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利用高分辨率影像計算城市綠地覆蓋率
【摘 要】 計算城市的綠地覆蓋率是一項繁瑣的工作。高分辨率影像的出現，給這項工作提供了便捷的途徑。本文以高分辨率影像為基礎，結合道路和水系矢量數據，利用ecognition分類(lèi)軟件完成綠地的提取，并計算出綠地覆蓋率。
【關(guān)鍵詞】 綠地覆蓋率 高分辨率影像 影像分類(lèi)
1、引言
綠化建設是一個(gè)城市建設的重要工作，城市綠地覆蓋率是衡量一個(gè)城市綠化程度的最主要的指標，那么如何來(lái)計算一個(gè)城市的綠地覆蓋率呢？從方法上看，只要能夠知道城市范圍以及該范圍內的綠地面積，綠地覆蓋率的結果就可以非常簡(jiǎn)單地計算出來(lái)，問(wèn)題的關(guān)鍵就在于綠地面積的獲取。一般的作法是通過(guò)人員在實(shí)地調繪出綠地的范圍，然后在地圖上量算出綠地面積。由于計算的范圍一般都會(huì )非常大，如果所有的綠地都是通過(guò)調繪來(lái)確定范圍，那就需要花費大量的和時(shí)間，實(shí)際的工作中，通常是將城市劃分為不同的區域，每個(gè)區域再取不同的樣點(diǎn)，利用樣點(diǎn)數據計算的綠地面積來(lái)推算一個(gè)區域的綠地面積，最后再推算出整個(gè)城市的綠地面積。
目前，隨著(zhù)航空遙感技術(shù)的發(fā)展，高分辨率遙感影像在國內開(kāi)始得到廣泛的應用，而這些影像的出現，也給城市綠地覆蓋率計算提供了更為有效而便捷的手段。
2、主要思路
采用高分辨率影像來(lái)確定綠地范圍，這項工作完全可以在室內完成，無(wú)需進(jìn)行室外的調繪。需要注意的是，綠地覆蓋率是一個(gè)跟時(shí)間密切關(guān)聯(lián)的指標，綠地覆蓋率應當是代表某個(gè)時(shí)間的計算的結果。由于植被的生長(cháng)周期一般都比較長(cháng)，綠地覆蓋率突變的情況比較小，而完全采用影像來(lái)確定綠地，最直接的優(yōu)點(diǎn)就是提高了計算結果在時(shí)間定位上的精度。
從高分辨率影像上提取綠地一般是采用人工提取，也就是作業(yè)人員在上，以影像為底圖，手工勾繪綠地范圍，這種方式的工作量依然很大。本文采用的作法是通過(guò)ecognition影像分類(lèi)軟件來(lái)完成綠地的提取。ecognition是2004年引入國內的一個(gè)影像分類(lèi)軟件，它采用面向對象的分類(lèi)方法。該軟件能方便地融入其他專(zhuān)題地影像信息作為分類(lèi)知識，同時(shí)能夠讓用戶(hù)靈活地建立基于知識的分類(lèi)模型，簡(jiǎn)潔高效地完成分類(lèi)工作。
只單純采用高分辨率的影像，利用軟件來(lái)自動(dòng)提取綠地的效果并不理想，本文的作法還引入了城市的路網(wǎng)和水系數據作為專(zhuān)題信息，用來(lái)提高綠地提取的精度。
另外，考慮到城市的范圍比較大，并且不同區域的地類(lèi)分布會(huì )有所不同，因此需要將城市劃分為不同的區域，每個(gè)區域分別進(jìn)行綠地的提取，最后再匯總計算出總的綠地面積。整個(gè)計算的過(guò)程如圖1所示。
圖1 計算過(guò)程
Fig.1 Calculation Process
3、過(guò)程及方法描述
3.1 數據準備
3.1.1 數據情況
本篇文章所處理的主要數據為高分辨率影像，同時(shí)還利用了矢量的GIS數據，具體如下：
廣西南寧市QUICKBIRD影像，2002年10月份獲取，真彩色產(chǎn)品，包括紅、綠、蘭三個(gè)波段，tiff格式，空間分辨率0.61米。
