專利名稱：一種多尺度不透水地表信息協(xié)同遙感反演方法
一種多尺度不透水地表信息協(xié)同遙感反演方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于城市規(guī)劃行業(yè)應(yīng)用的遙感信息技術(shù)領(lǐng)域，適合城市土地利用規(guī)劃及城市環(huán)境規(guī)劃方面的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
改革開放以來(lái)，中國(guó)經(jīng)歷了快速的城市增長(zhǎng)過程。隨著城市化速度加快，城市不透水面積的增加，使得城市暴雨積水現(xiàn)象近年頻頻發(fā)生。由于表面多數(shù)覆蓋著無(wú)法滲水的混凝土、浙青，很難吸收地表面的積水，使雨水不能直接從地表滲入地下，增加了地表徑流，從而導(dǎo)致大量積水，造成嚴(yán)重的交通阻塞，對(duì)城市財(cái)產(chǎn)損失產(chǎn)生嚴(yán)重影響、甚至出現(xiàn)人員傷亡現(xiàn)象。如在北京、廣州、武漢等特大2011年出現(xiàn)多次嚴(yán)重的城市洪水災(zāi)害現(xiàn)象，這與不透水地表的快速增長(zhǎng)密切相關(guān)。
不透水地表遙感反演空間信息在土地利用規(guī)劃、人口分布評(píng)價(jià)、城市規(guī)劃以及流域污染防治方面具有廣泛應(yīng)用前景，對(duì)于城市環(huán)境規(guī)劃與治理具有重要的參考價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGQ應(yīng)用Landsat TM遙感影像研發(fā)了國(guó)家尺度30m高分辨率不透水地表數(shù)據(jù)集。不透水地表空間信息提取方法，如逐像元分類、亞像元分類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、回歸樹模型等新興的方法不斷發(fā)展。而在我國(guó)屬于剛起步階段，不透水地表指標(biāo)在城市規(guī)劃管理方面逐漸受到重視。
中國(guó)專利公布了一種城區(qū)地面不透水性程度分析制圖方法(專利號(hào) 200810227005，
公開日2009年4月8日)，具體實(shí)施步驟，第一次分割選擇好的城區(qū)多光譜遙感影像，對(duì)生成的影像對(duì)象層進(jìn)行面向?qū)ο蟮姆诸?，再在分類的層上?zhí)行基于分類的融合而獲得城區(qū)與非城區(qū)分布范圍的影像對(duì)象層；第二次分割該遙感影像獲得表示城區(qū)完全不透水性地面獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元的影像對(duì)象層，對(duì)該層進(jìn)行面向?qū)ο蟮姆诸?；第三次分割該遙感影像獲得表示城區(qū)不同地塊的影像對(duì)象層，結(jié)合第一次和第二次影像分割對(duì)象層分類的特征信息對(duì)該層進(jìn)行面向?qū)ο蟮姆诸?，把城區(qū)地塊按不透水性程度的大小進(jìn)行分類；輸出對(duì)第三次分割的影像對(duì)象層分類后的結(jié)果圖即獲得城區(qū)地塊按不透水性程度大小分類的結(jié)果圖。
城市用地構(gòu)成復(fù)雜，不透水地表一般由屋頂、道路、廣場(chǎng)等組成。在進(jìn)行大區(qū)域不透水地表制圖時(shí)，M0DIS,Landsat TM等相對(duì)低分辨率的遙感圖像獲取的不透水地表空間信息由于城市內(nèi)各種復(fù)雜地物造成的混合象元問題；城市外圍待開發(fā)的裸地、收獲后的農(nóng)田等用地常與不透水地表光譜混繞，容易錯(cuò)誤地分為不透水地表信息，造成提取的信息略有擴(kuò)大。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種不透水地表遙感信息多尺度協(xié)同反演方法，通過高分辨率圖像獲取的城市邊界信息的鑲嵌與高分辨率遙感信息的回歸校正，可以有效地克服混合像元與城市周邊用地的錯(cuò)分問題，大大地提高不透水地表遙感反演的精度。
本發(fā)明的目的是通過高低分辨率遙感信息的配合使用，提高不透水地表空間信息提取的精度，解決了依靠單一影像產(chǎn)生的嚴(yán)重錯(cuò)分問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種多尺度不透水地表信息協(xié)同遙感反演方法，其步驟如下
