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1、第55卷第19期2016年10月湖北农业科学Hubei Agricultural SciencesV0155 No190et2016基于Landsat5 TM的麻城杜鹃花光谱分析与波段选择罗代清1，黄勇奇2，王书珍2，方元平2，金卫斌1,2(1长江大学农学院，湖北荆州434000；2黄冈师范学院经济林木种质改良与资源利用湖北省重点实验室湖北黄冈438000)摘要：以2010年4月27日Landsat 5 TM影像数据为基础利用影像的光谱数据对麻城市杜鹃花进行了光谱特征分析，并运用均值、标准差和相关系数等指标定量分析了TM数据各波段间的特征，用最佳指数法(OIF)对各种波段组合进行了比较，确认3
2、45波段组合最适合麻城杜鹃花分布研究。研究结果可为进一步应用TM影像进行杜鹃花资源信息提取参考。关键词：杜鹃花(Rhododendron)；遥感；最佳指数法：波段组合中图分类号：Q9497223；TP79；$71854 文献标识码：A 文章编号：04398114(2016)19499104DOI：1014088jcnkiissn04398114201619023Spectral Signature Analysis and Band Selection of MachengRhododendron Based on Landsat5 TMLUO Daiqin91,HUANG Yongqi2,W
3、ANG Shuzhen2,FANG Yuan-pin92JIN Wei-binl2(1Agnculture College，Yangtze University，Jingzhou 434000，Hubei，China；2Hubei Key Laboratory of Economic Forest Germplasm Improvementand Resources Comprehensive Utilization，Huanggang Normal University，Huanggang 438000，Hubei，China)Abstract：Taking Landsat 5 TM dat
4、a on April 27，2010 in Macheng city as an example，the spectrum information and the cotrelation coefficient of each band were analyzedAfter calculating and sorting the OIF index of every band combination，it wasnoticed that band 3，4，5 combinations was the best band combination of the study on rhododend
5、ron distribution in MachengThe result can be applied to use of TM images for rhododendron resource information extractionKey words：Rhododendron；remote sensing：optimum index factor；band combination麻城杜鹃已经成为该地一个十分响亮的旅游名片加强对该地区杜鹃资源的分布研究意义重大。遥感影像以其宏观、及时的特点为植物资源分布的研究提供了重要工具。遥感影像分类信息提取技术是以地物波谱特征为基础来分析地物在遥感
6、图像中表现出的光谱特征差异，是遥感应用分析的基础2。要想较好地完成地物分类，就需要对目标地物的光谱特征有一定的了解。鉴于杜鹃花在4月中旬到5月上旬开花在遥感图像上可分性较好，本研究以Landsat 5 TM影像为数据来源对2010年4月27 13麻城市杜鹃花的光谱特征进行分析，希望找出判别该区域杜鹃花分布的最佳波段组合，为低成本、快速化研究杜鹃花的空间分布提供技术手段。1 数据来源与研究方法11 研究区域概况与数据来源麻城市位于湖北省东北部鄂豫皖三省交界的大收稿日期：2016-0127基金项目：国家自然科学基金项目(31500995)；经济林木种质改良与资源综合利用湖北省重点实验室开放基金重点
