土壤侵蚀遥感监测中植被信息知识库的应用

第４期　２０１０年１２月　山西水土保持科技　

Ｓｏｉｌ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｓｈａｎｘｉ　Ｎｏ．４　

Ｄｅｃ．２０１０　

口学术天地　土壤侵蚀遥感监测中植被信息知识库的应用　

陈志伟　（福建省南安市水土保持试验站）　摘要：遥感植被度的经验判读因人为因素比重较大，影响了土壤侵蚀监测的动态效能。本文研究通　过采用人工调查结合遥感判读的方式，建立植被度的遥感识别样本知识库。该方法在水土保持行业的应用　上，目前尚鲜有报道。通过建立知识库，并使用ＧＰＳ对其加以检查、更新，提高了样本的广泛性与精确度，从　而在土壤侵蚀动态遥感监测的应用上进一步提高了精度与速度，并使遥感影像的植被判读具有一定的系统　性。　关键词：土壤侵蚀植被覆盖度遥感泉州市　中图分类号：Ｓ１５７；Ｓ１２７．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８￣ｌ２０（２０１０）０４－００１８－０３　

１　研究目标　持工作实践的需要。　植被覆盖度是水土保持的一个重要指标，不管　是早期的人工普查，还是近来在各种理论下建立的　土壤侵蚀监测模型，都将其作为衡量地表土壤侵蚀　程度的一个重要因子。　福建省地处东南沿海，受　热带海洋性季风气　候影响，植被茂盛，种类繁多。植被类型以及植被覆　盖度由边远山区到沿海台地变化较大，植被度的遥　感判读应综合考虑相关的地理因素。在我们进行的　土壤侵蚀遥感监测过程中，植被度一直是工作量较　大、主观经验较重、相关性却很大的因素，其因子信　息图层计算的速度与精度直接影响到监测的动态效　能，并影响了监测的结果。所以，研究一套可用于土　壤侵蚀监测上的具有专家知识支持的植被遥感计算　机自动判读方案，消除前后监测的主观矛盾，形成可　重复、多次应用的统一体系，使监测达到动态性、实　时性，提高结果精度，就成为我们的研究目标。　由于计算机、航空遥感、ＧＰＳ定位技术、ＧＩＳ软　件技术等的普遍应用　，遥感监测土壤侵蚀现状已　非难事。我站研究了植被度遥感识别样本知识库的　建立方法，使用地理信息系统技术将遥感以及相关　的地理信息图层结合分析，进行样本信息采集，并采　用ＧＰＳ设备来检验与校正人为经验判读的数据，补　充ＧＩＳ技术上的不足，建　样本知识库，从而实观…　定范围内的土壤侵蚀动态监测，并使监测具有一定　的系统性、持续性与可反复操作性，更加满足水土保　收稿日期：２０１０－０８—１６　・１８・　２研究方法　２．１研究思路　从遥感源中提取植被度信息，一般都要结合外　在的专家知识、人工智能或人为经验进行判读。从　广域的监测范围来看，要实现信息人工判别分类的　高准确度将是个复杂而困难的工作。然而从局域小　地域范围人手，却可以通过不断的验证与调校，建立　起基于本区域内丰富的实例样本与专家经验相结合　的计算机自动判读基础数据库，可对小区域的土壤　侵蚀现状进行大比例尺高精度的遥感分析与调查。　再汇合多个小地域进行数据合并，可形成大范围　（如整个福建省）水土保持行业遥感知识库，达到大　范围大比例尺级别的土壤侵蚀遥感调查。　在本方案的研究应用中，从作业范围相对较小　的地市级行政区人手，较容易进行实地野外调查，样　本的先验性知识可以达到较精确的采集，采集的数　量较易满足本级监测所需的标本量。并且，知识库　的存贮量逐渐增加，不同时相的样本知识逐渐丰富，　最终能满足随意时段的知识储备。所以，采用本方　法得到的数据比较可靠，能实现地市级土壤侵蚀快　速动态监测。　２．２方法与步骤　２．２．１　提取样本　以ＴＭ影像为例，首先以合成的假彩色影像为　参照图像，然后从ＴＭ３影像上由低灰度值向高灰度　值逐渐抽样分类，具体应分出如：水系、居民区、道　路、光板地、旱耕地、疏草地、水田、疏林地、林地、密　２０１０年ｌ２月　陈志伟　土壤侵蚀遥感监测中植被信息知识库的应用　林地等各类不同覆盖度的样本来　。在本过程中　要用到土地利用信息图层进行取样监督。土地利用　（ＴＤＬＹ）是根据监测区实测土地详查资料而来，主　要用于监督、调校取样的统一与配准，避免分类不统　一或选的样区面积误差过大，造成不正确结论，出现　如居民点、水域视为农田，坡耕地视为荒山植被等错　误。样本取至趋近包含ＴＭ３影像的全部灰度值范　围为止，然后对各类样本进行比较检查，将同类别的　样本归为一起，或将同样本异类别再分类，最后输出　完整的训练样本。具体流程如图１所示。　

