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基于GIS和遥感技术的植被覆盖度反演模型

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基于 GIS 遥感技术 植被 覆盖 反演 模型
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第 11卷 第 3期 北 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 11 32010年 6月 F N 2010文 章 编 号 : 100924822 (2010) 0320251204基 于 G 感 技 术 的 植 被 覆 盖 度 反 演 模 型陈 国 荣 1 ,刘 健 1, 2 ,施 聪 智 1 ,余 坤 勇 1 ,赖 光 辉 1(1. 福 建 农 林 大 学 林 学 院 ,福 建 福 州 350002; 2. 三 明 学 院 ,福 建 三 明 365000)摘 要 :从 福 建 省 第 5次 森 林 资 源 一 类 调 查 样 地 点 中 抽 取 落 在 漳 浦 县 区 域 的 30个 样 地 点 ,运 用 感 技 术 提取 研 究 区 植 被 指 数 (, g )和 地 形 因 子 作 为 自 变 量 ,利 用 三 倍 标 准 差 法 进 行 异 常 数 据 的 筛 选 ,并 将 定 性 因子 量 化 处 理 ,通 过 逐 步 回 归 分 析 方 法 构 建 研 究 区 的 植 被 盖 度 反 演 模 型 ,对 漳 浦 县 植 被 覆 盖 度 进 行 反 演 . 从 模 外 抽取 26个 样 地 点 对 模 型 进 行 精 度 验 证 . 结 果 表 明 :所 构 建 的 反 演 模 型 的 平 均 精 度 达 到 80. 96% ,对 于 快 速 、 精 确 地实 现 区 域 植 被 盖 度 反 演 具 有 一 定 的 指 导 意 义 词 : 感 技 术 ;植 被 覆 盖 度 ;逐 步 线 性 回 归中 图 分 类 号 : 4 文 献 标 志 码 : 日 期 : 2010201214基 金 项 目 :国 家 科 技 人 员 服 务 企 业 行 动 项 目 (2009;国 家 “ 十 一 · 五 ” 科 技 支 撑 计 划 项 目 (2006作 者 简 介 :陈 国 荣 (1981 - ) ,男 ,博 士 研 究 生 ,主 要 从 事 3 在 资 源 和 环 境 中 的 应 用 研 究 ;刘 健 (1963 - ) ,男 ,教 授 ,博 士 生 导 师 ,主 要 从 事 森 林 经 营 管 理 与 3 应 用 研 究 IS S L 2 , . 50002, . 65000, 0 of th an of of , g ) IS by p 6 of 0. 96% , is 覆 盖 度 可 定 义 为 单 位 面 积 内 植 被 的 垂 直 投 影 面 积 ,是 衡 量 地 表 植 被 覆 盖 水 平 的 一 个 最 重 要 的 指标 ,在 土 地 沙 漠 化 评 价 、 水 土 流 失 监 测 和 分 布 式 水 文 模 型 中 ,都 将 植 被 覆 盖 度 作 为 重 要 的 输 入 参 数 [ 1 ]. 植被 覆 盖 度 测 量 的 传 统 方 法 是 地 面 测 量 ,最 常 用 的 方 法 有 目 估 法 、 样 方 法 、 样 带 法 、 样 点 法 等 ,以 及 借 助 于 采样 仪 器 的 测 量 方 法 ,如 空 间 定 量 计 、 移 动 光 量 计 等 [ 2 ]. 这 些 方 法 虽 然 提 高 了 测 量 的 精 度 ,但 野 外 操 作 不 便 ,成 本 较 高 ,难 以 在 大 范 围 内 快 速 提 取 植 被 覆 盖 度 . 随 着 遥 感 技 术 的 发 展 ,可 以 从 多 时 相 、 多 波 段 遥 感 信 息 中提 取 地 表 植 被 覆 盖 状 况 ,为 大 面 积 提 取 植 被 覆 盖 度 提 供 了 强 有 力 的 手 段 [ 3 ]. 同 时 ,一 些 基 于 遥 感 技 术 的 表征 植 被 因 子 的 指 标 被 先 后 提 出 . 