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基于MODIS影像对NDVI和EVI的分类研究

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第32卷 第2期 Vo1.32 NO.2 西南师范大学学报(自然科学版) Journal of Southwest China Normal University(Natural Science) 2007年4月 Apr. 2007 文章编号:1000—5471(2007)02—0070—06 基于MODIS影像对NDVI和EVI的分类研究 张培松 , 武 伟 , 刘洪斌 , 官会林。 1.西南大学资源环境学院,重庆400716;2.西南大学计算机与信息科学学院,重庆400716 3.云南师范大学能源与环境科学学院,昆明650092 摘要:从MODIS影像中划出一块无云区域作为研究对象,求出该研究区的NDVI和EVI,运用K一均值分类法分 别对2种植被指数进行非监督分类.通过对2种植被指数分类结果进行比较得出:2种植被指数的分类结果在总 体上是一致的,但是在局部区域,NDVI对于水体的分辨能力优于EVI,而EVI对植被则有更强的分辨能力.2 种植被指数分类结果精度评价总精度为7O.O0 ,Kappa系数为0.585. 关键词:中分辨率成像光谱仪;归一化植被指数;增强型植被指数;K一均值;分类 中图分类号:TP753 - 文献标识码:A 土地利用/土地覆盖(LULC或LUCC)是自然与人文过程交叉最密切的环节,土地系统是反映人与自 然关系的人地交互系统 .土地利用是指与土地直接有关的人类活动,而土地覆盖则指地表的自然现状. 土地覆盖包含2个含义:(1)土地覆盖是陆地生物圈的重要组成部分;(2)土地覆盖最重要的组成部分是植 被,但也包括土壤和陆地表面的水体.土地覆盖在很大程度上取决于地表植被状况,由地表植被组成的生 态系统在全球变化的生物地球化学过程中起着非常重要的作用. 植被在地球系统中扮演着重要角色,在气候、水文、和生化循环中起着重要作用.植被具有明显的年 际变化和季节变化的特点,并且是联结土壤、大气和水分的自然“纽带”,在一定程度上代表了土地覆盖的 变化 .所以对植被的动态监测可以在一定程度上反映气候变化的趋势,动态监测植被状况和植被覆盖也 一直是生态环境的研究热点之一 . 利用植被指数进行土地利用/土地覆盖变化研究开始于1960年 J.目前国内应用于植被指数研究最广 泛的数据源是NOAA/AVHRR,它已具有20 a连续接收的历史.MODIS影像以多通道同时观测、较高空 间分辨率观测、大范围多频次观测和高精度观测(世界上同类在轨的最高精度的辐射观测仪器)等优点赢得 了众多学者的青睐,越来越多的科研工作者投入到了MODIS的研究队伍中来.在植被指数研究上,MO— DIS在已有卫星的基础上专门设计了增强型植被指数(EVI). 归一化植被指数(NDVI)是目前应用最广的植被指数,已有很多学者对其作了大量的研究工作,认识 也是比较深刻了;而增强型植被指数(EVI)是比较新的一种植被指数,对其研究还比较少,目前对NDVI和EVI的比较研究的文章也还没有看到,本文旨在一小范围内运用K一均值分类法,对NDVI和EV1分别 进行非监督分类,比较二者的异同点.为今后更加深人的研究EVI作铺垫,同时对于更好的运用EVI, NDVI和土地覆盖研究具有一定的参考价值. 收稿日期:2006—09—07 基金项目:重庆市教委科技资助项目(1-82) 作者简介:张培松(1983一),男,安徽长丰人,硕士研究生,主要从事遥感和GIS研究. 通讯作者;官会林,副教授.  维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 张培松,等:.基于MODIS影像对NDVI和EVI的分类研究 71 l 数据处理 1.1数据来源 本文以MODIS影像为主要数据源,选取了2005年10月10日Terra卫星的MODIS 1B影像,从中划 出没有云的区域作为研究对象.参考研究区的土地利用现状图,把研究划分为5个部分,见图1.其中研究 区工为耕地集中的区域,区域Ⅱ内耕地和林地混杂在一起,且图斑较破碎,区域Ⅲ为河流,区域Ⅳ,V内都 是耕地、林地、草地混杂在一起,其中区域Ⅳ内有一段平行岭谷,而区域V内有一大片的林地. 图1 研究区概况 Fig.1 General Situation of the Research Area ‘1.2处理方法 1.2.1遥感影像预处理 收集到的数据为HDF格式的MODIS 1B数据,其坐标信息是以文件的形式存储的,没有定义投影方 式.