图ｌ提取训练样本　２．２．２初始分类　利用人工训练的结果数据，采取最大似然分类　法对不同ＴＭ波段影像的所有像元点按等概率进行　交互混合分类，可得到初始人工经验判别的植被度　分类图像ＦＴＭ。　２．２．３逻辑检验　将土地利用图转换成与初始分类图相同属性标　识的数据图，再对两个配准后的图层进行类别对照　检查，求取逻辑可信度值。　其计算公式如下：　Ｌ＝（Ａｎ／Ｎ）　１００％　

Ａｎ＝∑Ｃ　｛ｉｆ　Ａｉ＝Ｂｉ　ｔｈｅｎ　Ｃｉ＝１；ｅｌｓｅ　Ｃｉ＝０；｝　ｉ＝１　式中：￡为逻辑可信度，％；Ａｎ为可信任点数；Ｎ　

为检查总点数；Ａｉ为分类影像ＦＴＭ像元（ｉ）的属性　值；Ｂｉ为土地利用图ＴＤＬＹ像元（ｉ）的属性值。　如果取样的可信度偏低，说明所抽取的训练样　本还不够或同一个样本存在着不同类别的情况偏　多，或训练样本不足以反映目前实地类型，甚至是训　练样本出错等等情况。具体检查流程见图２。　２．２．４数据入库与汇总　结合ＧＰＳ进行野外调查，对不满足精度要求的　班块进行样本数据检查与更新，形成更加精确可靠　的知识概念。反复上述步骤，最后将形成某个时相　上的影像分类监督知识库，能够用于一定时段内各　

图２样本分类检查流程图　个年度在本时相上的遥感监测调查。逐步积累多个　时相的先验知识，增加知识库的存贮量，并考虑时间　变化与样本数据的关系，不仅能使样本精度更高，而　且能随时用于任何时段的遥感监测。　对完成训练、建立起样本知识库的地市级数据　库进行数据筛选、分类、排序、合并等数据操作，从而　形成遍布全省范围的完整样本数据，建立省级样本　知识数据库，达到省级范围的应用。　２．３相关要素　遥感图像的光谱信息中往往存在异物同谱和同　物异谱现象，从彩色合成或单波段的图像中要发现　同个地物的纯净像元常常较为困难　』。因此，训练　样本选取的好坏及数量的多少与监督分类的精度密　切相关。　知识库的数据采集应考虑如下几个要素：　（１）地物的空问特征。包括地物的类型、位置、　形状、大小、图案、纹理、阴影等，充分描述了地物的　物理特性。不同的空间特征在遥感影像上有不同的　信息体现，如城市体现水泥建筑物的特征，公路、水　系的形状呈线型，水库的形状呈面状，平原与山区的　图案不同等。　（２）地物的时间特征。同一地物在一年内的不　同季节、一天内的不同时段，其空间特征是不一样　的。如河流的汛期和枯水期，植物的季节变化，地物　阴影在一天中的位置等，这些特征的变化与训练样　本的光谱变化密切相关。　（３）地物的光谱特征。地物在多波段图像上特　有的光谱响应提供了遥感信息的分类依据。一般情　况下，排除地物和传感器以外的影响，相同时空特征　的地物在遥感影像上具有相同的灰度值。　山西水土保持科技　２０１０年第４期　在进行采集作业时，可对调查的对象使用ＧＰＳ　进行定位，通过实地考察检验，将地物的时空特征按　

