土地利用分類中OLI影像合成最佳波段組合研究

晁增福++邢小寧++康順光

摘要：為了將Landsat8_OLI遙感影像應(yīng)用于土地利用分類中，以新疆維吾爾自治區(qū)阿拉爾市Landsat8_OLI遙感影像為試驗數(shù)據(jù)，在對試驗數(shù)據(jù)進行光譜特征分析的基礎(chǔ)上，采用最佳指數(shù)（OIF）法對Landsat8_OLI遙感影像合成最佳波段組合進行了研究。結(jié)果表明，Landsat8_OLI數(shù)據(jù)各波段中，Band5包含的地物信息最豐富；Landsat8_OLI最佳波段組合為OLI457，其結(jié)果具有較好的目視效果。

關(guān)鍵詞：Landsat8_OLI影像；最佳波段組合；遙感

中圖分類號：F237 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）08-1567-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.08.042

Study on Optional Bands Combination of OLI Image in Land Use Classification

CHAO Zeng-fua，XING Xiao-ningb，KANG Shun-guanga

（a.College of Information Engineering；b.College of Water Coservancy and Architectural Engineering，Tarim University，

Alar 843300，Xinjiang，China）

Abstract： For the purpose of land use classification using， the landsat8_OLI remote sensing image in Alar city of Xinjiang were selected as the test datas， with the spectral analysis of the test data based on the optimum index factor（OIF） method has conducted the research to the Landsat8_OLI remote sensing image optimum band combination. The results showed that the Landsat8_OLI data in each band， Band5 contained the most abundant information of the features； OLI457 was the Optional Bands Combination， it had better visual effect.

Key words： Landsat8_OLI image； optional bands combination； remote sensing

土地利用與土地覆蓋變化（LUCC）在全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展中占有重要的地位，是國際地圈-生物圈計劃（IGBP）的重要研究內(nèi)容之一[1]，已成為國際上全球變化研究的前沿和熱點。遙感技術(shù)具有高光譜分辨率、高空間分辨率、實時觀測、重訪周期短等特點，在土地利用中顯示出明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)成為研究土地變化的主要數(shù)據(jù)來源。其中美國陸地衛(wèi)星Landsat系列的遙感數(shù)據(jù)具有適合中等尺度研究的空間分辨率，并相對易于獲取，在土地變化研究中應(yīng)用最為普遍。

1 OLI遙感數(shù)據(jù)及其常用波段組合

1.1 OLI遙感數(shù)據(jù)

1972年7月23日以來，美國NASA已經(jīng)發(fā)射了8顆Landsat陸地衛(wèi)星。1999年Landsat 7發(fā)射，目前仍在軌運行，但由于設(shè)備異常造成接收影像質(zhì)量下降；2013年2月11日Landsat 8發(fā)射成功。為了保持地球圖像、全球變化的長期連續(xù)監(jiān)測，Landsat-8在空間分辨率和光譜特性等方面與Landsat 1-7保持了基本一致，衛(wèi)星一共有11個波段（表1）。波段1-7、波段9-11的空間分辨率為30 m，波段8為15 m分辨率的全色波段，衛(wèi)星每16 d可以實現(xiàn)一次全球覆蓋。

1.2 OLI遙感數(shù)據(jù)的常用波段組合

單波段的遙感影像是用灰度的差異來表達光譜特征的，是黑白影像，所以從遙感影像上獲取土地利用分類信息需要從多個波段中選擇3個波段來進行彩色合成。OLI遙感數(shù)據(jù)的常用波段組合有：

1）真彩色組合。將OLI影像的波段4、3、2分別賦予紅、綠、藍色，獲得自然彩色合成圖像。圖像色彩較平淡，層次感不好，不利于計算機解譯。

2）標(biāo)準(zhǔn)假彩色組合。將OLI影像的波段5、4、3分別賦予紅、綠、藍色，獲得假彩色圖像。有利于植被、水體的識別，應(yīng)用十分的廣泛，被稱為標(biāo)準(zhǔn)假彩色。

3）564非標(biāo)準(zhǔn)假彩色組合。將OLI影像的波段5、6、4分別賦紅、綠、藍色，合成假彩色圖像。色彩反差明顯，層次豐富，水體邊界清晰，利于海岸識別；植被有較好顯示，但不便于區(qū)分具體植被類別[2-4]。

