图像光谱特征和统计特征在水体信息提取中的应用研究解读.docx
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图像光谱特征和统计特征在水体信息提取中的应用研究解读
连芸等:
图像光谱特征和统计特征在水体信息提取中的应用研究
299
图像光谱特征和统计特征在水体信息提取中的应用研究
连
芸,宋传中,吴立坤,霍立新
(合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥230009)
摘要:
论文从图像光谱特征和统计特征的角度出发对三种常用水体遥感提取方法的原理做了简要分析。
结合实例一巢湖湖区的’1M数据,应用MNWDI,谱间关系法和主成分分析法实现了水体提取,对照实验结果,分析了误差产生的可能原因。
最后从结果的差异性说明了各种方法的适宜性。
关键词:
水体提取;光谱特征;统计特征
1
引言
遥感图像记录了地物在空间域、时间域、光谱的
2研究方法分析
2.1
基于光谱特征的水体面积提取
水的光谱特征主要是由水本身的物质组成决定
变化信息,利用地物的光谱能量特征差异性和结构特征差异性来识别地物信息是遥感应用的一个主要方面。
除广泛应用在多种地质现象解译方面,水体提取,水质监测,水域面积测算也是其中的一部分。
近年来,随着遥感科学的发展,遥感数据内容不断丰富,分辨率不断提高,为水体提取研究提供了有效、快捷的手段。
水体提取对于水资源调查、洪水灾害预测评估和环境监测等有着重要作用。
20世纪70年代起迅猛发展的卫星遥感技术,以其具有的宏观、快速和同步等优点,逐渐在大面积水体识别方面得到广泛应用。
目前利用遥感信息提取水体信息的方法主要有两种模式,一种是基于波段之间的相关性建立的数学模型,可分为单波段法和多波段法,单波段法主要选取遥感影像中的近红外波段并利用阈值来提取水体信息。
多波段法则主要利用多波段的优势综合提取水体信息,谱问关系法就是其中的一种。
另外一种模式就是基于图像统计特征,根据应用目的的不同对遥感图像执行光谱增强或辐射增强处理,以达到突出水体信息的目的。
本文是在总结前人研究的基础上,利用巢湖地区的TM数据对几种常用的方法进行检验,提取出影像范围内水体,对提取结果进行了简要分析,讨论了水体提取方法的适宜性。
的,同时又受到各种水状态的影响,在可见光波段0.5斗m之前,水的吸收少,反射率比较低,大量透射。
其中,水面反射率约5%左右,并随着太阳高度角的变化呈3%~10%不等的变化;水体可见光反射包括水表面反射,水体底部物质反射及水中悬浮物质(浮游生物或叶绿素,泥沙及其他物质)的反射三方
面的贡献。
对于清水,在蓝一绿光波段反射率4%~
5%,0.5“m以下的红光部分反射率降到2%一3%,在近红外,短波红外部分几乎吸收全部的入射能量,水体在这两个波段的反射能量很小。
在红外波段识别水体是较容易的。
2.1.1
归一化差异水体指数法——MNWDI…
MNWDI实质上是一种比值型指数方法,比值型指数方法的基本原理就是在多光谱波段内,寻找出所要研究地物类的最强反射波段和最弱反射波段。
将强者置于分子,弱者置于分母。
通过比值运算,进一步扩大二者的差距,使感兴趣的地物在所生成的指数影像上得到最大的亮度增强,而其他背景地物则受到普遍的抑制,从而达到突出感兴趣地物的目的。
由于水体的反射从可见光到红外波段逐渐减弱,在近红外和中红外波长范围内吸收性最强,几乎无反射,因此用可见光波段和红外波段的反差构成的比值可以突出影像中的水体信息。
MNWDI法是徐涵秋在综合考虑植
基金项目:
安徽省教研项目(JYXM2003089)和国家精品课程《构造地质学》共同资助
作者简介:
连芸(1978一),女,内蒙古自治区呼和浩特人,硕士,主要从事遥感地质方面应用研究工作。
300
fJ畦强地质丁作促进ft会经济和谐发展——2007年华东六齿一市地学科技论坛论文集
理中,可以用少数几十正叟的主成分作为新的数据通道.米代替帽共性较太的多个赋始渡段,从而起到降维嗣I敦据压缩的作用
被、土壤、建筑物郓水体的波谱特征眦及它们之M关
采的基础上挺出了以下的MNDWl指数:
MNDWI=(GREEN—MIR)/fGREEN+MIR)(I)
其巾REEN为绿光波段,直nTM/E3"M+的第2渡殷的值;
MIR为中红外渡段,如rM/ETM+的笨5波段的值,
2
1
3实例应用
3
2谱间茭系法‘
潜间关系洼屉基于一种逆向思维冉式米连行地物
J水体提取
蛮验的主《I=1的址驻证儿种打法zf所给用像水体
信息提取.从特定的罔像钥可进行特定地物识圳的思
维方式卫星传感器主要通过接收和汇求地球表喵厦
射.发射的电融波束获褂地表并I墼地物n勺信息…={i=备类地物州太阳光∞瞰收和反射的程度水同“丑地物结构,组成故物理化学性质的芷异.导致J7它¨I
提取的适宵程度.敞lI和J_M
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2001年10川l2日)
的嚣I引象上裁剪J,
卸分罔像进行处理藏竹总的
瓜州j亡引像光黯特征磬异下徙盂太样Ⅸ罔像是乜音
整个鬃湖湖同。
周也IIj体.^『’水uI,天然卓地、和
业筑物f属R电J的圯I搀点乜啦常仁寓的・帽影像
同时.为r彝宴表脚符种方法的优劣.睬r必要的几何橙正L上外.没有州『冬I像做其他处理奉次蛮骑足在ERDAS聊AGINE
(1
8
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Ii壁传感群Jj圯采n0电话披聘信窟也并寸:
丰H『剐衙
可址光和西红外波段水体与植祷城市秆Ij.壤光谱厦
射书的差异是利用谣感手段提取水体的基本瓤理,借问关系法提取水体也是基于谜一原理周成虎等人针对TM数据,较早地建立丁用f识别水体的谱间关系法,荩模型如F:
首先根据分析已有地物的遥感特征建立地物兜潜知识的疆媾信息模型,结台到图豫卜迸行地物光l诗分析、形卷结构分析、渊褴和修改模型参数_;{;={{:
宜验
是采用同成虎等人针对TM数据提出的用于让{别水体
4软件耳,境F进行的
l—
J应用MNWDI指数方法愿理,存ERDAS
MAGINE8
4的Interpreter/L]liIilies/OperatoB模块下
进行渡段的运算,然再利用最大似然法对图像进行非监督讣娄.提取结果如F[晕|:
的谱问黄系法.其模型如下:
下M2+TM3)TM4+TM5
f2)
其巾,’rM2.TM3.’rM4和TM5分别为TM数据第2、3、4飘『5通道的帆、
2
2基于图像统计特征的水体面积提取
图缘的统汁特征主要J互』世在它的纹理特征上细
小地物在影像l‘冉规律地重复出现,芒反姨r色捌盔
化的频率.纹理彤式很多.包括点、斑、格、垅、栅在这些形式f|勺基础L根据粗细、疏密宽窄、长
短、汽斜和隆显等条件迁‘-r冉螂仆为堕多的类型每种娄型的地物存影像L都有乖身的纹理Ⅲ案,罔此,|玎以从影像的这一特征嚣l别地物纹理反映的是亮度(般度)的空问壹化情况。
在水体的提取方面.可以
利J_I{遥感影像上水体的颜色,水作的轮廓等特征分析
水体柏辣浅,禽沙量“艘所岔物质帅不荆
董成分分忻(Pnncipal
comP0nenl…。
ly,is.
