-NDVI 数据研究植被覆盖变化与气候的关系 3。1.3 植被变化研究的意义全球经济发展的同时，生态环境也不可避免的受到影响，而植被是生态系统中最为敏感的指标，可以很好的反映社会经济发展的同时对生态环境的影响。生态环境的变化大也会制约社会经济的发展，在生态系统中对植被变化进行研究是一项重要的任务。而植被覆盖度能很好的反映植被的生长情况，所以植被覆盖度研究能反映出植被的变化情况 4，能给决策者一个好的判断依据，使得经济发展的同时也能保护好人类赖以生存的生态环境。目前科学技术的发展，使得一些商业卫星投入使用，一些观测技术的不断完善，给生态环境的研究提供一个新的研究方法。采用不同时间段的遥
6、感影像、不同波段的影像数据来研究植被变化是国内外研究流行的方法 5，能很好的表明植被的变化动态，对发展的策略做出进一步的调整，让社会、生态协调发展。1.4 研究的内容随着遥感技术的快速发展和遥感数据的不断更新，更大的方便了对目标区域的研究。传统的研究方法是通过地面实测来估计植被覆盖度，消耗时间长、消耗精力大，并且精度达不到要求，这种方法已经被淘汰。基于龙岩市的植被变化的研究，本文下载 8 幅包含龙岩市的 TM 影像图，对下载的图像进行处理，进行多波段的合成、辐射定标、大气校正、拼接、裁切、计算出龙岩市的归一化植被指数，估算出龙岩市的植被覆盖度，并作出专题图，对龙岩市的植被变化进行分析。2 研究
7、区域概况 龙岩市在福建省的西南部，东西距离大约 192 千米，南北距离大约 182 千米，总面积约为 1.9 万平方千米，占福建省陆地面积的 15.7%。龙岩市位于低纬度地区，所处经纬度是 11551E 到 11744E,2423N 到 2602N，龙岩市的气候适宜，年降雨量高，是属于亚热带。龙岩市是沿海和内陆的过渡地带，是厦门、泉州、漳州地区的核心地段。龙岩是一个地级市，现管有五个县、一个区和一个县级市。龙岩市属于山区，是福建省的三大林区之一，地形比较复杂，森林覆盖率在全福建省排名前列，有名的森林覆盖率高的地区。23 基本原理3.1 植被光谱特征植被的光谱特是与植物本身有关，不同的植物有着自
8、己的光谱特征，所以可以根据不同的光谱特征来辨别植物的物种、植被的分布情况、植被的生长情况，是研究分析的依据。健康植物的波谱曲线有明显的特点，有明显的反射峰和吸收谷，能有效的反映植被的状况。不同影像不同波段的组合包括了百分之九十以上的植被信息 6。把这些波段进行各种组合，能形成不同值，这些值称为植被指数 7。目前对植被的研究多采用植被指数进行分析 8。3.2 植被指数植被指数在植被研究领域是常用的一种方法。经过多年的发展以及现代技术的更新，植被指数的提取方法在不断的更新完善。由于不同植物对不同长度波长的吸收率不同，根据植物的光谱特征，植被指数可以很好的监测地面植被的生长及分布 9。社会的发展进步
9、，各方面都在跟着发展，经过长时间的研究发展，植被指数的种类已经达到几十种，同时研究理论在不断完善。NDVI 是被用来研究最多的一种 10。城市生态环境随着城市发展而发生变化，植被也在发生变化，植被能反映城市生态变化的情况 11。植被指数能够用来定性及定量分析植物长势状况，用于物种的判别，土地利用变化监测，也有助于遥感图像的解译。当代研究一种事物的方法不止一种，研究植被指数也是一样的，可以用不同软件对数据设备采集来的遥感数据进行处理，来提取植被指数 12。3.3 归一化植被指数在研究植被变化时，大都选用归一化植被指数 NDVI 研究，因为它能很好的反映植被变化，NDVI 与植被分布关系紧密，两者
10、呈正相关。经过研究表明，NDVI 对土壤变化敏感；对植被种类、覆盖度、长势好坏等的全面指示，NDVI 由植被覆盖度、叶面积指数等决定；NDVI 对植被覆盖检测范围广，时间、空间变化指标好 13，因此本文采用归一化植被指数研究龙岩市的植被变化。长时间被用来监测植被变化情况，估计植被覆盖分布的研究中，经常使用的是归一化植被指数NDVI14。NDVI 的公式为：)/()(RNIINDV （3-1）(其中 NIR=近红外像元值,R=可见光红光像元值)。该指数能消除很多因素的影响，包括各种辐射、云、地形的影响，降低大气的干扰影响，减小非地类变化引起的差异，提高识别土壤背景能力，使植被覆盖度监测更加灵敏，