本文在ENVI 4.2中运用Georeference MODIS给影像定义投影方式,采用的是UTM投影方式,同时 进行了蝴蝶效应(bow—tie)校正.然后选出一块没有云的矩形感兴趣区域(ROD,运用Resize对影像进行重 采样得到研究区域的影像数据. 1.2.2植被指数的提取 植被指数是对地表植被状况的一种简单有效的表达,以定性和定量的评价植被覆盖、生长活力以及生物 量等.本文选用了归一化植被指数(NDVI)和增强型植被指数(EVI)2种植被指数,分别进行了土地覆盖分类. NDVI是目前应用最广泛的植被指数,由Rouse等 于1973年提出,它对植被的响应能力较强.其计 算公式为: NDVI一(pNIR—pR)/(pNIR+pR) 式中:p 为近红外光波段的地表反射率,pR为红光波段的地表反射率.许多研究表明NDVI受到定标和 仪器特性、云和云影、大气、双向反射率、土壤及叶冠背景等因素影响,使其应用受到. 基于土壤和大气的影响是相互作用的事实,Liu and Huete 在1995年引入一个反馈项来同时对二者 维普资讯 http://www.cqvip.com

72 西南师范大学学报(自然科学版) 第32卷 进行订正,这就是增强型植被指数(EVI).它利用土壤背景调节参数L和大气修正参数C ,Cz同时减少土 壤背景和大气的作用,其计算公式为: EVI一(pNIR—pR)(1+L)/(pNIR+C10R—C2pB+L) 式中:L为土壤背景调节参数,C ,Cz为大气修正参数,p ,P 和pB分别为近红外波段、红光波段和蓝光 波段的地表反射率. ENVI中没有附带直接对MODIS影像进行植被指数提取的工具,针对NDVI和EVI的特点,在EN— VI中运用band math工具调用相应的IDL程序,分别求得研究区的NDVI和EVI. 2分类体系与分类 2.1分类体系 本文用于分类的参数NDVI和EVI是表征土地覆盖的生物物理参数,为此借鉴IGBP的全球土地覆盖 分类系统 ,结合研究区的实际特点和遥感数据特点设计了本文的土地覆盖分类体系,见表1. 表1土地覆盖分类体系 Table l The System of Land Cover Classification 地类名称 水 田 含 括实行水稻和旱地作物轮种的耕地. 义 指有水源保证和灌溉设施,在一般年景能正常灌溉,用以种植水稻、莲藕等水生农作物的耕地,包 指无灌溉水源及设施,靠天然降水生长作物的耕地;有水源和浇灌设施,在一般年景下能正常灌溉 的旱作物耕地;以种菜为主的耕地,正常轮作的休闲地和轮歇地. 指生长乔木、灌木、竹类以及沿海红树林地等林业用地. 旱地 林草地 地 指以生长草本植物为主,覆盖度在5 以上的各类草地,包括以牧为主的灌丛草地和郁闭度在1O 以下的疏林草地. 指天然陆地水域和水利设施用地. 指城乡居民点及县镇以外的工矿、交通等用地. . 水域 城乡、工矿、 居民用地 2.2分类方法 本文采用K一均值非监督分类法对以上2种植被指数进行分类.K一均值分类法是解决聚类问题的一种 经典算法,具有算法简单、运算速度快、能有效处理大数据库的优点口 .因此,本文运用这一经典分类法 对2种植被指数进行非监督分类,分析2种植被指数分类结果的异同. 3结果与讨论 3.1分类结果 本文对NDVI和EV1分别进行了K一均值分类,根据表1的分类体系,把植被指数进行6级分类研究. 分类结果见图2和图3. EVI NⅡVI 翻■1 —2 嚣§黧 毪 黼5 一 —j 一2 一 甏%4 — 图2 NDV1分类图 Fig.2 NDVI Classification Map 图3 EV1分类图 Fig.3 EVI Classification Map 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 张培松,等:基于MODIS影像对NDVI和EVI的分类研究 73 1 2 从图2和图3可以看出,2种植被指数的K一均值分类结果在总体分布上是基本一致的.从区域Ⅲ向两 边逐步由NDVI的分级1过渡到分级6.区域Ⅳ,V内的分类呈条带状分布.但是在局部地区,二者的分类 结果又有不小的差别.从表1中可以清楚的看到,在区域Ⅲ内,NDV1分类比EV1分类多一个分级2,且是 沿着分级1的边缘分布的;而在区域V内,EV1分类比NDV1分类多一个分级1,且被分级2所包围. 2 3 3 1 8 O 运用ArcGIS的区域统计工具,统计出一种植被指数分类等级像元在另一植被指数分类中占大多数 (Majority)的那一分级.在统计过程中,分别以NDV1分类图和EV1分级图为区域进行统计,找出NDV1 分类与EV1分类之间的对应关系,同时结合研究区的土地利用现状图,目视解译出它们所属的地类,所得 结果见表3. 