PCA)在数学上义称K—L变换n遥感应川领域,是以阿像的统计特性为基础,际去波段之川的多余信息.将具有槲关性的多波段数据压缩剑比娘波段更有
效的少数几个波段七,选到信息综台与增强的11的
∥乏翻
罔2利H{谱矧蔓系浊提舡的,K件
一
经生成分变换后的图像qT包含r比瓜始波段内容#富
的信息,起到特征增强作f}j;同叫,在多波段斟像处
融-
埕
芸等:
闭悔光浒特祉和统计特征在水体信息攫取中竹幢刚研究
30
(3)匈了准确提取水作信息,提岛提取的精度,
首先对TMI.TM2.TM3,TM4,TM5,TM7进行波段台成,然后埘影绿采用主喊静分析浩进秆光谱增
4结论
MNWDI指数法可以快速、准确地提取水体信息.硝其具有更加丰富的光谱信息,适宜于在植被区和城镇范同做术体提取,而且MNWDI指教法能探测到细
小的水体,可以用于水佴集检测:
强,增强矗c体特征后,冉栗用最^似然法进行非监督分类,提取水体信息.提取结果如下网:
谱同;∈_蒜磕较适宦于在光谱信息差异小的圈像上提取犬耐积水休,如在平原地K识别水体。
在高山和埴被覆盖面积大的Ⅸ域如果采用谱同戈系法就必须根据对提取的水体样本信息进行适当的分类.不断验证分类结果.以选到最佳效果。
主成分分析法增强了地物的波谱差异,适合于对同种类刖在进行细微区分.蜊如可以利用主成分分析
法区分台滟沙量不同的水体,以及探徊怵体表面藻类
的分布情况。
罔3利Ⅲ主成分骨折法提取的水体
3
2结皋分析
对麒巢湖地KE地利卅现状】i譬|,±^音寅地考察比
参考文献
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较J一面2幅水体提取图,可以看{{{:
【1)MNWDI指数往:
较大|蔓域水体提取效果褴好,并能把部分细小河流提取出来。
这是由于MDN—wT指数影像具有更丰富的信息.可以探测到许多水
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北京:
体的微细变化信息。
(2)谱问荚系浊:
较大区域水件提取效果很好.同时.谋挺情况较严重,嘲像的左E方和右方部分隧域是山体阴影+却误提为水怫,这是吲为谱州关系法没有消际地形差异的影响此外.陶像庄F角的云也被陧提为水体,说明这种方法对混合彖]÷的处理较差。
f
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漏提水体较多,细小河流
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鬟湖泥沙目趣盼种母撵讨【J】
蕈水没有提取出米同时印把巢湖的北筇水量较小且泥沙古壤轻高的区域从水蝽中仆离丁m去。
一打面说
明枉进行特征增强的同时.电在一定程度L对图像进
行rrK缩.丢失丁部分信息;男方面说明.在处理混合象元}『于,J二成分分析法也有待改进
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姗加IYoNAPPIJCATIoNOFmAGESPECTRI】M
FEAⅡ瓜ES甜巾STAⅡSⅡCFEA叭诹Es矾
ACQUISITIONOFWATERSINFORMATIONLIANYun,SONG(洲ofResourcesChuan-zhong,WULi—kun,HUOLi—xin、
andEnvironmental,暨iertceof魄触UniversityofTechno/ogy,nefa230009,China)
Abstract:
Thispaperbrieflyanalysedtheruleofthreecommonlyusedmethodsforacquiringwatersremotesensinginformationinviewofimagespectrumfeaturesandstatistic
Lakefeatures.WithanexampleofusingTMdatafromtheChaowater,MNWDI,inter—spectrumrelationmethodandmaincompositionanalysismethod,itachievedacquisition
reasonofthewaterinformationandanalysedthepossibleoferrorsbycomparingthetestresults,andfinallyexplained
thesuitabilityofeachmethodfromthedifferenceinresults.