7、项目(2013001203)黄冈师范学院博士基金项目(2015002603)作者简介：罗代清(1990一)，男，湖北松滋人，在读硕士研究生，研究方向为农业地质与数字农业，(电话)15872102440(电子信箱)362591948qqcom；通信作者，金卫斌(1961一)，男，湖北洪湖人，教授，主要从事农业生态、农业生物统计教学与研究工作，f电话)13636062387(电子信箱)wbjinhgnuednen。万方数据4992 湖 北 农 业 科 学 2016正别山中段南麓。地理坐标为东经114。40 7115。28，北纬30028一31。36 7。麻城市属亚热带大陆性湿润季风气候江淮小气候区
8、。四季分明，冬冷夏热，雨热同季。年均气温130161 c|C，年平均降水量111121 6887 mmEl照2 153 h年无霜期250270 d。麻城市的龟峰山区山脉连绵，群峰突起，地势东北高、西南低是杜鹃分布最为集中的区域，连片面积达6 667 hm2。本研究以麻城市为研究区域以2010年4月27日的Landsat 5遥感影像数据为来源，结合实地考察结果对杜鹃花的光谱特征进行分析。12研究方法本研究所用的遥感数据是Landsat 5数据时相为2010年4月27日。数据在ENVI 51中进行处理。将Landsat 5数据进行辐射定标3。即把无意义的DN值转化为有意义的表观反射率或表观辐亮度其
9、中波段6自动舍去。然后将麻城市所在2副影像进行拼接操作再利用麻城市边界矢量图对影像进行裁剪。首先对图像进行一次非监督分类得到的结果和实地考察相印证合并后主要地物类型划分为普通植被、不透水地表(包括建筑用地、道路、岩石)、裸露土壤(包括了土壤、建筑物和泥沙中反射率较低部分以及除明显绿色植物和杜鹃花外不可分辨的其他有色植物)、水体和杜鹃集中分布区。对各种地物类型的光谱反射特征进行比较分析对不同地点的杜鹃区的光谱特征进行比较分析找出鉴别杜鹃分布区的最佳波段再进行最佳波段组合的判别。在多波段遥感数据应用中最佳波段选择是遥感数字图像解译和信息提取的重要基础。目前使用最广泛的是最佳指数法51。其原理是：图
10、像数据的标准差越大，所包含的信息也越多：而波段的相关系数越小波段问的独立性越高。信息冗余度也越小。这里的最佳指数计算公式为：3 3otF=Ys,YIRFl=l 仁1式中，Si为第i个波段的标准差，R口为i两波段的相关系数。对N波段图像数据，计算其相关系数矩阵再对所有可能的三波段组合分别求出其最佳指数，OF值越大说明组合越佳。2结果与分析在ENVI 51中打开处理后的影像图“20100427dat”，在Data Manager内设置成R5、G4、B3的组合，杜鹃花清晰明了。使用Spectral Profile功能即可查看图像上点的值在此处处理后为表观反射率。21 不同地物的反射特征比较用Spec
11、tral Profile功能分别在不同地物上取点将不同地物在不同波段上的反射率表示在图1中。由图1可以看出不同地物的反射光谱曲线明显不同。不透水地表和裸露土壤的反射率在各个波段都是高于其他地物类型的。植被区、水体区、杜鹃花区的反射率在不同波段的表现完全不同在波长小于660 n1TI(波段l、2、3)时，反射率从高到低的顺序是水体、植被、杜鹃花，在波长为840。1 676 nm(波段4、5)的范围内变化剧烈，超过波段5以后的反射率顺序完全颠倒过来了即从高到低的排列是杜鹃、植被、水体。随着波长的增加，各种地物的反射率基本上都是在波段4附近达到最高值然后开始下降除不透水地表外都到波段7附近达到极低值