由表3中可以看出,NDVI的1,3,4,5分级分别与EVI的6,5,4,3分级相对应,而用斜体表示的 NDV1分类中的2,6分级与EV1分类中的1,2分级都没有与之对应的植被指数分级.结合研究区的土地 利用现状图,经过目视解译,可以把相对应的那4个分级依次定义为水域、水田、旱地、草地.没有形成对 应关系的分级,经目视解译,.把NDVI的2,6分别定义为水域和林地,EVI的1,2均被定义为林地. 表3中的像元数差值比是以常用的NDV1分类结果为参考,比较EV1分类结果与NDV1分类结果的 差别.从表3中可以看到,2种植被指数对不同土地覆盖类型的分类结果差别较大,其中对于水域和林地2 种地物的分类结果差异将近±50%,而对于水田的差异次之,为一24 ,对旱地和草地的分类结果差异最 小,为±3.5%. 表3 NDVI和EV1分级对应关系和像元数统计 Table 3 Stat Corresponding and Pels Amount of NDVI and EVI Classification 6  一NDVI EV1 地类名称 像元数差值比/ 分类级别 像元数 分类级别 像元数 水域 水 田 旱草地 地 林地 注:像元数差值比的计算式为:(EVI像元数一NDVI像元数)/NDVI像元数. 结合以上图表,可以得到以下2个推断: (1)NDVI把水域分成了2级,并且水域和水田的像元数都比由EV1分类得到的像元数多,这说明 NDVI对于水比较敏感,分辨能力比EVI强. (2)EVI把林地分成了2级,且像元数比由NDV1分类得到的像元数多,说明EVI对于植被比较敏感, 分辨能力比NDVI强. 3.2精度评价 在分类图上随机选取50个样点进行精度评价.在采样过程中只选取了2种植被指数分类可以相互对 维普资讯 http://www.cqvip.com

74 应的像兀. 西南师范大学学报(自然科学版) 第32卷 NDVI和EV1分类结果精度评价总精度为70.O0 ,Kappa系数为0.585.精度评价混淆矩阵见表4. 从混淆矩阵可以看出,水田的分类精度较低,其中NDVI精度为69.23 ,EVI精度只有46.67 ,相对而 言,NDVI对于水田的分类精度要高于EVI.而对于旱地,NDVI精度为50.O0 ,EVI精度为75.O0 , EVI对旱地的分类结果更准确.对于河流和草地,2种植被指数的分类结果精度都较高,其中河流的NDVI 精度和草地的EVI精度均达到100.00 ,这也从另外一个角度证明了NDVI对于水体的分辨能力强于 EVI,而EVI对于植被的分辨能力强于NDVI. 表4 NDVI和EV1分类结果混淆矩阵 6 Table 4 Confusion Matrix of NDVI and EVI Classification Results 。 。 3 河流 b 5 6 12 15 17 50 76.47 46.67 75.OO 1OO.OO 水 田 EVI O O O 。 。 M O 旱草地 地 总计 b 。 。 " 6 NDVI精度/% 1OO.OO 4 结 论 本文运用MODIS影像,提取了研究区的NDVI和EVI.依据IGBP分类系统和参照研究区的情况提 出了本文的分类体系.采用K一均值非监督分类法进行分类,对2种植被指数进行非监督分类,得到了2种 植被指数的分类图,分级结果的精度为70.O0 . 通过对分类结果进行的比较可以发现,用NDVI和EVI进行土地覆盖分类所得结果在总体趋势上是 一致的,但是在局部区域,2种植被指数的分类结果差别较大,这是由2种植被指数对不同土地覆盖类型 识别能力的不同造成的.具体表现在: 1)NDVI对于水体的识别能力要强于EVI.NDVI把水域分成了2级,表明它对水域内一些比较细微 的变化也能分辨出来.而NDVI对水域和水田的分类精度比EVI要高很多,达23 以上. 2)NDVI和EVI对旱地和草地的分类结果差别不大,在分类精度上EVI要高于NDVI,达25 左右. 3)EVI把林地也分成了2级,且像元数比NDVI所得结果要多,这说明EVI对林地的识别能力比ND— VI强. 参考文献: [-13 王长耀,骆成风,齐述华,等.NDVI—Ts空间全国土地覆盖分类方法研究[J].遥感学报,2005,9(1):93—99. -[23孙红雨,王常耀,牛铮,等.中国地表覆盖变化及其气候因子关系——基于NOAA时间系列数据集[-J3.