9、城市遥感课件.ppt
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- 城市 遥感 课件
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1、第第9章章 城市遥感城市遥感资源环境遥感1内容提要:内容提要:n9.1 9.1 城市遥感概述城市遥感概述 n9.2 9.2 城市扩张遥感监测城市扩张遥感监测 q9.2.1 遥感监测城市扩张的原理与方法遥感监测城市扩张的原理与方法 一、归一化建筑用地指数一、归一化建筑用地指数 二、改进的归一化裸露指数二、改进的归一化裸露指数 三、城镇用地指数三、城镇用地指数 q9.2.2 遥感监测城市扩张的实例遥感监测城市扩张的实例 2内容提要:n9.3 9.3 城市热岛效应遥感监测城市热岛效应遥感监测 q 9.3.1 遥感监测城市热岛效应的原理与方遥感监测城市热岛效应的原理与方法法 q 9.3.2 遥感监测城
2、市热岛效应实例遥感监测城市热岛效应实例 n9.4 9.4 城市气溶胶厚度遥感监测城市气溶胶厚度遥感监测 q 9.4.1 遥感监测城市气溶胶厚度的原理与遥感监测城市气溶胶厚度的原理与方法方法 q 9.4.1 遥感监测城市气溶胶厚度的实例遥感监测城市气溶胶厚度的实例 n9.5 9.5 城市人口密度遥感监测城市人口密度遥感监测 q 9.5.1 遥感监测城市人口密度的原理与方遥感监测城市人口密度的原理与方法法 q 9.5.2 遥感监测城市人口密度的实例遥感监测城市人口密度的实例 39.1 城市遥感概述 城市是人口集中、集约经济活动及不同生活方城市是人口集中、集约经济活动及不同生活方式并存的复杂社会。城
3、市又是人类活动的缩影,式并存的复杂社会。城市又是人类活动的缩影,并且不断地经历着迅速变化的过程,需要及时地并且不断地经历着迅速变化的过程,需要及时地进行监测与分析。城市规划和城市建设者面临的进行监测与分析。城市规划和城市建设者面临的重大任务之一,就是重大任务之一,就是获取与分析那些能有效地用获取与分析那些能有效地用于城市规划、建设和管理的资料于城市规划、建设和管理的资料。49.1 城市遥感概述 城市遥感的城市遥感的任务任务就是为城市规划、建设和管理就是为城市规划、建设和管理提供多方面的基础地理信息和其他与城市发展有提供多方面的基础地理信息和其他与城市发展有关的资料,诸如关的资料,诸如城市土地利
4、用现状、城市演变、城市土地利用现状、城市演变、城市及区域的自然状况、城市人口及其分布情况、城市及区域的自然状况、城市人口及其分布情况、城市道路与交通状况、城市热岛、通讯受地理限城市道路与交通状况、城市热岛、通讯受地理限制的因素制的因素等。城市遥感与传统的城市相关资料调等。城市遥感与传统的城市相关资料调查相比,既省时,又省钱,而且效率很高,因而查相比,既省时,又省钱,而且效率很高,因而具有广阔的应用和发展前景。具有广阔的应用和发展前景。56 城市遥感调查的主要技术流程如下图所城市遥感调查的主要技术流程如下图所示。图示。图中的目的、内容和要求由调查的项目需要中的目的、内容和要求由调查的项目需要所决
5、所决定;遥感图像包括两类,一是定;遥感图像包括两类,一是航天遥感图航天遥感图像像(主主要用于要用于区域性和市域性的宏观调查区域性和市域性的宏观调查)和和航航空遥感空遥感图像图像(主要用于主要用于建成区和城市局部地区的建成区和城市局部地区的较微观较微观调查调查);地形图地形图主要用于划分调查的空间主要用于划分调查的空间层次、层次、地理单元和影像解译时的参考以及作为遥地理单元和影像解译时的参考以及作为遥感调查感调查的基础底图。的基础底图。9.1 城市遥感概述7城市遥感调查流程城市遥感调查流程89.2 城市扩张遥感监测 9.2.1 遥感监测城市扩张的原理与方法遥感监测城市扩张的原理与方法 城市扩张在
6、遥感影像上体现为城市扩张在遥感影像上体现为城市面积的城市面积的不断不断扩大扩大,特别是城镇建筑用地的不断扩张。大,特别是城镇建筑用地的不断扩张。大量的研量的研究表明,利用卫星遥感影像数据通过数字图究表明,利用卫星遥感影像数据通过数字图像处理像处理的方法获取城镇用地信息,从而揭示城市扩的方法获取城镇用地信息,从而揭示城市扩张的动张的动态变化是监测城市扩张的有效方法,与统计态变化是监测城市扩张的有效方法,与统计数据分数据分析方法相比更具析方法相比更具实时性和可靠性实时性和可靠性。99.2.1 遥感监测城市扩张的原理与方法基于遥感影像上提取城镇用地通常是通过基于遥感影像上提取城镇用地通常是通过识别城