(1)高低分辨率遙感影像空間精糾正與配準(zhǔn)
(Ia)根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)與具體需求，選擇高分辨率遙感圖像QuiclibirdO. 61米或 SP0T5彩色與全色波段合成2. 5米，相對(duì)低的分辨率遙感圖像M0DIS250米或Landsat TM30 米各1種；
(Ib)構(gòu)建1 10萬(wàn)城市基礎(chǔ)地理空間糾正網(wǎng)格或采集GPS空間定位信息；
(Ic)對(duì)高、低分辨率遙感圖像進(jìn)行精糾正，并實(shí)現(xiàn)空間配準(zhǔn)；
(2)多尺度不透水地表遙感信息提取
(2a)根據(jù)構(gòu)建的城市基礎(chǔ)地理空間網(wǎng)格，均勻分布隨機(jī)選擇一定數(shù)量樣本，從 Google earth下載其高分辨率Quiclcbird圖像或獲取SP0T5彩色與全色波段合成2. 5米圖像；
(2b)應(yīng)用人工數(shù)字化方法對(duì)高分辨率遙感圖像QuiclibirdO. 61米或SP0T5彩色與全色波段合成2. 5米進(jìn)行矢量信息的提取，統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格高分辨率遙感信息獲取的不透水地表面積比例；
(2c)相對(duì)低的分辨率遙感圖像M0DIS250米或Landsat TM30米采用混合像元分解方法提取不透水地表面積比例空間信息；
(3)不透水地表多尺度回歸與協(xié)同反演
(3a)根據(jù)高分辨率遙感圖像獲取的不透水地表信息與相對(duì)低分辨率遙感圖像獲得的信息在像元尺度建立回歸模型，即從高分辨率遙感圖像獲取的不透水地表信息樣本數(shù)據(jù)出發(fā)，確定不透水地表比例變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，對(duì)相對(duì)低分辨率遙感圖像獲得不透水地表比例與人工數(shù)字化解譯的樣本提取的不透水地表真實(shí)值回歸參數(shù)進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，進(jìn)而從關(guān)系參數(shù)取值來(lái)預(yù)測(cè)或控制相對(duì)低分辨率遙感圖像信息取值，并給出這種預(yù)測(cè)或控制的精確程度。
(3b)根據(jù)建立的像元尺度回歸模型，對(duì)相對(duì)低分辨率獲取的不透水地表遙感信息進(jìn)行空間地圖運(yùn)算，獲取最終反演得不透水地表遙感信息；
(4)基于Landsat TM獲取的城鄉(xiāng)建設(shè)用地邊界信息與上述獲取的不透水地表遙感信息進(jìn)行嵌入(Overlay)，將Landsat TM作為掩碼Mask，重新運(yùn)算不透水地表遙感信息。
本項(xiàng)發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有一定的先進(jìn)性與較強(qiáng)的實(shí)用性，高分辨率 Googleearth圖像、M0DIS250m遙感圖像以及Landsat TM遙感圖像均可以免費(fèi)下載，該方法可以根據(jù)應(yīng)用目的與要求，靈活選擇數(shù)據(jù)源，而且可以實(shí)現(xiàn)大尺度(區(qū)域、城市群、全國(guó))不透水地表空間信息的遙感反演。


圖1不透水地表遙感信息多尺度協(xié)同反演技術(shù)流程圖2京津唐城市群2000年不透水地表遙感反演結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明不透水地表信息多尺度協(xié)同遙感反演方法可通過以下實(shí)施例進(jìn)行說明
在京津唐城市群開展不透水地表遙感信息提取試驗(yàn)，根據(jù)MODIS NDVI與 DMSP-OLS遙感信息，獲取城鄉(xiāng)建設(shè)用地不透水地表指數(shù)。進(jìn)而嵌入人工數(shù)字化解譯的城鄉(xiāng)建設(shè)用地高精度空間信息，實(shí)現(xiàn)與中國(guó)土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)同期動(dòng)態(tài)更新的城鄉(xiāng)建設(shè)用地不透水地表信息提取，實(shí)現(xiàn)技術(shù)流程見圖1，具體步驟如下
