利用資源三號衛星數據提取經濟林研究

廖凱濤，習曉環，王 成，齊述華，KHUON Khun-neay

（1.中國科學院 遙感與數字地球研究所 數字地球重點實驗室，北京 100094；2.聯合國教科文組織國際自然與文化遺產空間技術中心，北京 100094；3.江西師范大學 地理與環境學院，江西 南昌 330022；4.柬埔寨吳哥窟世界文化遺產管理局，柬埔寨 暹粒 999094）

利用資源三號衛星數據提取經濟林研究

廖凱濤1,2,3，習曉環1,2，王 成1,2，齊述華3，KHUON Khun-neay4

（1.中國科學院 遙感與數字地球研究所 數字地球重點實驗室，北京 100094；2.聯合國教科文組織國際自然與文化遺產空間技術中心，北京 100094；3.江西師范大學 地理與環境學院，江西 南昌 330022；4.柬埔寨吳哥窟世界文化遺產管理局，柬埔寨 暹粒 999094）

選擇柬埔寨吳哥窟北部庫侖山國家森林公園為研究區，通過對資源三號衛星數據進行大氣校正、多光譜與全色數據融合等處理，結合經濟林固有的光譜、紋理等特征，利用面向對象的分類方法，構建了適于資源三號衛星數據的快速提取經濟林信息的土地利用分類規則。通過野外實地調查和驗證表明，資源三號衛星數據可以滿足土地利用中經濟林信息提取的需求，選擇合適的閾值即可完整提取經濟林及其空間分布，正確率可達85.97%；資源三號衛星數據在土地利用精細分類和信息提取中具有較大的應用潛力。

資源三號；經濟林；信息提取；土地利用；吳哥遺產地

經濟林是指以生產果品，食用油料、飲料、調料，工業原料和藥材為主要目的，集經濟效益、社會效益和生態效益于一體的林種，目前該產業已成為很多國家林業產業的主體。以我國為例，經濟林占全國林業產業總產值的60%以上，在國民經濟中具有重要作用[1]。遙感影像用于經濟林提取的研究開始于19世紀80年代，何志浩[2]等應用彩色航片結合經濟林光譜曲線，對廣州的部分經濟林進行了調查和制圖。隨后衛星遙感影像漸漸被應用于經濟林的提取和分類中，嚴恩萍[3]等利用ALOS衛星數據，結合各種植被光譜信息，成功提取了經濟林、針葉林以及闊葉林。

資源三號衛星（ZY-3）是我國首顆民用高分辨率立體測繪衛星，自2012年1月9日成功升空以來，已經獲取了我國及周邊國家大量的高分辨率數據。很多學者基于該衛星數據開展了不同融合方法及應用領域的研究，證明了其數據的優秀表現[4]。潘紅播[5]等以河北省安平地區的ZY-3數據為例，分析了數字表面模型和正射校正產品的精度，這兩種產品的高程中誤差均為1.5 m，平面中誤差為1.6 m，分別滿足1∶5 萬DEM一級精度和1∶5萬DOM的精度要求。黃先德[6]等研究了適合ZY-3全色與多光譜影像的融合方法，并在提取綠色植被信息方面取得了很好的應用效果。趙芳[7]等利用ZY-3多光譜影像，采用3種不同的方法提取水體信息，精度最高可達91.04%。張雨[8]等利用ZY-3數據，根據影像的光譜和紋理特征，采用決策樹算法提取漓江流域的植被類型信息并進行精度檢驗，結果表明ZY-3數據的地物總體分類精度達到了91.96%。

本文以柬埔寨吳哥窟北部的庫侖山國家森林公園為研究區，利用ZY-3影像開展經濟林信息提取研究。吳哥窟于1992年被聯合國教科文組織世界遺產委員會列入《世界遺產名錄》。近年由于旅游業和周邊經濟迅猛發展，對薪柴需求增加，很多原始林遭到無序砍伐，部分變為經濟林成為暹粒市的重要能源[9]。國外一些學者[10-11]利用Landsat TM、SPOT衛星數據對1995～2005 年間該地區森林和土地利用狀況進行了調查和分析，認為森林減少主要分布在遺址和庫侖山周邊。利用ZY-3數據提取吳哥遺址北部區域的經濟林信息，可為吳哥遺產環境保護研究提供技術支持，并發掘ZY-3數據的應用潛力，進一步拓展其適用性。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

研究區位于柬埔寨暹粒省境內，世界文化遺產吳哥窟北部的庫侖山國家森林公園周邊，海拔在40～120 m，為典型的熱帶季風氣候區，高溫多雨，全年降雨量達1 800 mm，月平均氣溫為30℃；11月～次年4月為旱季，月均溫為25℃；5月～10月為雨季，月均溫為33℃。2000年后，暹粒市發展迅猛，城區面積迅速擴張，對暹粒市周邊的土地利用/覆蓋產生極大的影響[9]。研究區內大量原始森林被砍伐，或開墾為農田或改種為經濟林或薪柴林。