KeyWords:
waterinformationextraction;spectrumfeatures;statisticfeatures
图像光谱特征和统计特征在水体信息提取中的应用研究
作者:
作者单位:
连芸,宋传中,吴立坤,霍立新合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥230009
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1.学位论文闫慧花溪地区河蚬壳体氧、碳同位素研究2009
双壳类生物其壳体在生长过程中记录了高分辨率的环境信息(年、季,甚至周),同时双壳类生物具有广泛的地理分布,在海洋和淡水生态系统中均有大量种类的存在并广泛地存在于古地层中,双壳类生物这些特点使其成为古气候古环境研究的理想对象。
现生壳体的就位研究就是对特定环境产物(壳体)的一些环境替代指标(碳、氧同位素、微量元素等)的环境意义的标定。
根据“将今论古”观点,这些认识不仅仅是对现生生物壳体本身的认识,其基本原理、基本关系都可以用于过去环境的重建。
因此可以说,对于现代生物壳体的相关研究是利用双壳类壳体化石识别和提取古气候环境信息的前提和基础。
然而人们对于双壳类的认识还十分有限,尤其是对现代生物壳体的就位分析研究还不是很多。
对壳体碳、氧同位素及各种微量元素的气候环境指示意义还存在很大争议,这严重阻碍了利用古生物壳体进行提取古气候环境信息。
我们对现代淡水双壳类生物河蚬(CorbiculaflumineaMuller,1774)进行了相关研究,取得了一些成果,获得了一些有意的结论,为利用古河蚬壳体,乃至其他双壳类壳体化石重建古气候古环境奠定了基础,扫除了一些障碍,它们主要包括:
1.河蚬壳体不同断面上碳、氧同位素的差异及其意义
通过对河蚬壳体不同断面上同位素的研究发现:
河蚬壳体碳同位素在同一生长环的不同位置不存在显著的差异,并使得壳体碳同位素变化序列在不同断面上同样不存在显著差异,因此在做碳同位素时间序列研究时可以不考虑不同断面差异的问题,而在取样过程中可以通过延长取样的长度来获得足够量的样品进行碳同位素的测定;河蚬壳体氧同位素在同一生长环不同位置上存在差异,而导致氧同位素变化序列在不同断面上也存在差异,因此在进行壳体就位分析研究时,选取不同断面上氧同位素变化序列对研究结果影响较大,存在壳体断面选择的问题。
而在取样过程中取样的长度应控制在一定范围内,避免同一生长环上距离较远位置粉末的混合。
壳体最大生长线的断面不仅方便取样分析和获得详细的信息,更重要的是其同位素记录的主要是水体环境信息,所以选取壳体最大生长线的断面进行壳体就位分析研究是合理的。
2.通过河蚬壳体高分辨率同位素组成与气候、环境参数定量对比研究明确了河蚬壳体碳、氧同位素所指示的气候环境意义
将河蚬壳体氧同位素测定值与理论计算平衡值进行对比研究,发现河蚬壳体与水体在氧同位素上达到平衡,但由于河蚬在冬季停止生长(T<17℃),壳体对冬季时期水体信息是没有记录的,总的来说河蚬壳体记录了5月-11月左右的水体信息。
河蚬壳体与水体在氧同位素上的平衡使得其成为夏季水体信息的良好替代指标。
壳体碳同位素值比预测平衡值偏负。
导致壳体碳同位素不平衡的原因主要有动力学分馏作用和新陈代谢作用。
动力学分馏发生在CO2的水化和氢氧化过程中,含有12C和16O的CO2比含有重同位素的CO2活跃,因此在壳体钙化过程中发生氧、碳同位素的同步分馏,可以造成18O约4‰和13C约10%。
~15‰的亏损,所以动力学分馏使壳体的δ180和δ13C成一定的正相关关系,并且这种分馏作用主要存在于快速成骨成壳生物中。
虽然壳体的碳、氧同位素显示出一定的正相关性,但是由于壳体氧同位素的平衡,表明动力学分馏作用不是壳体碳同位素偏负的主要原因。
新陈代谢作用主要是指壳体在形成中利用了呼吸作用产生的富集12C的CO2,其主要影响壳体的碳同位素,对氧同位素的影响很小甚至可以忽略。
本研究河蚬壳体碳同位素的偏负及所有壳体碳同位素时间序列均显示出随壳高增大而负向的变化表明新陈代谢作用的影响是壳体与水体之间碳同位素不平衡的主要因素。
壳体碳同位素的不平衡现象将导致直接利用其提取水体信息的不准确性。
因此能否以及如何将新陈代谢作用对壳体碳同位素的影响排除出去成为壳体碳同位素研究的焦点。
