地球信息科学学报 ›› 2019, Vol. 21 ›› Issue (12): 1977-1986.doi: 10.12082/dqxxkx.2019.190409
• 遥感科学与应用技术 • 上一篇
收稿日期:
2019-07-30
修回日期:
2019-10-10
出版日期:
2019-12-25
发布日期:
2019-12-25
通讯作者:
江洪
E-mail:jh910@fzu.edu.cn
作者简介:
江 洪(1975-),男,福建永安人,博士,副研究员,主要从事环境遥感、信息管理研究。E-mail: jh910@fzu.edu.cn
基金资助:
JIANG Hong1,2,*(), YUAN Yawei1,2, WANG Sen1,2
Received:
2019-07-30
Revised:
2019-10-10
Online:
2019-12-25
Published:
2019-12-25
Contact:
JIANG Hong
E-mail:jh910@fzu.edu.cn
Supported by:
摘要:
地形校正是崎岖山区遥感图像预处理的关键步骤。为了评估基于DEM数据的经验校正模型、山地辐射传输模型和波段组合优化计算模型在去除地形阴影效应方面的性能,并将其应用于福州市植被覆盖监测,本文采用C模型(和SCS+C模型)、6S+C模型和阴影消除植被指数(SEVI)进行评估、比较。采用1999年和2014年两期Landsat 5 TM卫星数据和相关的 30 m ASTER GDEM V2高程数据,分别计算了C校正(和SCS+C校正)和6S+C校正后的归一化植被指数(NDVI)和比值植被指数(RVI)以及基于表观反射率数据的SEVI。通过目视比较、光谱特征比较以及太阳入射角余弦值(cos i)与植被指数的线性回归分析,可以看出C模型和SCS+C模型对本影具有较好的校正效果,但对落影的校正效果欠佳。NDVI和RVI的本影与邻近无阴影阳坡的相对误差分别从71.64%、52.57%降至4.80%、6.43%(C模型)和0.50%、9.94%(SCS + C模型),而落影与邻近无阴影阳坡的相对误差分别从62.01%、47.57%降至31.05%、24.40%(C模型)和33.42%、16.01%(SCS + C模型)。在NDVI的落影校正效果上,6S+C模型比C模型和SCS+C模型有一定的提升,本影与邻近无阴影阳坡之间的相对误差为8.63%,落影与邻近无阴影阳坡之间的相对误差为14.27%。而SEVI在消除本影和落影方面整体效果更好,本影和落影与邻近无阴影阳坡的相对误差分别为9.86%和10.53%。最后,基于SEVI对福州市1999-2014年的植被覆盖变化进行了监测。监测结果表明: ① 1999-2014年植被覆盖增加了893.61 km 2,植被增加区域主要分布在海拔250~1250 m范围内;② SEVI均值在坡度40°附近达到峰值。
江洪, 袁亚伟, 王森. 阴影消除植被指数(SEVI)去除地形本影和落影干扰的性能评估与应用[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(12): 1977-1986.DOI:10.12082/dqxxkx.2019.190409
JIANG Hong, YUAN Yawei, WANG Sen. Shadow-Eliminated Vegetation Index (SEVI) for Removing Terrain Shadow Effect : Evaluation and Application[J]. Journal of Geo-information Science, 2019, 21(12): 1977-1986.DOI:10.12082/dqxxkx.2019.190409
表2
阴影(本影和落影)区植被指数相对误差绝对值"
植被指数 | 数据类别 | VIself | VIcast | VIsunny | AREself/% | AREcast/% |
---|---|---|---|---|---|---|
NDVI | 表观反射率 | 0.13 | 0.18 | 0.47 | 71.64 | 62.01 |
C校正数据 | 0.44 | 0.29 | 0.42 | 4.80 | 31.05 | |
SCS+C校正数据 | 0.40 | 0.27 | 0.40 | 0.50 | 33.42 | |
6S+C校正数据 | 0.59 | 0.55 | 0.64 | 8.63 | 14.27 | |
RVI | 表观反射率 | 1.32 | 1.46 | 2.79 | 52.57 | 47.57 |
C校正数据 | 2.62 | 1.86 | 2.46 | 6.43 | 24.40 | |
SCS+C校正数据 | 4.08 | 3.81 | 4.53 | 9.94 | 16.01 | |
6S+C校正数据 | 3.88 | 3.41 | 5.03 | 22.86 | 32.29 | |
SEVI | 表观反射率 | 4.74 | 4.71 | 5.26 | 9.86 | 10.53 |
[1] |
Chen J, Black T . Defining leaf area index for non-flat leaves[J]. Plant, Cell and Environment, 1992,15(4):421-429.