7、识别城镇用地的特征而获得的。提取城镇用地信镇用地的特征而获得的。提取城镇用地信息的方息的方法主要有法主要有目视解译手工数字化的方法目视解译手工数字化的方法,计计算机监算机监督分类和非监督分类的方法督分类和非监督分类的方法和和基于光谱特基于光谱特征知识征知识的分类方法的分类方法。10(1)归一化建筑用地指数 NDBINDBI源于对源于对NDVINDVI的深入分析。的深入分析。NDVINDVI之所以能有效提之所以能有效提 取植被,是因为植被在取植被,是因为植被在TM4TM4上的值大于上的值大于TM3TM3,而其它,而其它 地物的地物的DNDN值都变小。因此值都变小。因此在在NDVINDVI图像上一
8、般值大于图像上一般值大于0 0 的地物都是植被的地物都是植被。由此得到启发,在。由此得到启发,在TM4TM4和和TM5TM5波段波段 之间除了城镇用地之间除了城镇用地DNDN值走高之外,其他地物值走高之外,其他地物DNDN值都变值都变小。因此,小。因此,NDBI=(TM5-TM4)/(TM5+TM4),图像上图像上NDBINDBI值大于值大于0 0的地物则认为是城镇用地。的地物则认为是城镇用地。11典型地物在典型地物在Landsat TMLandsat TM影像上的光谱曲线影像上的光谱曲线 12(1)归一化建筑用地指数 但是,研究发现城镇用地但是,研究发现城镇用地TM5TM5波段和波段和TM4
9、TM4波波 段的差异远不如构建植被指数的波段段的差异远不如构建植被指数的波段之间之间 的差异来的明显。在的差异来的明显。在Landsat TMLandsat TM影像影像上上DNDN 值值TM5TM5高于高于M4M4的的除了城镇用地还有裸除了城镇用地还有裸地以及地以及 含土壤背景信息的低密度植被覆盖区含土壤背景信息的低密度植被覆盖区。因因 此,利用此,利用NDBINDBI提取城镇用地的精度必提取城镇用地的精度必然会然会 受到一定程度的影响。受到一定程度的影响。13(2)改进的归一化裸露指数 NDBINDBI从本质上讲揭示了地表裸露特征,因此将从本质上讲揭示了地表裸露特征,因此将NDBINDBI
10、定义定义 为归一化裸露指数为归一化裸露指数(Normalized Differenced Barren Normalized Differenced Barren Index Index)。)。从上面的典型地物的光谱曲线我们可以知道研从上面的典型地物的光谱曲线我们可以知道研 究发现城镇用地究发现城镇用地TM5TM5波段和波段和TM4TM4波段的差异远不如构建植波段的差异远不如构建植 被指数的波段之间的差异来的明显。考虑到归一化植被被指数的波段之间的差异来的明显。考虑到归一化植被 指数指数NDVINDVI反映的是植被信息,那么反映的是植被信息,那么(1-NDVI1-NDVI)反映的就)反映的就
11、是非植被信息是非植被信息,即主,即主要是居民地、裸地以及河流要是居民地、裸地以及河流。由于。由于 NDBINDBI主要反映的是城镇和裸露地信息,所以将主要反映的是城镇和裸露地信息,所以将NDBINDBI和和 (1-NDVI1-NDVI)相加就可以更加突出居民地信息)相加就可以更加突出居民地信息。14 因此将之称为改进的归一化裸露指数因此将之称为改进的归一化裸露指数(Modified Normalized Difference Barren Index,MNDBI),),即即 MNDBI=NDBI+(1-NDVI)。下图分别是下图分别是NDBI和和MNDBI中心位置的剖面线灰中心位置的剖面线灰
12、度值分布图,可以很明显的看出,改进的度值分布图,可以很明显的看出,改进的NDBI 对图像有增强作用,灰度值的变化范围较之对图像有增强作用,灰度值的变化范围较之NDBI变化很大,突出了变化很大,突出了城市信息城市信息,使其,使其与周围地与周围地 物的反差增大物的反差增大,有利于提取城市信息。,有利于提取城市信息。15距距 离离 (m m)灰度值灰度值 NDBI图像中灰度值剖面图图像中灰度值剖面图 16灰度值灰度值 距距 离离 (m m)MNDBI图像中灰度值剖面图图像中灰度值剖面图 17(2)改进的归一化裸露指数 MNDBIMNDBI是对是对NDBINDBI的改进的改进,突出了城市信突出了城市信