由 于 这 些 指 标 是 对 地 表 植 被 覆 盖 的 综 合 体 现 ,是 间 接 获 取 的 地 表 植 被 覆 盖度 信 息 ,因 此 不 能 直 接 用 于 植 被 状 况 监 测 中 ,还 需 对 其 进 行 实 地 校 验 ,建 立 遥 感 指 标 和 地 表 实 际 植 被 覆 盖度 信 息 的 转 换 关 系 [ 4 ]. 因 此 ,本 研 究 以 漳 浦 县 植 被 覆 盖 度 反 演 为 研 究 内 容 ,运 用 感 技 术 手 段 ,结 合一 类 调 查 资 料 ,利 用 三 倍 标 准 差 法 进 行 数 据 筛 选 ,通 过 逐 步 回 归 确 定 植 被 覆 盖 度 反 演 的 因 子 变 量 ,构 建 漳浦 县 植 被 覆 盖 度 反 演 模 型 究 区 概 况漳 浦 县 位 于 福 建 东 南 沿 海 南 端 ,北 纬 23° 32′ ~ 24° 06′、 东 经 117° 35′ ~ 117° 58′之 间 . 全 县 境 内 地 势 由 西北 向 东 南 倾 斜 ,西 北 部 为 低 山 丘 陵 ,东 南 部 面 海 . 漳 浦 县 属 于 南 亚 热 带 海 洋 性 季 风 气 候 ,全 年 平 均 气 温21 ℃ ,年 日 照 时 间 2 119 h,年 降 雨 量 1 500~ 1 800 亚 热 带 植 物 种 类 繁 多 齐 全 ,植 物 物 种 资 源 丰 富 . 土 地总 面 积 2 153. 3 其 中 ,耕 地 3. 85万 山 地 12. 1万 滩 涂 3. 41万 全 县 设 置 16个 镇 、 4个乡 、 11个 农 林 盐 茶 场 . 总 人 口 80. 4万 人 ,其 中 ,农 、 林 、 渔 业 人 口 72. 1万 人 ,农 村 劳 动 力 35. 1万 人 料 收 集收 集 2003年 漳 浦 县 (轨 道 号 为 119243, 120243)及 1 50 000 . 其 他 辅 助材 料 包 括 漳 浦 县 1 50 000地 形 图 和 2003年 福 建 省 第 5次 森 林 资 源 清 查 数 据 及 其 他 相 关 材 料 究 方 法3. 1 遥 感 图 像 处 理在 . 7软 件 平 台 上 对 遥 感 影 像 进 行 图 像 处 理 ,以 漳 浦 县 1 50 000的 地 形 图 为 参 考 ,对 遥 感 影像 进 行 几 何 校 正 ,校 正 后 的 影 像 总 体 误 差 为 0. 33个 像 元 . 随 后 根 据 漳 浦 县 的 行 政 区 域 图 建 立 ,裁 剪 出研 究 区 域 . 为 使 遥 感 影 像 中 的 目 标 地 物 更 容 易 识 别 ,对 裁 剪 后 的 影 像 图 进 行 图 像 增 强 处 理 2 植 被 覆 盖 度 与 植 被 指 数 之 间 的 关 系利 用 遥 感 信 息 计 算 植 被 覆 盖 度 是 通 过 建 立 遥 感 数 据 与 植 被 覆 盖 度 之 间 的 关 系 来 实 现 的 . 这 里 所 说 的遥 感 数 据 包 括 遥 感 数 据 的 光 谱 信 息 (波 段 或 者 是 波 段 的 组 合 )或 者 是 根 据 光 谱 信 息 计 算 出 的 植 被 指 数 [ 5 ] 式 多 样 的 植 被 指 数 中 ,归 一 化 植 被 指 数 ()因 其 可 从 遥 感 图 像 中 直 接 获 取 且 计 算 简 单 而 被 广 为 应用 ,并 且 常 作 为 参 考 ,用 来 评 价 基 于 遥 感 和 地 面 测 量 或 模 拟 的 新 植 被 指 数 . 对 后 的 影 像 而言 , 的 计 算 公 式 为 = ( - ) / ( + ) ,式 中 , 及 和 是 指 制 图 仪 的 第 3 (红 )波 段 和 第 4 (近 红 外 )亮 度 值 ,∈ [ - 1, 1 ] 6 ]分 析 了 植 被 光 谱 差 异 ,指 出 利 用 红 光 和 近 红 外 反 射 辐 射 值 计 算 推 算 植 被 覆 盖 度 不准 确 ,提 出 了 可 见 光 植 被 指 数 V ( R r ) / ( R r )和 抗 大 气 可 见 光 植 被 指 数 g = ( / (R r - ,经 过 模 拟 实 验 ,指 出 这 两 个 植 被 指 数 与 植 被 覆 盖 度 具 有 很 好 的 相 关 性 ,而 抗 大 气 可 见 光 植 被指 数 推 算 植 被 覆 盖 度 的 效 果 更 好 . 