城市路網(wǎng)和水系的矢量文件，ArcInfo的shape格式文件（如圖2）。
圖2 矢量數據
Fig.2 Vector Data
本文需要計算圖1中所示的外環(huán)公路內綠地覆蓋率。
3.1.2 區域劃分
城市區域的劃分主要是根據路網(wǎng)、水系、地勢等要素，在矢量地圖上，通過(guò)手工來(lái)劃分，實(shí)驗區域的劃分情況如圖3，將外環(huán)公路內分為C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7等7個(gè)區域。
圖3 工作區域
Fig.3 Work Regions
3.1.3 影像配準及數據轉換
由于混合了矢量數據和影像數據的處理，為正確和方便地使用這些數據，需要統一數據的地理坐標，為此，采取將影像數據配準到矢量數據的地理坐標下的作法，影像需要根據輸入的控制點(diǎn)，進(jìn)行移動(dòng)、縮放、旋轉等內容的變換，并且不要對影像進(jìn)行重新的采樣和保存。因為需要將整個(gè)范圍劃分為6個(gè)區域來(lái)處理，影像數據也相應地要分割為6個(gè)部分，但影像的分割，不需要用區域的邊界來(lái)分割，只要用區域的最小外接矩形來(lái)分割就可以了，在分類(lèi)的過(guò)程中，利用區域的專(zhuān)題信息，就可以避免數據處理過(guò)程中對影像重疊部分的重復計算。
Ecognition的專(zhuān)題圖文件是由一個(gè)柵格數據文件和一個(gè)描述柵格屬性的ASCⅡ文件來(lái)組成，描述文件的后綴一般為asc，也可以是txt后綴，下面是一個(gè)asc文件的樣例。
表1 asc文件格式
Tab.1 asc File Format
ID列表示柵格文件中的灰度值，R、G、B表示該灰度值在ecognition軟件中顯示時(shí)所使用的RGB色彩的三個(gè)分量，Value、Field1都是擴展的屬性字段，用來(lái)記錄更多的特征。
矢量數據中，需要將劃分的區域面以及道路和水系的面數據轉換為ecognition軟件的專(zhuān)題數據文件格式，這項工作，作者是通過(guò)編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的程序來(lái)實(shí)現（具體作法可參考矢量數據轉換為柵格數據的相關(guān)資料和文獻）。
3.2 綠地提取
綠地的提取，主要是在ecognition軟件中來(lái)完成。
3.2.1 建立工程
首先，需要建立一個(gè)新的影像分類(lèi)工程。一個(gè)工程包括需要處理的多個(gè)影像數據和專(zhuān)題數據，以及分類(lèi)的描述信息。這項工作需要注意一點(diǎn)，ecognition軟件主要是基于柵格數據的分析和處理，所有的影像文件和專(zhuān)題文件都應當具有相同的大小，這樣才能夠有效地共同完成分類(lèi)的推理工作。
本文實(shí)驗中的數據包括quickbird影像三個(gè)波段數據，分割區域、道路和水系專(zhuān)題圖數據。
3.2.2 影像分割
這步工作，是根據影像的光譜和幾何特征，將影像劃分為不同的對象（imageobject），ecognition支持多尺度的分割，“粗”的尺度下，可以分割獲得比較“大”的對象，“細”的尺度是在上一個(gè)“粗”尺度的基礎上分割出的“小”對象，因此，在ecognition中，可以建立對象的層次關(guān)系，并且可以針對不同的層來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。
實(shí)驗中建立3個(gè)層次的分割面對象，如圖。
圖4 影像分割
Fig.4 Image Segmentation