11、也可消除仪器误差、定标的影响 15。NDVI 不同的取值代表不同的植被覆盖情况，当 NDVI 为负值时表明此区域为云、水、雪等；当 NDVI为 0 左右表明此区域为几乎无植被区域；当 NDVI 为正表明为植被覆盖区域，且覆盖度随 NDVI 增大而增大 16。NDVI 有对植被灵敏、检测区域大、可以降低地理情况及群落布局的影响，减少太阳高度角、大气的作用等优点 13。4 研究方法与步骤4.1 研究方法本文的研究内容是使用 ENVI 软件对龙岩市 TM 遥感影像的处理，研究的主要方法如下： 1）利用研究区域龙岩市的遥感数据，对遥感数据进行处理。2）用上述数据计算龙岩市的归一化植被指数。3）在归一化
12、植被指数的基础上计算龙岩市的植被覆盖度。4) 对所得到的数据进行分析。34.2 研究方案1）在地理空间数据云平台下载龙岩市遥感影像。2）对遥感影像进行预处理。3）用 ENVI 软件计算出植被指数。4）用 ENVI 软件计算出植被的覆盖度。5）分析数据。4.3 技术路线首先进入地里空间数据云平台，查找龙岩市地区，下载含有龙岩市的遥感影像，经过多波段组合、辐射定标、大气校正，使用龙岩市的矢量面数据对龙岩市区域进行裁切，然后利用 ENVI 软件计算龙岩市的 NDVI，进而通过波段计算得出植被覆盖度，最后统计数据进行分析，技术路线见下图。 图 4-1 技术线路5 数据资料与数据处理5.1 数据资料本文
13、研究的数据来自于地理空间数据云平台，通过此平台下载 2004 年和 2009 年的 10 月份各四幅Landsat 4-5 TM 卫星数字产品影像，两年影像中植被基本处于同一物候期，其时空变化可比性较好。用ENVI 软件对下载数据进行处理，计算 NDVI、植被覆盖度，对各年处理数据统计分析，两年数据变化比较，从而对龙岩市植被变化得出结论。图像预处理（多波段组合、辐射定标、大气校正、影像拼接）下载龙岩市 TM 影像数据遥感影像裁切全国县级矢量数据NDVI植被覆盖度结果分析与可视化2004 年 4 幅遥感影像数据 2009 年 4 幅遥感影像数据提取龙岩市矢量数据地里空间数据云平台4表 5-1 数
14、据简介数据标识 成像日期 条带号 行编号 中心经度 中心纬度 云量（%）LT51200422004279BKT00.tar 2004-10-5 120 42 117.37 25.99 0.0LT51200432004279BKT00.tar 2004-10-5 120 43 117.01 24.54 1.0LT51210422004286BKT00.tar 2004-10-12 121 42 115.82 25.99 8.0LT51210432004286BKT00.tar 2004-10-12 121 43 115.46 24.54 1.0LT51200422009276BJC00.tar
15、2009-10-3 120 42 117.35 25.99 0.43LT51200432009276BJC00.tar 2009-10-3 120 43 117.00 24.55 8.2LT51210422009283BJC00.tar 2009-10-10 121 42 115.81 25.99 3.55LT51210432009283BJC00.tar 2009-10-10 121 43 115.45 24.54 0.055.2 图像预处理过程（1）多波段组合TM 影像是指美国陆地卫星 4-5 号专题制图仪所获取的多波段扫描影像 17。Landast4-5 TM 影像总共含有 7 个波段，
16、高空间分辨率、信息量丰富、定位精度高是 TM 影像的主要特点 18。对 TM 遥感影像进行图像预处理时，需要对影像所含的 7 个波段的进行组合，从而获得多波段组合信息。（2）图像辐射定标把传感器采集的数据按要求转化为相关物理量的处理过程为辐射定标 19。遥感图像上的像元值表示像元灰度的灰度级，而实际的电磁波信号表示辐亮度。所以进行图像处理时，要将灰度级转化为幅亮度。（3）大气校正电磁波信号在经过大气层时，会受到很多因素的干扰。外界各种因素的干扰会使传感器获得的数据不准确，使图像上的像元值偏大，影响对研究结果的判断大气校正消除消除大气中各种因素（如：水蒸汽、氧气、二氧化碳、云层等）对地物反射作用