7遥 感 图 像 专 业 处 理 软 件 ,运 用 建 模 功 能 ,生 成 和 g 影 像 ,利 用 软 件 自 带 的转 换 工 具 ,按 照 一 类 清 查 数 据 中 30个 样 地 点 的 坐 标 提 取 和 g 影 像 上 相 应 位 置 的 数 据信 息 作 为 遥 感 数 据 的 基 本 数 据 源 3 地 形 因 子 提 取考 虑 到 植 被 特 征 受 地 形 、 气 候 的 影 响 很 大 ,而 遥 感 信 息 之 间 的 高 度 相 关 性 使 得 单 纯 利 用 遥 感 信 息 解 决专 题 问 题 的 结 果 具 有 不 确 定 性 或 多 解 性 ,因 此 结 合 地 形 因 子 (如 地 貌 类 型 、 坡 向 、 坡 度 等 ) ,借 助 ,使 更 多 的 信 息 直 接 参 与 建 立 回 归 方 程 ,有 助 于 提 高 反 演 的 精 度 . 本 研 究 采 用 漳 浦 县 1 50 000 ,利用 软 件 获 取 地 貌 类 型 、 坡 度 、 坡 向 等 地 形 因 子 信 息 ,并 根 据 福 建 省 森 林 资 源 连 续 清 查 操 作 细则 对 各 地 形 因 子 进 行 分 等 定 级 4 植 被 覆 盖 度 反 演 模 型 的 建 立3. 4. 1 定 性 因 子 的 量 化 处 理参 与 模 型 构 建 的 变 量 因 子 既 有 定 性 因 子 又 有 定 量 因 子 ,而 定 性 因 子 并 不 能 直 接 参 与 构 建 模 型 ,因 此 对海 拔 、 坡 度 、 坡 向 等 定 性 因 子 采 用 数 量 化 理 论 量 化 处 理 [ 7 ]. 首 先 将 定 性 变 量 划 分 类 目 、 类 型 及 编 码 ,见 表 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 11卷表 1 定 性 变 量 类 别 及 编 码1 C la of 编 码1 2 3 4 5 6海 拔 500 m (山 地 )坡 度 ≤ 5° (平 坦 ) 6° ~ 15° (缓 坡 ) 16° ~ 25° (斜 坡 ) 26° ~ 35° (急 坡 ) 36° ~ 45° (陡 坡 ) ≥ 46° (险 坡 )坡 向 阳 坡 阴 坡 平 坡根 据 所 提 取 的 样 地 数 据 按 表 1所 属 赋 予 相 应 的 分 值 (符 合 条 件 的 赋 值 为 1,其 余 为 0) ,建 立 相 应 的 反应 表 ,见 表 样 地 各 立 地 因 子 、 项 目 、 类 目 反 应 表2 of of d t in 阳 坡 阴 坡 平 坡 平 坦 缓 坡 斜 坡 急 坡 平 原 台 地 丘 陵 山 地1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 12 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 03 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 04 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 05 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 06 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0… … … … … … … … … … … …3. 4. 2 数 据 筛 选三 倍 标 准 差 法 可 以 快 速 、 准 确 地 剔 除 样 本 的 异 常 数 据 . 将 符 合 大 于 三 倍 标 准 偏 差 的 样 本 数 据 予 以 剔除 ,剩 余 的 样 本 数 据 用 于 构 建 植 被 覆 盖 度 反 演 模 型 程 拟 合利 用 数 学 统 计 软 件 样 地 调 查 的 植 被 覆 盖 度 值 为 因 变 量 ,植 被 指 数 、 海 拔 、 坡 度 、 坡 向 等 为 自 变量 ,采 用 逐 步 进 入 法 ,以 作 为 判 断 变 量 是 否 引 入 模 型 的 依 据 ,确 定 自 变 量 对 因 变 量 的 影 响 程 度 . 