(1)在GIS的支持下建立京津唐城市群1 10萬(wàn)控制網(wǎng)以及覆蓋研究區(qū)250m空間網(wǎng)格并進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換生成具有統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)的城市基礎(chǔ)地理空間定位系統(tǒng)。
(2)應(yīng)用基于2000年Landsat TM獲取的中國(guó)土地利用/覆蓋現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)，提取城鄉(xiāng)建設(shè)用地類型(包括城市、農(nóng)村與獨(dú)立工礦用地)，對(duì)其獨(dú)立工礦用地中鹽田等水域部分進(jìn)行剔除，然后生成250X 250m空間柵格數(shù)據(jù)集。
(3)下載2000年MODIS NDVI與DMSP-0LS分別來(lái)源于USGS與美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(N⑶C)。應(yīng)用2000年MODIS NDVI 16天250米數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接并提取4_10月份最大值；DMSP-OLS Ikm進(jìn)行重采樣為250 X 250m空間分辨率數(shù)據(jù)。具體公式如下「副 ISA -NDVI^) ^OLSnorpn (1- OLSnor) + NDVI- + OLSnor χ NDVImax
式中ISAph為初步計(jì)算的不透水地表指數(shù)，NDVImax為MODIS歸一化植被指數(shù) (NDVI)4-10月份最大值，OLSnor為歸一化燈光指數(shù)(0-1)。
(4)在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇203個(gè)采樣點(diǎn)將初步計(jì)算的不透水地表指數(shù)與航空影像和SPOT影像人工數(shù)字化解譯的樣本提取的不透水地表真實(shí)值進(jìn)行回歸參數(shù)校正，具體公式如下
ISAcal = 0. 657+0. 241 X In (ISApri) (2)
式中ISA。al為校正后的不透水地表指數(shù)。
(5)不透水地表指城鄉(xiāng)不透水地表，具體包括城市、農(nóng)村與獨(dú)立工礦用地(去除水域部分)，通過校正后的不透水地表指數(shù)與城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間信息進(jìn)行地圖代數(shù)運(yùn)算求交集產(chǎn)生，具體公式如下
ISAindex = ISAcal Π URfflas k (3)
式中ISAindex為最終計(jì)算的不透水地表指數(shù)，為250X250m網(wǎng)格不透水成份比例數(shù)據(jù)(0-100% ) ；URmask為250X 250m城鄉(xiāng)建設(shè)用地掩碼。
(6)不透水地表精度驗(yàn)證采用城市-鄉(xiāng)村梯度帶隨機(jī)采樣206個(gè)樣本點(diǎn)，對(duì)每個(gè)樣本點(diǎn)選擇3 X 3像元窗口作為精度評(píng)價(jià)單元。將航空像片與SP0T5 (彩色和全色波段合成 2. 5m)進(jìn)行準(zhǔn)確的空間定位，對(duì)網(wǎng)格內(nèi)不透水信息數(shù)字化交互解譯，進(jìn)行精度驗(yàn)證與精度評(píng)價(jià)。由于嵌入人機(jī)交互判讀的城市LUCC信息，城鄉(xiāng)用地判讀準(zhǔn)確率在95%以上，不透水比例誤差幅度在15 %以內(nèi)，而且80 %的網(wǎng)格誤差幅度控制在5 %以內(nèi)，滿足區(qū)域尺度不透水地表評(píng)估精度要求。
權(quán)利要求