doi: 10.1111/pce.1992.15.issue-4 |
[2] |
Bajocco S, Angelis A, Salvati L . A satellite-based green index as a proxy for vegetation cover quality in a Mediterranean region[J]. Ecological Indicators, 2012,23(4):578-587.
doi: 10.1002/1522-2683(200202)23:4<578::AID-ELPS578>3.0.CO;2-C pmid: 11870768 |
[3] |
Zhang Z M, He G J, Wang X Q , et al. Leaf area index estimation of bamboo forest in Fujian province based on IRS P6 LISS 3 imagery[J]. International Journal of Remote Sensing, 2011,32(19):5365-5379.
doi: 10.1080/01431161.2010.498454 |
[4] | 江洪, 汪小钦, 孙为静 . 福建省森林生态系统NPP的遥感模拟与分析[J]. 地球信息科学学报, 2010,12(4):580-586. |
[ Simulation by remote sensing and temporal-spatial analysis of forest ecosystem net primary productivity in Fujian province, China[J]. Journal of Geo-information Science, 2010,12(4):580-586. ] | |
[5] | 朱高龙, 居为民, Chen J, 等. 帽儿山地区森林冠层叶面积指数的地面观测与遥感反演[J]. 应用生态学报, 2010,21(8):2117-2124. |
[ Zhu G L, Ju W M, Chen J , et al. Forest canopy leaf area index in Maoershan Mountain: Ground measurement and remote sensing retrieval[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010,21(8):2117-2124. ] | |
[6] | 何磊, 唐姝娅, 苗放 , 等. 岷江上游典型流域叶面积指数的遥感模型及反演[J]. 水土保持研究, 2010,17(1):218-221. |
[ He L, Tang S Y, Miao F , et al. Remote sensing model and inversion of leaf area index in the typical area of Minjiang Valley Upriver[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2010,17(1):218-221. ] | |
[7] |
Tian Q, Luo Z, Chen J , et al. Retrieving leaf area index for coniferous forest in Xingguo County, China with Landsat ETM+ images[J]. Journal of Environmental Management, 2007,85:624-627.
doi: 10.1016/j.jenvman.2006.05.021 |
[8] |
Soudani K, François C, Maire G , et al. Comparative analysis of IKONOS, SPOT, and ETM+ data for leaf area index estimation in temperate coniferous and deciduous forest stands[J]. Remote Sensing of Environment, 2006,102:161-175.
doi: 10.1016/j.rse.2006.02.004 |
[9] | 田庆久, 闵祥军 . 植被指数研究进展[J]. 地球科学进展, 1998,13(4):327-333. |
[ Tian Q J, Min X J . Advances in study on vegetation indices[J]. Advance in earth sciences, 1998,13(4):327-333. ] | |
[10] |
孙华, 鞠洪波, 张怀清 , 等. 三种回归分析方法在Hyperion影像LAI反演中的比较[J]. 生态学报, 2012,32(24):7781-7790.
doi: 10.5846/stxb201111291819 |
[ Sun H, Ju H B, Zhang H Q , et al. Comparison of three regression analysis methods for application to LAI inversion using Hyperion data[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012,32(24):7781-7790. ]
doi: 10.5846/stxb201111291819 |
|
[11] | 廖钰冰, 陈新芳, 陈喜 , 等. 地形校正对叶面积指数遥感估算的影响[J]. 遥感信息, 2011(5):47-51. |
[ Liao Y B, Chen X F, Chen X , et al. Effect of topographic correction on estimation of leaf area index based on Landsat TM[J]. Remote Sensing Information, 2011(5):47-51. ] | |
[12] | 高永年, 张万昌 . 遥感影像地形校正研究进展及其比较实验[J]. 地理研究, 2008,27(2):467-477. |
[ Gao Y N, Zhang W C . Research progress and comparative experiment of remote sensing image topographic correction[J]. Geographical Research, 2008,27(2):467-477. ] | |
[13] | 闻建光, 柳钦火, 肖青 . 基于模拟数据分析地形校正模型效果及检验[J]. 北京师范大学学报:自然科学版2007, 43(3):255-263. |
[ Wen J G, Liu Q H, Xiao Q . Assessment of different topographic correction methods and validation[J]. Journal of Beijing Normal University: Natural science, 2007,43(3):255-263. ] | |
[14] |
Riaño D, Chuvieco E, Salas J , et al. Assessment of different topographic corrections in Landsat-TM data for mapping vegetation types[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2003,41(5):1056-1061.
doi: 10.1109/TGRS.2003.811693 |
[15] |
黄微, 张良培, 李平湘 . 一种改进的卫星影像地形校正算法[J]. 中国图象图形学报, 2005,10(9):1124-1128.