12、。具体的反射率数据见表1。波t,：mn图1 不同地物的光谱反射曲线表l不同地物的光谱反射率地物 波段1 波段2波段3波段4波段5波段7不透水地表0246 0268 0268 0310 0290 0299裸露土壤0171 0180 0181 O261 0228 O190植被0142 0140 0120 0255 0156 0094水体0152 O148 0129 0152 0162 O076杜鹃花0133 0128 01 18 0197 0100 012122不同点的杜鹃及植被反射特征比较又在杜鹃花和植被处选取若干点将杜鹃花每个点的反射曲线列在图2中植被的反射曲线列在图3。由图2可知，不同地点的
13、杜鹃花的反射率是有差异的，但在不同波段上表现出的变化规律基本上是一致的。因此，识别杜鹃花的最好方法是依据对不同波段响应的变化规律，而不是只看反射率的高低。图3显示的植被反射曲线也表明在不同地点的植被反射率是有差异的，但是对不同波段的响应却是基本一致的。因此，识别植被的最好方法也是襄壤地化土水鹃陂怵露透万方数据第19期 罗代清等：基于Land。at5 TM的麻城杜鹃花光谱分析与波段选择4993主要依据不同波段的反射率变化规律综合分析图13，植被、水体、杜鹃花、不透水地表、裸露土壤5种地物之间具有可分性其中水体在各个波段均表现出较低值，最容易区分：植被相对于不透水地表和裸露土壤，各波段值相对较低且
14、在波段4变化最为剧烈也很容易区分：杜鹃花与植被之间多有重合。但在波段4波峰处植物较杜鹃花更为陡峭，区分它们较为理想的波段就是波段4。波i111cin图2不同点杜鹃花的光谱反应比较坡：LLlll图3不同点植被的光谱反应比较23识别杜鹃集中分布区的最佳波段组合在ENVl51中打开Landsat 5 TM影像“20010427dat”使用Compute Statistics功能计算图像的特征值和相关系数。表2列出了各个波段的反射率统计特征值。波段4的标准差最大为0126 1其次为波段5标准差为0088 6然后依次为波段1波段2波段3波段7。标准差越大，所含信息量越丰富，波段的信息量越大，图像的颜色越
15、丰富，层次越分明，有利于E1表2各波段特征值视判读。分析表3中波段间的相关系数可初步看出波段4的各个相关系数都不大因此在识别不同地物时，波段4应为首选波段；波段1、波段2、波段3为可见光波段为了获得较好的目视效果必须选一个6，相对而言波段3与波段4相关系数较小为0982 459，可暂时确定选择波段3：两个远红外波段波段5与波段7与波段4独立性较好的是波段7。且波段7与其他波段问的相关系数中波段5较优而波段5本身的信息量又最为丰富由此分析，较好的波段组合为波段3、波段4、波段7和波段3、波段4、波段5。表3波段问的相关系数矩阵波段号 1 2 3 4l 1000 0002 0999 364 100
16、0 0003 0997 393 0998 538 1000 0004 0987 763 0987“5 0980 459 1000 0005 O991 019 0992 065 0991 214 0，986 95l 1000 0007 0983 899 0986 410 0990 135 0969 021 0994 049 1000 000带入OIF公式计算20种组合的OIF，如表4。表4各波段组合的。邛指数从OIF指数顺序来看排在前5位的分别是145、245、345、124、134波段组合。从前面的分析可知，波段4、波段3必选，为了反映电磁波各波段的特征，再增加一个短波红外，从上面的排位看，前
17、5万方数据4994 湖 北 农 业 科 学 2016年位的短波红外只有波段5。由此得出麻城龟峰山地区土地分类的最佳波段组合为345波段组合。鉴于波段4最能体现出“植被”和“杜鹃花”与其他地物的区别而波段5则是“植被”和“杜鹃花”之间的区别波段所以波段345的组合是最能区分出杜鹃花的波段组合。3小结与讨论本研究以麻城市为例综合考虑了地物光谱曲线和OIF指数得出了提取杜鹃花信息的最佳波段组合方案为后期的处理分析提供了有力的技术支持。通过对地物光谱特征、单波段信息量、相关系数矩阵、OIF指数的分析得出以下结论：本研究所用数据中第四波段信息量最大，相关研究也表明了TM影像一般也是第四波段或者第五波段数