3.河蚬壳体形成中利用新陈代谢产生的二氧化碳比例的室内养殖研究
室内养殖实验发现:
随着养殖水体碳同位素的升高,养殖过程中形成的河蚬(样品A和样品B)其壳体碳同位素也随之升高,表明了δ13CDIC对壳体碳同位素的影响。
壳体碳同位素值比预测平衡值偏负,这主要是由于壳体在形成过程中新陈代谢作用产生的二氧化碳的参与造成的。
根据计算,壳体A在实验中沉淀部分壳体利用新陈代谢碳的比例(M值)为
24%~43%,平均值为33%;壳体B为33%~75%,平均值为58%。
M值随生物的生长呈下降变化,这与先前的一些研究认为M值随生物的生长呈升高变化并不一致,这说明在实验中河蚬主要是通过增加对DIC的吸收和利用来满足壳体对物质量增加的需求,而造成这种现象的原因可能是由于室内养殖环境变化情况与野外存在显著差异。
个体差异以及室内养殖条件与野外情况的区别使得无法将δ13Cmeta对壳体的影响分离出去,因此只有通过对大量野外河蚬个体进行研究才能判断出是否可以以及如何将新陈代谢作用对壳体碳同位素的影响排除。
4.花溪地区河蚬壳体利用新陈代谢产生的二氧化碳比例的研究
生物软体碳同位素(δ13Ctissues)可以用来替代生物新陈代谢作用产生的碳的同位素(δ13Cmeta)组成,因此对河蚬δ13Ctissue。
进行了相关研究。
花溪地区河蚬软体的个体样品与若干壳高接近的混合样品在有机碳同位素(δ13Ctissues)上差别很小,说明壳高大小接近的河蚬个体,软体有机碳同位素之间的差异很小,因此在进行相关研究中不需要对每一个河蚬个体都进行软体碳同位素的测定。
不同大小个体之间δ13Ctissues存在一定的差异,表现出随着壳高的增大,δ13Ctissues先降低后增高的变化趋势,可能表明河蚬在生长过程中其食性会发生一定的变化。
经过盐酸处理的样品与未处理的样品在δ13Ctissues上并未显示出显著的差异,这说明样品中无机碳酸盐岩的含量很低,因此对δ13Ctissues的测定影响很小,因此以后在处理相同样品时可以省去加盐酸这一步骤。
河蚬与河蚌在δ13Ctissues十分接近,而田螺与二者差异显著,这说明同为双壳类的河蚬和河蚌在食性上比较一致,并且与腹足类的田螺存在明显的不同。
河蚬壳体碳同位素组成与壳高显示出显著的负相关关系,这主要是由于生物新陈代谢作用的结果。
因此,壳体碳同位素组成与壳高之间负相关关系可以看做是碳同位素生命效应存在的一种指示剂。
花溪地区河蚬壳体利用新陈代谢碳的比例,M值变化范围为19.8%26.8%,平均值为22.6%±2.5,并且M值与壳高具有显著的正相关性,M=0.39H+17.36(n=18,R2=0.74),这与对很多野生壳体的研究结果是一致的。
不同物种之间以及同种生物在不同地区之间,M与壳高的回归方程是不同的,但就花溪地区而言,新陈代谢作用对壳体碳同位素组成的影响利用上述回归方程是可以去除的,从而实现利用古河蚬壳体提取古水体信息的目的。
因此利用现代壳体建立M与壳高之间的回归方程是利用古壳体化石提取水体信息的前提和基础。
5.壳体碳同位素对不同环境条件的记录的室内养殖研究
不同养殖水箱中(不同的饲养环境),河蚬壳体碳同位素组成存在较大差别,这种差别主要是由于喂养的食物在碳同位素组成(控制水体碳同位素)上存在较大差别造成的。
虽然壳体碳同位素组成记录的不是水体δ13CDIC绝对值的变化,但它反映了不同环境中水体信息的差异和变化趋势,因此壳体碳同位素可以用作δ13CDIC定性的替代指标,另外壳体碳同位素还可以用来区分来源不同的种群或个体,而这对于鉴定生物属种、判断来源和反演古环境都是十分有意义的。
实验中河蚬壳体与无机成因文石相比,碳同位素组成平均偏负6.16‰,证明了生物新陈代谢影响的存在,这一恒定分馏值的出现主要反映了实验中壳体样品数量和大小分布问题,而不能说明河蚬壳体碳同位素是水体δ13CDIC的定量替代指标。
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cdd3f0dd-4e11-453b-bc18-9e6b00b9b6d6
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2011年1月14日
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