一定的描述手法输入计算机。随着信息库知识量的　积累以及样本信息精度的提高，进行遥感影像的监　督分类将更加容易、更加迅速、更加准确可靠。　

３　应用实例　随着科学技术的发展，水土保持工作逐渐应用　了高新技术。１９８４年福建省采用１：２．５万地形图　开展常规方法土壤侵蚀调查，动员ｒ　１　０９４人，历时　３年整，耗资１００多万元。在２０００年进行的全国上　壤侵蚀遥感调查，应用１：１０万ＴＭ影像，从分析侵　蚀主导因子（坡度、植被盖度、土地利用）人手，进行　机助判读，勾绘侵蚀班　，按部颁标准进行定性分　级，其理论与技术已相对较为成熟。　在我们进行的泉州市１．１万ｋｍ　土壤侵蚀监测　中，采用的是从侵蚀量人手的定量遥感监测方法。　利用ＴＭ影像和地面降雨观测资料、土壤普查资料、　土地利用资料、航测地形图等，建立土壤侵蚀相关因　子的数学模型，编制出因子图层，以国际通用土壤流　失方程ＵＳＬＥ为原型，由计算机自动计算侵蚀量，生　成土壤侵蚀现状图，再由图班的侵蚀模数转换为部　颁等级。结合其他地理信息图层进行逻辑分析后可　产生一系列的专题报表与图件。该方法与植被度遥　感样本知识库相结合，实现机器智能化快速动态监　测，并且产生的监测结果可以反复求算，基本脱离人　为主观因素对监测结果的影响。整个泉州市的非首　次监测实际过程仅需２人，３～４台计算机，用时１．５　个月，全面完成监测统计报表与专题图件等监测结　果的输出（见表１）。　表】　泉帅ｌ市２００５年不同土地利用类型的土壤侵蚀面积统计　

４　结论与讨论　综合应用ＲＳ、ＧＰＳ、（　Ｓ是包括水十保持行业在　内的遥感监测评价和空问分析的有效手段。遥感影　像与ＧＩＳ数据库中的大量背景数据的叠合分析，大　大提高了遥感信息源的识别能力和可信度；遥感也　是地理信息系统数据库快速更新的最佳信息源；知　识工程技术为遥感图像理解和自动判读提供了一种　基于逻辑智能的高水平的分析方法；以地理信息系　统和遥感处理系统为核心，将这些技术集合在一起　形成所谓的“３ｓ”或“５ｓ”系统，能进行实时或准实时　遥感调查、监测和分析，其用途广泛。　本文论述了通过应用“３ｓ”技术进行植被度信　息分类的方法。首先，在地市行政范围内建立判读　样本知识库，再汇合形成省级数据库，能够进行省级　水土保持监测应用；其次，样本的准确可靠、分类的　详细程度、样本的数量等关系到监测精度的好坏，由　于从较小范围人手，样本类别相对较少，采集作业较　为准确，采集量也较易满足地市监测的要求．从而实　

现由小而大，由易入难；第三，在本方法中，多时相的　知识库是实现快速动态监测的必要条件，但要一下　子做成全省统一的多个时相数据不大可能，有条件　的地Ｊ｝了先做，町逐渐累手只达到省级范围。　

参考文献　［１］冯筠，黄新字．遥感技术在资源环境监测中的作用　及发展趋势［Ｊ］．遥感技术与应用，１９９９，１４（４）：５９～７０．　［２］陈志伟，陈永宝，等．植被因子算式在土壤侵蚀定量　监测中的应硐研究［ｊ］．福建水土保持，２０００，１２（３）：４２～４６．　［３］孙家椭，舒宁，等．遥感原理、方法和应用［Ｍ］．北　京：测绘出版社，１９９７．　［４］曾大林，李智广．第二次全国土壤侵蚀遥感调查工　作的做法与思考．中国水土保持，２０００（１）：２８～３１．　

作者简介　陈志伟（１９７２－）：男，工程师；通讯地址：福建省　南安市环城西路８０号，３６２３００