最“粗”的是劃分的工作區域范圍（level3），然后是以道路和水系的范圍做約束的分割面（level2），最后是根據光譜和專(zhuān)題圖的“精細”分割（level1）。
3.2.3 分類(lèi)體系的建立及特征分析
分類(lèi)的目標是提取綠地，綠地的范圍和信息主要是從level3上來(lái)獲取，但是專(zhuān)題數據中包含的一些信息對綠地提取非常有用，比如，在level2中，已經(jīng)明確為道路和水系的部分，就不需要進(jìn)行分類(lèi)的判別了，所有在level3上，先劃分為：主干水體、道路、非水體和主干道路三種類(lèi)別。在“非主要道路和水體”的類(lèi)別當中再細分為房屋、樹(shù)木、草地、陰影、街道等，如圖。
圖5 影像分類(lèi)
Fig.5 Image Classes
“草地”在紅色波段，灰度值主要集中在綠色波段。對于同物異譜的情況，可以通過(guò)增加更細致的分類(lèi)來(lái)處理，例如房屋類(lèi)別可以用房屋1、房屋2等類(lèi)別來(lái)替代，每個(gè)類(lèi)別的光譜特性分別描述。實(shí)驗中各種類(lèi)別的光譜特征描述如表。
3.2.4 獲取分類(lèi)結果
Ecognition采用模糊分類(lèi)的機制，通過(guò)對特征的描述，計算不同對象隸屬各個(gè)分類(lèi)的隸屬度，最后完成分類(lèi)的過(guò)程。實(shí)驗的結果如圖6所示（局部）。
圖6 分類(lèi)結果
Fig.6 Classification Result
其中綠地的面積包括“樹(shù)木”和“綠地”這兩種類(lèi)別的面積。
3.3 成
果計算
計算采用象素數量來(lái)反映分類(lèi)的面積。在分類(lèi)完成后，通過(guò)各個(gè)區域分類(lèi)面積的匯總，可以獲得主干道路面積、草地面積、樹(shù)木面積、房屋面積、街道面積、陰影面積。
其中樹(shù)木面積和房屋面積可以算做綠地面積，而陰影面積，可以認為它包含了其他分類(lèi)的面積。設綠地面積為，則有
城市計算范圍的面積，設為綠地覆蓋率，于是有
4、小結
計算城市綠地覆蓋率的工作，從方法上看并不復雜，但是作為一項具體的工作卻并不簡(jiǎn)單。傳統的作法需要花費大量的和時(shí)間，本篇文章采用高分辨率影像作為數據基礎，通過(guò)分類(lèi)軟件來(lái)進(jìn)行綠地提取，可以大量減少人工勞動(dòng)，極大提高工作效率。但是在目前，利用軟件對高分辨率影像進(jìn)行分類(lèi)，要獲得好的分類(lèi)效果還比較困難，本篇文章所要計算的綠地覆蓋率，對精度的要求并不高，同時(shí)，通過(guò)引進(jìn)GIS數據參與分類(lèi)，提高了分類(lèi)的精度，另外，在執行完分類(lèi)的過(guò)程后，還可以通過(guò)人工的檢查，手工修正一些不正確的分類(lèi)結果，但這些勞動(dòng)，相比較過(guò)去的作法，已經(jīng)變得相當輕松�？傊�，采用高分辨率影像作為數據，利用影像分類(lèi)軟件作為綠地提取的工具，給綠地覆蓋率的計算提供了便捷的方法，而隨著(zhù)影像數據獲取的質(zhì)量提高以及分類(lèi)軟件性能的不斷完善，這樣的方法將會(huì )顯得愈發(fā)的簡(jiǎn)潔和優(yōu)越。
參 考 文 獻
[1] 梅安心、彭望錄等，《遙感導論》，高等出版社2001年7月第一版
[2] 鐘仕全、石劍龍，《高分辨率衛星圖像數據處理方法及其應用》，2004年全區遙感協(xié)會(huì )論文集
[3] http://www.spotimage.com.cn/.北京視寶衛星圖像有限公司
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