18、据量最大。OIF计算简单所需参数为各波段数据的标准差和波段间相关系数较为容易获取，本次研究中OIF值最高的为145波段组合，其次为245、345波段组合。综合考虑地物光谱特征曲线和OIF值发现最有利于杜鹃花信息提取的波段组合应该是345波段组合，这与文献12的研究相符合。表明由一个可见光波段、一个中红外波段及第四波段组合而成的彩色合成图像一般具有最丰富的地物信息其中又以345或者541波段组合为最佳。在文献13的研究中，笔者采取以龟峰山地区为训练样本的方法用6个波段的数据对黄冈市的杜鹃分布进行了研究研究结果显得比较粗糙。下一步将会利用本研究结果对麻城及整个大别山区的野生杜鹃花资源进行更加细致的
19、研究。参考文献：1韩丽君土地利用分类中TM影像最佳波段组合选择研究J太原师范学院学报，2010，9(1)：126129f21邓旺华竹林地面光谱特征及遥感信息提取方法研究以福建省顺昌县为例D北京：中国林业科学研究院，20093池宏康，周广胜，许振柱，等表观反射率及其在植被遥感中的应用J植物生态学报，2005，29(1)：7480f4年波，杨士剑王金亮植被遥感信息提取的最佳波段选择一以云岭中部山区为例J。云南地理环境研究，2004，16(2)：1821f5赵新振基于遥感的矿区植被恢复方法的调差研究D郑州：河南农业大学20086戴昌达，雷莉萍TM图像的光谱信息特征与最佳波段组合J环境遥感。1989，
20、4(4)：2822927郭娜TM遥感影像植被信息提取的最佳波段组合选择J福建师范大学学报(自然科学版)2012，28(1)：1031078金宝石TM影像在湖泊湿地信息提取中的最佳波段组合J光谱实验室，2012，29(6)：377137749武文波一种基于地物波谱特征的最佳波段组合选取方法J测绘工程，2007，16(6)：222410官凤英基于ETM+影像竹林信息提取的最佳波段组合研究J竹子研究汇刊，2009，28(3)：101311荆耀栋LANDSAT数据在沙地动态监测中提取沙地信息的最佳波段组合研究J中国农学通报，2011，27(17)：14715012李石华多光谱遥感数据最佳波段选择方法试
21、验研究J云南地理环境研究，200511(6)：172113黄勇奇，罗代清，王云JII，等基于遥感与地理信息系统的黄冈市野生杜鹃花空间分布研究J湖北农业科学，2015，54(22)：56375640+-+一+-+-+*+一+-+-+-+-+-+-+一+-一+-一+一一+_一。卜一十一十-卜-卜-卜-+一+-+一+-+-+一+一+-+-+一+一+一+一+-+*+一+一+一+-+-+一+(上接第4922页)21胡江玲干旱区内陆河流域土地利用变化及其对土壤质量的影响研究以新疆精河流域为例fDl上海：华东师范大学200722黄 青塔里木河中游景观格局与生态水文过程的耦合分析J干旱区资源与环境，2008，
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23、展，2007，26(3)：卜1028王根绪程国栋干旱荒漠绿洲景观空间格局及其受水资源条件的影响分析J生态学报，2000，20(3)：364368f291赵 霏，郭逍宇，赵文吉。等城市河岸带土地利用和景观格局变化的生态环境效应研究以北京市典型再生水补水河流河岸带为例J湿地科学，2013，ll(1)：10010730程国栋，肖笃宁，王根绪论干旱区景观生态特征与景观生态建设J地球科学进展，1999，14(1)：ll15f31孙本国，毛炜峄，冯燕茹，等叶尔羌河流域气温、降水及径流变化特征分析J干旱区研究，2006，23(2)：20320932张秋菊，傅伯杰，陈利顶关于景观格局演变研究的几个问题J地理科学，2003，23(3)：26427033邓铭江，蔡建元董新光等干旱地区内陆河流域水文问题的研究实践与展望J水文，2004，24(3)：182434周聿超新疆河流水文水资源M乌鲁木齐：新疆科技卫生出版社199735张钰，刘桂民，马海燕，等黑河流域土地利用与覆被变化特征J冰川冻土，2004，26(6)：740746万方数据