doi: 10.11834/jig.200509205 |
[ Huang W, Zhang L P, Li P X . An improved satellite image topographic correction algorithm[J]. Journal of Image and Graphics, 2005,10(9):1124-1128. ]
doi: 10.11834/jig.200509205 |
|
[16] |
Teillet P M, Guindon B, Goodenough D G . On the slope-aspect correction of multispectral scanner data[J]. Canadian Journal of Remote Sensing, 1982,8(2):84-106.
doi: 10.1080/07038992.1982.10855028 |
[17] |
Meyer P, Itten K I, Kellenberger T , et a1. Radiometric corrections of topographically induced effects on Landsat TM data in an alpine environment[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 1993,48(4):17-28.
doi: 10.1016/0924-2716(93)90028-L |
[18] |
Gu D, Gillespie A . Topographic normalization of Landsat TM images of forest based on subpixel sun-canopy-sensor geometry[J]. Remote Sensing of Environment, 1998,64(2):166-175.
doi: 10.1016/S0034-4257(97)00177-6 |
[19] |
Soenen S A, Peddle D R, Coburn C A . SCS+C: A modified sun-canopy-sensor topographic correction in forested terrain[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2005,43(9):2148-2159.
doi: 10.1016/j.jenvman.2006.04.023 pmid: 17123698 |
[20] |
Smith J A, Lin T L, Ranson K L . The Lambertian assumption and Landsat data[J]. Photogrammetric engineering & Remote sensing, 1980,46(9):1183-1189.
doi: 10.3390/s20010036 pmid: 31861606 |
[21] | Sandmeier S, Itten K I . A physically-based model to correct atmospheric and illumination effects in optical satellite data of rugged terrain[J]. IEEE Trans Geoscience and Remote Sens, 1997,35(3):708-717. |
[22] | 闻建光, 柳钦火, 肖青 , 等. 复杂山区光学遥感反射率计算模型[J]. 中国科学D 辑:地球科学, 2008,38(11):1419-1427. |
[ Wen J G, Liu Q H, Xiao Q , et al. Optical reflectance model in rugged terrain[J]. Science in China (Series D: Earth Sciences), 2008,38(11):1419-1427. ] | |
[23] |
Liao Z M, He B B, Quan X W . Modified enhanced vegetation index for reducing topographic effects[J]. Journal of Applied Remote Sensing, 2015,9(1):096068.
doi: 10.1117/1.JRS.9.096068 |
[24] | 许章华, 刘健, 余坤勇 , 等. 阴影植被指数SVI的构建及其在四种遥感影像中的应用效果[J]. 光谱学与光谱分析, 2013(12):3359-3365. |
[ Xu Z H, Liu J, Yu K Y , et al. Construction of vegetation shadow index (SVI) and application effects in four remote sensing images[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2013(12):3359-3365. ] | |
[25] |
吴志杰, 徐涵秋 . 卫星影像数据构建山地植被指与应用分析[J]. 地球信息科学学报, 2011,13(5):656-664.
doi: 10.3724/SP.J.1047.2011.00656 |
[ Wu Z J, Xu H Q . A new index for vegetation enhancements of mountainous regions based on satellite image data[J]. Journal of Geo-Information Science, 2011,13(5):656-664. ]
doi: 10.3724/SP.J.1047.2011.00656 |
|
[26] |
Holben B, Justice C . An examination of spectral band ratioing to reduce the topographic effect on remotely sensed data[J]. International Journal of Remote Sensing, 1981,2(2):115-133.
doi: 10.1080/01431168108948349 |
[27] | Colby J . Topographic normalization in rugged terrain[J]. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1991,57:531-537. |
[28] | 李晓琴, 孙丹峰, 张凤荣 . 基于遥感的北京山区植被覆盖景观格局动态分析.[J] 山地学报, 2003,21(3):272-280. |
[ Li X Q, Sun D F, Zhang F R . Landscape pattern analysis on change in the fraction of green vegetation based on remotely sensed data in Beijing mountainous area[J]. Journal of mountain science, 2003,21(3):272-280. ] | |
[29] | 江洪, 汪小钦, 陈星 . 一种以FCD模型从SPOT影像提取植被覆盖率的方法[J]. 地球信息科学, 2005,7(4):113-116. |
[ Jiang H, Wang X Q, Chen X . A method for abstraction of vegetation density from SPOT image[J]. Journal of Geo-Information Science, 2005,7(4):113-116. ] | |
[30] |
江洪, 王钦敏, 汪小钦 . 福建省长汀县植被覆盖度遥感动态监测研究[J]. 自然资源学报, 2006,21(1):126-132.