13、 息,使其与周围地物的反差增大,有利息,使其与周围地物的反差增大,有利 于提取城市信息。但是,它需要不断人于提取城市信息。但是,它需要不断人 为尝试为尝试选取选取MNDBIMNDBI的阈值的阈值,最终获得较好,最终获得较好 的提取效果。因此其结果仍然的提取效果。因此其结果仍然不够客观不够客观。18(3)城镇用地指数城镇用地指数 在在NDBINDBI基础上引入基础上引入NDVINDVI,通过对图像的二值化、,通过对图像的二值化、求交运算,利用这两个指数各自的优势来提取求交运算,利用这两个指数各自的优势来提取 城镇用地,把这两个指数的结合用于提取城镇城镇用地,把这两个指数的结合用于提取城镇 用地称
14、为用地称为城镇用地指数(城镇用地指数(Urban Land-use Urban Land-use IndexIndex,ULIULI)。)。19 低密度植被覆盖区在低密度植被覆盖区在TM3TM3和和TM4TM4上具有植被的光谱上具有植被的光谱 特征特征(即在即在TM3TM3和和TM4TM4之间之间DNDN值值)是变大的;而在是变大的;而在 TM4TM4和和TM5TM5上具有城镇用地的光谱特征或者说具有上具有城镇用地的光谱特征或者说具有 裸地的光谱特征即在裸地的光谱特征即在TM4TM4和和TM5TM5波段之间波段之间DNDN值是变值是变大的。因此,低密度植被覆盖区不仅具有植被的大的。因此,低密度
15、植被覆盖区不仅具有植被的 光谱特性光谱特性,而且具有城镇用地的光谱特性。利用这而且具有城镇用地的光谱特性。利用这 一独特的光谱特性可以将一独特的光谱特性可以将NDBINDBI提取得到的城镇用提取得到的城镇用地地(其结果还包含裸地和低密度植被覆盖区)(其结果还包含裸地和低密度植被覆盖区)中中 的低密度植被覆盖区从中分离出来。的低密度植被覆盖区从中分离出来。20典型地物二值化后的像元值典型地物二值化后的像元值 城镇用地城镇用地 林地林地 农田农田 水体水体 低密度植被覆低密度植被覆盖区盖区 NDBI 1 0 0 0 1 NDVI 1 0 0 1 0 NDBI*NDVI 1 0 0 0 0 21方法
16、名称方法名称作者作者公式公式优点优点缺点缺点归一化建筑用归一化建筑用地指数地指数(NDBI)查勇,杨山等查勇,杨山等(2003)(TM5-TM4)/(TM5TM4)相对于传统方法快速相对于传统方法快速有效,提取精度有效,提取精度较高,结果较为较高,结果较为客观,可信客观,可信提取结果包含低提取结果包含低密度植被区、密度植被区、裸地信息裸地信息改进的归一化改进的归一化裸露指数裸露指数(MNDBI)吴宏安,蒋建吴宏安,蒋建军等军等(2005)NDBI+(1-NDVI)相对相对NDBI更加突出了更加突出了城镇用地信息,城镇用地信息,提取结果得到改提取结果得到改善善需要人为设定阈需要人为设定阈值,结果
17、受主值,结果受主观因素影响;观因素影响;提取结果包含提取结果包含低密度植被区、低密度植被区、裸地信息裸地信息城镇用地城镇用地指数指数(ULI)徐徐 军,蒋建军,蒋建军等军等(2007)NDBI&NDVI相对相对NDBI去除了低密去除了低密度植被区的影响,度植被区的影响,提取精度得到提提取精度得到提高,结果客观、高,结果客观、可信,是一种自可信,是一种自动提取城镇用地动提取城镇用地的方法的方法提取结果仍含有提取结果仍含有裸地信息裸地信息三种基于谱间特征分析的城镇用地提取方法比较三种基于谱间特征分析的城镇用地提取方法比较229.2.2 遥感监测城市扩张的实例 选用的是选用的是Landsat TML
18、andsat TM影像,研究区覆盖浙江省金华地区,影像,研究区覆盖浙江省金华地区,成像时间是成像时间是19961996年年9 9月月6 6日,日,TM6TM6波段是热红外波段,所以仅选用波段是热红外波段,所以仅选用了了1515波段和波段和7 7波段,其空间分辨率为波段,其空间分辨率为30m30m。其他数据包括金华市。其他数据包括金华市19961996年的土地利用现状图以及年的土地利用现状图以及1:51:5万地形图,用于几何校正和精万地形图,用于几何校正和精度检验。金华市位于浙江省的中部,属亚热带季风气候。度检验。金华市位于浙江省的中部,属亚热带季风气候。23(1)NDBI提取城镇用地 通过对影