线性 回 归 模 型 提 取 出 的 变 量 见 表 3,模 型 综 述 见 表 线 性 回 归 模 型 提 取 出 的 变 量3 m 引 进 变 量 的 概 率 P 偏 相 关 系 数 共 线 性 统 计容 差 膨 胀 方 差1 g 0. 583 3. 801 0. 001 0. 583 1. 000 1. 0002 g 0. 498 3. 546 0. 001 0. 564 0. 954 1. 048海 拔 4 - 0. 398 - 2. 829 0. 009 - 0. 478 0. 954 1. 048表 4 模 型 综 述4 M 复 相 关系 数 R 判 定 系 数 系 数标 准 误 差解 释 变 量偏 判 定系 数 自 由 度 度检 验 的概 率 . 583 a 0. 340 0. 317 0. 272 39 0. 340 14. 450 1 28 0. 0012 0. 701 b 0. 491 0. 454 0. 243 61 0. 151 8. 006 1 27 0. 009从 表 4可 知 ,随 着 自 变 量 数 量 的 增 加 , 也 在 增 大 ,但 是 修 正 系 数 不 会 随 自 变 量 数 量 的 增 加而 增 大 ,估 计 标 准 误 不 会 随 自 变 量 数 量 的 增 加 而 减 少 ,反 而 会 因 为 多 余 的 自 变 量 加 大 了 模 型 的 估 计 标 准 误差 [ 8 ]. 由 此 可 知 ,以 g、 海 拔 为 自 变 量 拟 合 的 回 归 模 型 2线 性 关 系 较 好 1 方 差 分 析本 实 验 采 用 对 回 归 方 程 的 显 著 性 进 行 检 验 , 假 设 的 前 提 是 总 体 回 归 系 数 为 0或 常 数 项为 0. 通 过 表 5可 知 ,所 构 建 回 归 方 程 的 总 体 回 归 系 数 为 0或 常 数 项 为 0的 概 率 均 为 0,说 明 本 实 验 建 立 的模 型 较 好 地 拟 合 了 原 始 数 据 期 陈 国 荣 ,等 :基 于 感 技 术 的 植 被 覆 盖 度 反 演 模 型表 5 方 差 分 析5 平 方 和 自 由 度 差 概 率 归 1. 072 1 1. 072 14. 450 0. 001 2. 078 28 0. 074总 离 差 平 方 和 3. 150 292 回 归 1. 547 2 0. 774 13. 036 0 1. 602 27 0. 059总 离 差 平 方 和 3. 150 294. 2 模 型 的 建 立由 表 6可 知 ,模 型 中 的 常 数 项 、自 变 量 的 显 著 性 水 平 均 为 0,共 线 性诊 断 指 标 容 忍 度 、 膨 胀 方 差 因 子 均 接近 1,数 值 不 大 ,说 明 自 变 量 间 的 相 关性 较 弱 ,从 而 可 以 拒 绝 他 们 之 间 共 线性 的 假 设 . 根 据 上 述 分 析 ,本 研 究 所建 立 的 植 被 覆 盖 度 反 演 模 型 为 y =0. 413 + 0. 993g - 0. 305 × 海 拔 回 归 系 数 分 析6 of ic 非 标 准 化 偏 回 归 系 数偏 回 归系 数偏 回 归 系 数的 标 准 误标 准 化 偏回 归 系 数 概 率 归 系 数 的 95%置 信 区 间下 限 上 限共 线 性容 差 方 差 膨 胀1 常 数 0. 323 0. 060 5. 350 0 0. 199 0. 447g 1. 162 0. 306 0. 583 3. 801 0. 001 0. 536 1. 789 1. 000 1. 0002 常 数 0. 413 0. 063 6. 590 0 0. 285 0. 542g 0. 993 0. 280 0. 498 3. 546 0. 001 0. 418 1. 567 0. 954 1. 048海 拔 4 - 0. 305 0. 108 - 0. 398 - 2. 829 0. 009 - 0. 