1.2 衛星數據

本文采用的ZY-3數據來自國家測繪地理信息局衛星測繪應用中心，接收時間為2014-01-04，旱季，包括1個全色波段和4個多光譜波段，空間分辨率分別為2.1 m（正視）和5.8 m，數據質量好，無云覆蓋。

2 研究方法

2.1 數據預處理

數據預處理包括原始數據的大氣校正、全色與多光譜數據的高精度配準、正射校正、融合等，本文利用ENVI5.0來實現。正射校正通過識別影像自帶的RPC文件來進行；多光譜和全色波段進行融合時，以全色影像為參考來校正多光譜數據，再利用Gram-Schmidt方法融合校正后的兩種影像，該方法可以保持融合前后影像波譜信息的一致性[12]。圖1為原始多光譜影像與全色和多光譜影像融合后影像的效果比較，可以看出，圖1b不僅保持了原始多光譜影像的光譜信息，而且空間分辨率明顯提高。

圖1 原始多光譜影像與全色和多光譜影像融合后影像效果比較

2.2 面向對象提取經濟林的方法

利用易康軟件，采用面向對象的遙感影像分類方法提取經濟林范圍。首先對預處理后的影像進行多尺度分割，得到同質對象，使分割后的對象滿足后續分類或目標地物提取的要求；然后根據遙感分類或目標地物提取的具體要求，檢測和提取目標地物的多種特征（光譜、形狀、紋理、陰影、空間位置及其分布等），建立分類體系；最后采用模糊分類算法，實現經濟林信息提取。

2.2.1 多尺度分割

由于不同地物的形狀大小差異較大，為了提高分類精度，需對分類尺度反復嘗試，以達到有效分割, 不同的分割尺度對應不同的地物綜合。面向對象分類技術以鄰近像元為對象來識別感興趣的光譜要素，充分利用全色影像的高空間分辨率和多光譜數據的光譜、形狀和紋理等信息，以達到高精度分割和分類的目的。

2.2.2 特征選擇

特征選擇的目的是選用盡可能少的特征組成規則集，盡可能多地提供關于類別的信息。如何選擇最優特征參數，確立有效參數組合，實現最佳分類是關鍵。根據野外獲取的經濟林樣地數據，以及經濟林的光譜和紋理等特征，經過反復試驗，最終選取以下5個特征參數：面積參數（A）、形狀因子（SI）、矩形擬合度（RF）、對比度（Con）和同質度（Home）。同時為了提高分類精度，還引用歸一化植被指數（NDVI）。各特征參數計算公式及說明如表1。

表1 各特征參數計算方法

2.2.3 建立規則集

規則集的建立需要考慮各層次類型的規則、層內子類型對父類型的繼承、對每一層的分類結果進行合并與傳遞，然后形成最終的判定規則。本文根據經濟林特有的光譜、形狀以及紋理特征，經過反復試驗，確定各特征的隸屬度函數或閾值，最終建立經濟林的提取規則（表2），流程如圖2。

表2 面向對象的經濟林提取規則集

圖2 ZY-3衛星數據經濟林提取流程

3 研究結果與分析

利用研究區的ZY-3數據，分別提取3種不同尺度下的經濟林信息（圖3），然后合并為經濟林，共獲取經濟林357塊，與2014年6月野外實地獲取的57塊經濟林進行驗證，完全重合的有49塊，提取精度為85.97%。

圖3 經濟林信息提取結果

經濟林面積共587.74 hm2，其中最大塊面積為34.27 hm2，最小為0.05 hm2；面積小于3 hm2的有298塊，占總提取塊數的86.3%。以暹粒市前往庫侖山國家森林公園的67號公路為中心，以4 km為緩沖半徑建立緩沖區。經統計，緩沖區內共有經濟林208塊，占總提取經濟林塊數的60.29%，面積為209 hm2，占總面積的35.56%（見圖4）。

圖4 緩沖區內經濟林分布

4 結 語

本文利用ZY-3數據和面向對象的分類方法，通過自定義特征參數、結合對象形狀以及紋理特征，建立不同尺度下的分類規則，快速提取了經濟林及其空間分布信息，為人為活動對吳哥遺產地環境變化影響研究提供了科學的數據支持，達到了預期的應用效果。由于難以獲取研究區經濟林的確切面積，僅分析了經濟林及空間分布，但該結果進一步證明了ZY-3數據不僅可以在土地利用/覆蓋應用中發揮重要作用，而且在土地利用精細分類和信息提取中也具有較大的應用潛力和適用性。

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P237

B

1672-4623（2016）05-0106-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.033

廖凱濤，碩士，主要從事遙感圖像處理與應用研究。

2015-10-08。

項目來源：國家自然科學基金面上資助項目（41271428）；中國科學院國際合作重點資助項目（241311KYSB20130001）；江西省教育廳科學技術研究重點資助項目（14241）。