1.一種多尺度不透水地表遙感信息協(xié)同反演方法，其特征在于包括以下步驟(1)高低分辨率遙感影像空間精糾正與配準(zhǔn)(Ia)根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)與具體需求，選擇高分辨率遙感圖像QuidcbirdO. 61米或SP0T5彩色與全色波段合成2. 5米，相對(duì)低的分辨率遙感圖像M0DIS250米或Landsat TM30米各1 種；(Ib)構(gòu)建1 10萬(wàn)城市基礎(chǔ)地理空間糾正網(wǎng)格或采集GPS空間定位信息；(2)多尺度不透水地表遙感信息提取(2a)根據(jù)建立的城市基礎(chǔ)地理空間網(wǎng)格，對(duì)高分辨率遙感圖像進(jìn)行局部采樣；(2b)應(yīng)用人工數(shù)字化方法對(duì)高分辨率遙感圖像進(jìn)行矢量信息的提取，統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格高分辨率遙感信息獲取的不透水地表面積比例；(2c)相對(duì)低的分辨率遙感圖像M0DIS250米或Landsat TM30米采用混合像元分解方法提取不透水地表面積比例空間信息；(3)不透水地表多尺度回歸與協(xié)同反演(3a)根據(jù)高分辨率遙感圖像獲取的不透水地表信息與相對(duì)低分辨率遙感圖像獲得的信息在像元尺度建立回歸模型，即從高分辨率遙感圖像獲取的不透水地表信息樣本數(shù)據(jù)， 確定不透水地表比例變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，對(duì)這些關(guān)系式的可信程度進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，進(jìn)而從關(guān)系參數(shù)取值來(lái)預(yù)測(cè)或控制相對(duì)低分辨率遙感圖像信息取值，并給出這種預(yù)測(cè)或控制的精確程度。(3b)根據(jù)建立的回歸模型，對(duì)相對(duì)低分辨率獲取的不透水地表遙感信息進(jìn)行空間地圖運(yùn)算，獲取最終反演得不透水地表遙感信息；(4)基于LandsatTM獲取的城鄉(xiāng)建設(shè)用地邊界信息與上述獲取的不透水地表遙感信息進(jìn)行嵌入(Overlay)，將Landsat TM作為掩碼Mask，重新運(yùn)算不透水地表遙感信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多尺度不透水地表遙感信息協(xié)同反演方法，所述的高分辨率遙感圖像獲取的不透水地表信息與相對(duì)低分辨率遙感圖像獲得的信息在像元尺度建立回歸模型，其特征在于ISAeal = a+b X In (ISApri)；式中ISA。al為校正后的不透水地表指數(shù)；a為不透水地表精度驗(yàn)證評(píng)價(jià)指數(shù)，取值為 0-100%;b為局部采樣數(shù)字化高分辨率不透水地表信息面積比例，取值為0-100%;ISAph為初步計(jì)算的不透水地表指數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多尺度不透水地表遙感信息協(xié)同反演方法，所述步驟 (4)中城鄉(xiāng)建設(shè)用地邊界信息與上述獲取的不透水地表遙感信息進(jìn)行嵌入(Overlay)，其特征在于 ISAindex = ISAcal Π URfflas k ；式中=ISAinte為最終計(jì)算的不透水地表指數(shù)，為WOXWOm網(wǎng)格不透水成份比例數(shù)據(jù)， 取值為0-100 % ； ISAcal為校正后的不透水地表指數(shù)；URmask為250 X 250m城鄉(xiāng)建設(shè)用地掩碼。
全文摘要
一種多尺度不透水地表遙感信息協(xié)同反演方法，通過高分辨率遙感圖像獲得的采樣信息應(yīng)用回歸模型，以及由高分辨率獲取的城鄉(xiāng)建設(shè)用地信息的嵌入，來(lái)改善相對(duì)較低分辨率遙感圖像反演的信息，實(shí)現(xiàn)不透水地表遙感信息的多尺度協(xié)同反演，有效地提高不透水地表遙感反演的精度。具體包括多尺度遙感信息的空間配準(zhǔn)，不透水地表的多源信息的嵌入，不透水地表多尺度回歸與協(xié)同反演。本發(fā)明可以有效地提高不透水地表空間信息遙感反演的精度，對(duì)于城市規(guī)劃管理、城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01S17/89GK102495412SQ201110380230
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者匡文慧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所