2 阿拉爾市OLI遙感影像彩色合成最佳波段組合

2.1 原則及方法

最佳波段選擇的原則通常有3點：①所選擇的波段或波段組合信息量最大；②所選擇的波段或波段組合對所需識別的地物類別之間最容易區(qū)分，即波段間的相關(guān)性要小；③波段組合中所研究地物的光譜差異要大[5，6]。波段間的相關(guān)性越大，表示兩個波段的信息越相似，組合在一起越容易造成信息的冗余；波段的標(biāo)準(zhǔn)差越大，表示數(shù)據(jù)所包含的信息量越大；波段的地物光譜差異越大，則表示地物信息越容易被區(qū)分。因此，選擇最佳波段時，盡量選擇波段相關(guān)系數(shù)較小，信息量較大，同時地物波普曲線差異明顯的波段進行組合[7]。

多光譜遙感數(shù)據(jù)最佳波段選擇的定量計算模型主要有熵與聯(lián)合熵[8]、協(xié)方差矩陣行列式和最佳指數(shù)法等。相對而言，最佳指數(shù)法由于計算快速，操作相對方便，是目前多光譜遙感數(shù)據(jù)最佳波段選擇的最常用計算模型[9]。

基于“信息量各波段的均方差之和成正比，與各波段間相關(guān)系數(shù)之和成反比”的基本思想，Chacvez等[10]提出了最佳指數(shù)（OIF）法，其數(shù)學(xué)公式為：

OIF=■ （1）

其中，Si為第i個波段的標(biāo)準(zhǔn)差，Rij為第i、j個波段的相關(guān)系數(shù)，n為全部N個波段中選擇的子波段數(shù)（選擇的波段數(shù)一般為3）。

2.2 試驗數(shù)據(jù)

試驗數(shù)據(jù)為新疆維吾爾自治區(qū)阿拉爾市所在的OLI影響數(shù)據(jù)[數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn）]。數(shù)據(jù)軌道號為163/32，獲取時間為2013年9月18日，平均云量1.62。

2.3 遙感圖像光譜特征統(tǒng)計及波段間相關(guān)系數(shù)

在Erdas imagine9.2軟件的支持下對OLI試驗數(shù)據(jù)Band1-7波段進行圖像統(tǒng)計，得到研究區(qū)域遙感圖像各波段的光譜統(tǒng)計特征（表2）和波段間的相互關(guān)系。表2表明，各波段所含信息量依次為Band 5>Band 7>Band 6>Band 4>Band 3>Band 2>Band 1；從各波段的相關(guān)系數(shù)來看，Band 1的相關(guān)性最大，而Band 5和Band 7的相關(guān)性最小，Band 5與其他波段的相關(guān)性都比較小。

2.4 最佳波段組合確定

從研究區(qū)域遙感圖像的7個波段中任選3個波段，可以得到35種組合。結(jié)合各波段光譜統(tǒng)計特征（表2）、波段間的相關(guān)系數(shù)及公式（1），利用Matlab編程可得到各波段組合的OIF值（表3）。

從表3中可以看到，Band4、Band 5、Band 7組合后的OFI值最大，所以可以確定457為最佳波段組合。

進一步在erdas imagine9.2軟件的支持下，導(dǎo)入Band 4、Band 5、Band 7，并比較各種賦色方案，發(fā)現(xiàn)當(dāng)對Band 4、Band 5、Band 7分別賦予紅、綠、藍色時除水域外均可獲得近似自然色彩的圖像（圖1），且層次感較好，有較好的目視效果。

3 小結(jié)

最佳波段組合是遙感數(shù)據(jù)處理、遙感信息提取的基礎(chǔ)，本研究以新疆維吾爾自治區(qū)阿拉爾市為例，討論了Landsat8_OLI影像合成最佳波段組合問題。結(jié)果表明，①Landsat8_OLI數(shù)據(jù)各波段中，Band5包含的地物信息最豐富。②Landsat8_OLI數(shù)據(jù)各波段中，氣溶膠（Band1）與3個可見光波段（Band2-4）的相關(guān)性較大，這些波段的信息中有相當(dāng)大的重復(fù)性或者冗余性；Band5與其他波段的相關(guān)性都比較小，表明這個波段信息有很大的獨立性。③采用最佳指數(shù)（OIF）法確定的Landsat8_OLI最佳波段組合為OLI457，對3個波段分別賦予紅、綠、藍色時獲得的非標(biāo)準(zhǔn)假彩色具有較好的目視效果，可用于土地利用的目視解譯與計算機分類。

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