17、的影响；以及消除大气分子和气溶胶散射的影响。在一般研究中,反演地物真正反射率的进程在大气校正的过程内 19。本文采用简化黑暗像元法大气校正。黑暗像元法是经典的大气校正方法，是假设图像上存在黑暗像元、大气性质稳定，同时忽略在大气条件下的其他作用影响。在大气影响的作用下，用反射率大像元值减反射率小的黑暗像元，降低大气作用的影响，达到大气校正。整个大气校正过程的关键是找到黑暗像元及其增加的像元值 19。5.3 图像处理结果（1）影像的拼接与裁切下载的图像先进行上述的处理再进行拼接裁切。由于下载的四幅影像只是含有龙岩市的一部分，所以需要对下载的影像进行拼接。下载影像是 2004 年 10 月 5 日的
18、两幅，2004 年 10 月 12 日的两幅，2009年 10 月 3 日的两幅，2009 年 10 月 10 日的两幅，下载的是同年同月份的不同日期，虽说日期只相差七天，但影像还是有部分差异的，在拼接的时候能看出来，所以对同日期的两幅影像先拼接，然后在对不同日期的拼接，对不同日期的拼接时要先调整影像亮度、色彩，使两幅影像相差不大再进行拼接。因为是对龙岩市的植被分析，所以要裁切出龙岩市的遥感影像图。在裁切龙岩市的遥感影像图之前，找到全国的矢量县级行政界线、龙岩市面数据，用 ENVI 对不要的县级的界线进行编辑删除，除龙岩市以外的面进行编辑删除，对照龙岩市的行政区划图进行裁切，不能裁切过度，把需
19、要的也裁切了，直到裁切出龙岩市的面的矢量数据。裁切出龙岩市的面的矢量数据后，利用 ENVI 软件加载矢量数据到已经拼接好的遥感图像上进行裁切，得出龙岩市的遥感影像图。（2）计算 NDVI 和估算植被覆盖5在 ENVI 软件里加载裁切的遥感影像图，进行波段计算，输入 NDVI 的计算公式，得出 NDVI 遥感影像图。再在 NDVI 遥感影像图输入植被覆盖度的计算公式：min)/(axi)1(*max)in1(*max)1(0*in)1( bledgebgtbltB （5-1）式中 B1 为 NDVI 值，b1 为近红外波段，min 为最小像元值，max 为最大像元值，式中的 min 与 max
20、根据整体的 5%、95%取，计算出植被覆盖度获得遥感影像。在 ENVI 中把计算出覆盖度的图像转换为 ArcGIS能打开的格式，然后用 ArcGIS10.0 加载计算出植被覆盖度的遥感影像，同时把之前裁切好的龙岩市的边界线矢量数据，面矢量数据加载在 ArcGIS 里，面矢量放在最底层，然后是植被覆盖度的遥感影像，边界线矢量放在最上层，三者叠加。在面矢量的那层标注要素，显示出龙岩市的各个县、市的名称，以便在后面对各个县的变化情况进行分析。在 ArcGIS 中对植被覆盖度遥感影像分为裸地、低覆盖度、中覆盖度、高覆盖度四级并制作专题图，输出专题图。6 结果分析6.1 DNVI 值变化分析利用 ENV
21、I 软件分别计算出 2004 年和 2009 年龙岩市遥感影像的归一化植被指数 NDVI。将 2004NDVI减去 2009NDVI，得到龙岩市 2004 年和 2009 年的 NDVI 变化值，其代表的是 2004 年和 2009 年的龙岩市DN 值区域内植被变化情况。在 ENVI 转换格式并加载在 ArcGIS10.0 中，根据 DN 值分为 6 个范围，制作出NDVI 的专题图并输出，输出图如下图 6-1，图 6-2.图 6-1 2004 年 NDVI 分布图 图 6-2 2009 年 NDVI 分布图 应用 ENVI 软件对 2004、2009 的 NDVI 影像进行数据统计，得到 N
22、DVI 值统计表。把像元值分成-0.4-0.2，-0.20，00.2，0.20.4，0.40.6，0.60.8 六个范围，算出每个范围的像元个数和所占的百分比，并结合数据进行分析。下面为统计的表格 表 6-1 2004 年，2009 年 NDVI 值分级统计NDVI2004 NDVI2009 较 2004 年变化值DN 值范围Npts Pct Npts Pct Npts -0.4-0.2 1564 0.0040% 173 0.0004% -1391-0.20 17893562 45.8894% 17807917 45.6698% -85,64500.2 470094 1.2056% 91446