遥感学报, 1998,2(3):204—210. -[33 Berlin G A I,Linusson A C,OLSSON E G A.Vegetation changes in semi-natural meadows with unchanged management in Southern Sweden,1965—1990[-J3.Acta Oecologica,2000,21(2):125—138. -[43 Liu W T,Kogan F.Monitoring Brazilian soybean production using N0AA/AVHRR based vegetation condition indices [J].International Journal of Remote Sensing,2002,23(6):1161—1179. -[53 马明国,甬嫒梅,陈国栋.利用N0AA/AVHRR监测近10 a来中国西北土地覆盖变化[J].冰川冻土,2002,24(1):68 —72. [63 郑海金,华珞・欧立业.中国土地利用/土地覆盖变化研究综述[J].首都师范大学,2003,11(3):25—29. 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 张培松,等:基于MODIS影像对NDVI和EVI的分类研究 75 e J W,Haas R H,Schell J A,et a1.Monitoring vegetation systems in the Great Plains with ERTS[A7.Proceedings [7] Rousof Third Earth Resources Technology Satellite-1 Symposium[C-].Greenbelt,1974(351):310—317. e A.A feedback based modification of the NDVI to minimize canopy background and atmosphere noise [8] LIU H Q,Huetr门.IEEE Trans Geosci Remote Sensing,1995(33):457—465. and cover data set(DISCover)一proposal and implementation plans:IGBP-DIS [9] Belward A S.The IGBP—DIS globe 1 km lWorking Paper No.13,Toulouse,France[R].1996:61. 谢储晖,刘韬.基于K均值和免疫算法的聚类分析[J].兰州理工大学学报,2005,31(5):87—90. [1O] Classification of NDVI. and EVI Based on Modis Images ZHANG PEI—song , WU Wei ,LIU Hong—bin , GUAN Hui—lin。 1.SchOol of Resources and Environment,Southwest University,Chongqing 400716,China; 2,SchOol of Computer and Information Science,Southwest University,Chongqing 400716,China; 3.School of Energy and Environment Science,Yunnan Normol University,Kunming 650092,China Abstract:A cloudless region extracted from a MODIS image was used as the object of this study.“K—me&ll unsupervised method”was used to classify the two vegetation indices,NDVI and EVI,of the studied area. A comparison of the vegetation indices thus obtained showed that the two indices were,on the whole,con— sistent with each other;however,NDVI gave a better resolution for water bodies and wet things while EVI had a greater capacity of identifying vegetations.They had a precision appraisal score of 70.00%and a Kappa coefficient of 0.585. Key words:MODIS;NDVI;EVI;K—mean;classification 责任编辑 陈绍兰 

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