doi: 10.11849/zrzyxb.2006.01.016 |
[ Jiang H, Wang Q M, Wang X Q . Dynamic monitoring of vegetation fraction by remote sensing in Changting County of Fujian province[J]. Journal of Natural Resources, 2006,21(1):126-132. ]
doi: 10.11849/zrzyxb.2006.01.016 |
|
[31] | 江洪, 汪小钦, 吴波 , 等. 地形调节植被指数构建及在植被覆盖度遥感监测中的应用[J]. 福州大学学报:自然科学版, 2010,38(4):527-532. |
[ Jiang H, Wang X Q, Wu B , et al. A Topography-Adjusted Vegetation Index (TAVI) and its application in vegetation fraction monitoring[J]. Journal of Fuzhou University: Natural Science Edition, 2010,38(4):527-532. ] | |
[32] |
Jiang H, Wang S, Cao X J , et al. A shadow-eliminated vegetation index (SEVI) for removal of self and cast shadow effects on vegetation in rugged terrains[J]. International Journal of Digital Earth, 2019,12(9):1013-1029.
doi: 10.1080/17538947.2018.1495770 |
[33] | 数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台( http://www.gscloud.cn.) |
[ The data set is provided by Geospatial Data Cloud site, Computer Network Information Center, Chinese Academy of Sciences. ( http://www.gscloud.cn)] | |
[34] | 孙晓霞, 张继贤, 燕琴 , 等. 遥感影像变化检测方法综述及展望[J]. 遥感信息, 2011(1):119-123. |
[ Sun X X, Zhang J X, Yan Q , et al. Overview and prospects of remote sensing image change detection methods[J]. Remote Sensing Information, 2011(1):119-123. ] | |
[35] | 张号, 邓强 . 遥感影像变化检测中伪变化信息剔除[J]. 工程技术研究, 2017(4):43-44. |
[ Zhang H, Deng Q . Detection of pseudo-variation information in remote sensing image change detection[J]. Engineering Research, 2017(4):43-44. ] |
[1] | 陈如如, 胡中民, 李胜功, 郭群. 不同数据源归一化植被指数在中国北方草原区的应用比较[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(9): 1910-1919. |
[2] | 蒋世豪, 江洪, 陈慧. 基于SEVI的复杂地形山区植被FPAR遥感反演与地形效应评估[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(8): 1725-1734. |
[3] | 李培林, 刘小平, 黄应淮, 张鸿辉. 基于GEE平台的广州市主城区不透水面时间序列提取[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 638-648. |
[4] | 许佳峰, 李云梅, 徐杰, 雷少华, 毕顺, 周玲. 黑臭水体水面阴影提取的自适应阈值算法研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(10): 1959-1970. |
[5] | 高黎明,张乐乐. 青海湖流域植被盖度时空变化研究[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(9): 1318-1329. |
[6] | 杜保佳, 张晶, 王宗明, 毛德华, 张淼, 吴炳方. 应用Sentinel-2A NDVI时间序列和面向对象决策树方法的农作物分类[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(5): 740-751. |
[7] | 阎世杰, 王欢, 焦珂伟. 京津冀地区植被时空动态及定量归因[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(5): 767-780. |
[8] | 郑海亮, 房世峰, 刘成程, 吴金华, 杜加强. 青藏高原月NDVI时空动态变化及其对气候变化的 响应[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(2): 201-214. |
[9] | 冀欣阳, 骆磊, 王心源, 李丽, 万红. 基于“DEM-NDVI-土地覆盖分类”的天山博格达自然遗产地山地垂直带提取与变化分析[J]. 地球信息科学学报, 2018, 20(9): 1350-1360. |
[10] | 王光镇, 王静璞, 韩柳, 柴国奇, 王周龙. 基于实测光谱模拟Landsat-8 OLI数据估算非光合 植被覆盖度[J]. 地球信息科学学报, 2018, 20(11): 1667-1678. |
[11] | 王学成, 杨飞, 高星, 李丽. 基于NDVI阈值法的森林冰冻受灾范围精确提取[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(4): 549-558. |
[12] | 王恩鲁, 汪小钦, 陈芸芝. 时间序列植被覆盖度断点检测方法研究[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(10): 1355-1363. |
[13] | 符静, 秦建新, 张猛, 龙岳红. 2001-2013年洞庭湖流域植被覆盖度时空变化特征[J]. 地球信息科学学报, 2016, 18(9): 1209-1216. |
[14] | 贾铎, 牟守国, 赵华. 基于SSA-Mann Kendall的草原露天矿区NDVI时间序列分析[J]. 地球信息科学学报, 2016, 18(8): 1110-1122. |
[15] | 孙庆龄, 李宝林, 许丽丽, 张涛, 葛劲松, 李飞. 2000-2013年三江源植被NDVI变化趋势及影响因素分析[J]. 地球信息科学学报, 2016, 18(12): 1707-1716. |
|