23、 0.2345% -37864860.20.4 2268037 5.8166% 1363013 9.7305% -905,0240.40.6 17485268 44.8423% 13245423 43.856% -42398450.608 874275 2.2421% 6484828 0.5088% 5610553整体来看，各区间都发生变化，有的区间在减少，有的区间在增加，各表示的情况不一样，从表 6-1中可以看出，像元个数 Npts 在灰度级 DN 值为-0.4-0.2 范围内 2 年所占比例都较小，所占百分比 Pct 均不超过 0.1%，比较两年的像元数变化在这区间的值有所减少，表明这些区
24、域的植被覆盖从 2004 年后开始好转。DN 值在-0.20 范围内所占的比例较大，分别为 45.8894%、45.6698%，变化值有所减少，表明在这个区域的植被在增加。DN 值在 00.6 范围内像元个数均减少，表明这些值区域范围内的植被在减少。DN值在 0.60.8 范围内的像元在增加，表明这值区域内的植被在增加。6.2 植被覆盖度变化分析在 ENVI 中计算出两年的植被覆盖度，把图像加载在 ArcGIS10.0 内进行分类分析。把数值分成四类，裸地，地覆盖度区域，中覆盖度区域，以及高覆盖度区域，并制作专题图，且输出专题图，专题图输出如下图 6-3，图 6-4 所示。 图 6-3 200
25、4 年植被覆盖度分布图 图 6-4 2009 年植被覆盖度分布图 从 2004 年和 2009 年的植被覆盖度分布图可以看出，长汀县的裸地和地植被覆盖地区减少，中度覆盖地区减少，高度覆盖区域增加，原来中度覆盖的地区转为高度覆盖区域，低覆盖地区转为中度覆盖。连城县的裸地、高度覆盖区域减少，转为中度覆盖，西北部的中度覆盖区域转为低度覆盖。武平县的植被覆盖整体较好，裸地和低覆盖区域很少，两年的对比来看，高度覆盖区域均增加，原来的中度覆盖转换为高度覆盖。上杭县的低覆盖区域增加，从中部往西由中度覆盖转为高度覆盖，中部往东由高度覆盖转为中度覆盖和低度覆盖。龙岩市高度覆盖区域大幅度较少，低覆盖区域大幅度增加
26、，高覆盖区域转为低覆盖和中覆盖。漳平市的高度覆盖区域增加，裸地和低覆盖区域减少，原来中度覆盖转为高度覆盖。永定县西部低覆盖地区增加很多，原中度和高度覆盖转为低覆盖区域。6.3 影响分析综合 NDVI 和植被覆盖分布图的分析，研究区域龙岩市的植被覆盖有些地区在增加也有些地区在减少，这主要是人为因素引起的。近年来，借助建设海峡西岸经济区的推动力，龙岩市的发展加快，规模扩大，对龙岩周围环境产生了至关重要的影响，从而导致龙岩市的植被减少。2004 年至 2009 年间，由于人们的环保意识的加强，封山育林，植树造林和政府实施的保护政策，使长汀县、武平县、漳平市的植被覆盖情况整体变好。虽然政府的宣传，国家
27、颁布政策，但有些地区为了经济的发展需要，大力征用农田和林7地建设工业园区，如连城工业园区、东肖开发区，没有意识到保护植被的重要性，连城县、龙岩市、上杭县、永定县比较注重经济的发展，而没有真正协调环境与经济发展，正是由于这些地区的疏忽导致这些地区的植被覆盖度下降。7 结论本文通过不同年份的 TM 遥感影像图进行处理，提取出植被指数，作出 NDVI 专题图，对 NDVI 值进行统计，把不同 DN 值分段做出统计表，比较 2004 年和 2009 年 DN 值变化，得出龙岩市植被在不同的 DN 值区域内植被变化有增加也有减少。在 NDVI 的基础上计算出植被覆盖度，并在 ArcGIS 里对植被覆盖度
28、进行分类，作出专题图，对比植被覆盖度的变化，得出整个龙岩市各县的植被变化。研究结果表明，龙岩市各县的植被覆盖情况不一样，长汀县、漳平市、武平县总体呈好转的趋势，连城县、上杭县、永定县、龙岩市植被覆盖在减少。此方法具有可推广性，不同时期的影像的处理，对影像得出的数据进行分析，可以进行直观的描述分析。参考文献1 苏琦, 杨凤海, 王明亮. 基于 TM 遥感数据的大庆市植被覆盖变化分析J. 国土资源科技管理, 2010, 27(2):109.2 陈云浩, 李晓兵, 陈晋, 等. 1983-1992 年中国陆地植被 NDVI 演变特征的变化矢量分析J. 遥感学报, 2002, 6(1):12-18.3
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