525 - 0. 084 0. 954 1. 048表 7 回 归 模 型 精 度 检 验 结 果7 of m /% > 90 80~ 90 70~ 80 60~ 70 50~ 60 < 50 平 均样 地 数 量 7 9 6 4 0 0比 例 /% 26. 92 34. 62 23. 08 15. 38 0 0 80. 964. 3 模 型 的 精 度 验 证为 了 检 验 植 被 覆 盖 度 反 演 模 型 的可 靠 性 ,从 模 外 抽 取 26个 样 地 点 ,提 取各 样 地 点 相 应 的 植 被 指 数 及 地 形 因 子信 息 ,代 入 所 构 建 的 植 被 覆 盖 度 反 演 模型 ,对 比 分 析 估 测 值 与 实 际 值 之 间 的 差 异 ,检 验 反 演 模 型 的 估 测 精 度 (精 度 = 1 - 实 测 值 - 估 测 值 /实 测 值 ) 7可 知 ,所 建 模 型 的 平 均 精 度 达 到 80. 96% ,其 中 估 测 精 度 达 到 70%以 上 的 样 地 点 数 量 为 22个 ,占 84. 62% 论 与 讨 论1)本 研 究 利 用 植 被 指 数 , g 结 合 地 形 因 子 ,将 地 学 信 息 引 入 回 归 方 程 ,构 建 了 植 被 覆 盖 度 反 演 模型 ,该 模 型 能 有 效 地 提 高 估 测 精 度 结 果 表 明 ,所 建 立 的 植 被 覆 盖 度 反 演 模 型 的 平 均 估 测 精 度 为 80. 96% 用 三 倍 标 准 差 法 可 以 快 速 、 准 确 地 筛 选 和 剔 除 异 常 数 据 ;逐 步 回 归 分 析 方 法 是 一 种 较 好 的 处 理变 量 因 子 数 量 的 方 法 ,可 以 较 好 地 保 证 模 型 估 测 精 度 研 究 利 用 , g 及 地 形 因 子 实 现 植 被 覆 盖 度 反 演 ,尽 管 已 将 水 体 掩 膜 ,但 是 山 体 阴 影 造 成的 像 元 灰 度 值 异 常 仍 对 反 演 精 度 产 生 一 定 程 度 的 影 响 ,因 此 ,如 何 减 少 山 体 阴 影 对 于 反 演 精 度 的 影 响 ,今后 将 做 进 一 步 的 探 讨 文 献 :[ 1 ] 李 苗 苗 ,吴 炳 方 ,颜 长 珍 ,等 . 密 云 水 库 上 游 植 被 覆 盖 度 的 遥 感 估 算 [ J ]. 资 源 科 学 , 2004, 26 (4) : 1532159.[ 2 ] 丁 艳 梅 ,张 继 贤 ,王 坚 ,等 的 植 被 覆 盖 度 反 演 [ J ]. 测 绘 科 学 , 2006, 31 (1) : 43245.[ 3 ] 陈 晋 ,陈 云 浩 ,何 春 阳 ,等 土 地 覆 盖 分 类 的 植 被 覆 盖 率 估 算 亚 像 元 模 型 与 应 用 [J ] 学 报 , 2001, 5 (6) : 4162422.[ 4 ] 刘 健 . 基 于 3 闽 江 流 域 生 态 公 益 林 体 系 高 效 空 间 配 置 研 究 [D ]. 北 京 :北 京 林 业 大 学 , 2006.[ 5 ] 孙 晓 娟 . 基 于 “ 3S” 技 术 的 区 域 林 业 生 态 工 程 空 间 配 置 的 研 究 [D ] 滨 :东 北 林 业 大 学 , 2003.[ 6 ] et s J ]2002, 80 (1) : 76287.[ 7 ] 高 文 韬 ,丁 伟 ,李 胜 ,等 山 林 区 天 然 过 伐 林 中 蒙 古 栎 适 生 立 地 研 究 [J ] 大 学 学 报 :自 然 科 学 版 , 2000, 1 (1) : 77281.[ 8 ] 余 坤 勇 ,林 芳 ,刘 健 ,等 . 基 于 江 流 域 马 尾 松 林 分 蓄 积 量 估 测 模 型 研 究 [ J ]. 福 建 林 业 科 技 , 2006, 33 (1) : 16220.【 责 任 编 辑 :郭 伟 】452 北 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 11卷
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