19、像的预处理,得到了大气校正后的通过对影像的预处理,得到了大气校正后的Landsat Landsat TMTM影像(图影像(图a a)。利用)。利用NDBINDBI计算计算NDBINDBI图,城镇用地在图,城镇用地在NDBINDBI图上得到了最大的亮度增强,其他地物则普遍受到图上得到了最大的亮度增强,其他地物则普遍受到压抑,其压抑,其NDBINDBI值为值为-1-11 1(图(图b b)。将)。将NDBINDBI图二值化,将图二值化,将NDBINDBI值大于值大于0 0的赋值为的赋值为1 1,以白色显示,代表城镇用地;,以白色显示,代表城镇用地;其它的赋值为其它的赋值为0 0,以黑色显示,代表非
20、城镇用地(图,以黑色显示,代表非城镇用地(图c c)。)。通过与大气校正后的通过与大气校正后的LandsatTMLandsatTM影像对比发现低密度植影像对比发现低密度植被覆盖区也被提取出来了。因此,仅仅利用被覆盖区也被提取出来了。因此,仅仅利用NDBI0NDBI0来提来提取城镇用地是不可靠的。取城镇用地是不可靠的。24NDBI法提取的城镇用地法提取的城镇用地(a)大气校正后的)大气校正后的 TM影像影像(543假假 彩色合成彩色合成)(b)NDBI图图(c)NDBI二值化图二值化图25(2)ULI提取城镇用地 利用利用ULIULI提取城镇用地是在提取城镇用地是在NDBINDBI的基础上引入的
21、基础上引入NDVINDVI,并在两者归一化的基础上进行求交运算。并在两者归一化的基础上进行求交运算。ULIULI提取的城镇用地提取的城镇用地(a)NDVI(a)NDVI图图 (b)NDVI(b)NDVI二值化图二值化图 (c)(c)求交运算后的二值化图求交运算后的二值化图26NDBINDBI提取城镇用地精度分析提取城镇用地精度分析 城镇用城镇用地地 非城镇用非城镇用地地 合计合计 精度精度 城镇用地城镇用地 55 55 16 16 71 71 77.46%77.46%非城镇用地非城镇用地 6 6 23 23 29 29 79.31%79.31%合计合计 61 61 39 39 100 100
22、78.39%78.39%ULIULI提取城镇用地精度分析提取城镇用地精度分析 城镇用地城镇用地 非城镇用地非城镇用地 合计合计 精度精度 城镇用地城镇用地 61 61 6 6 67 67 91.04%91.04%非城镇用地非城镇用地 4 4 29 29 33 33 87.88%87.88%合计合计 65 65 35 35 100 100 89.46%89.46%279.3 城市热岛效应遥感监测 9.3.1遥感监测城市热岛效应的原理与方法遥感监测城市热岛效应的原理与方法 城镇扩展对大气环境的另外一个显著影城镇扩展对大气环境的另外一个显著影响就是响就是城市的城市的“热岛效应热岛效应”。快速城市化进
23、程改变。快速城市化进程改变了地表下了地表下垫面的理化性质。原本是土壤、草地和水体垫面的理化性质。原本是土壤、草地和水体等比热等比热大的自然表面被水泥、沥青等比热小的表面大的自然表面被水泥、沥青等比热小的表面代替,代替,这不仅改变了反射和吸收面的性质,还改变这不仅改变了反射和吸收面的性质,还改变了近地了近地面层的热交换和地面的粗糙度,使大气的物面层的热交换和地面的粗糙度,使大气的物理状况理状况受到影响。受到影响。289.3.1遥感监测城市 热岛效应的原理与方法 大量的观测对比和分析研究确认,城市大量的观测对比和分析研究确认,城市热岛热岛是城市气候中最普遍存在的气候分布特征。是城市气候中最普遍存在
24、的气候分布特征。如果如果绘制成等温线图,则形成等温线闭合状态的绘制成等温线图,则形成等温线闭合状态的高温高温区,人们把这个高温区比喻为立于四周围较区,人们把这个高温区比喻为立于四周围较低温低温度的乡村海洋中的孤岛,成为度的乡村海洋中的孤岛,成为“城市热岛城市热岛”。这种这种城市气温高于四周郊区气温的现象称为城市城市气温高于四周郊区气温的现象称为城市“热热岛效应岛效应”,有时也统称为城市热岛。城市气,有时也统称为城市热岛。城市气温与温与郊区同期(瞬时、日平均、月平均、年平均郊区同期(瞬时、日平均、月平均、年平均等)等)气温的气温的差值大小差值大小,则称为,则称为城市热岛强度城市热岛强度。29热岛
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