遥感变化监测流程

多时相土地利用/覆盖变化监测研究

方法及数据选取

土地是一个综合的自然地理概念，它处于地圈-生物圈-大气圈相互作用的界面，是各种自然过程和人类活动最为活跃的场所。地球表层系统最突出的景观标志就是土地利用和土地覆盖( Land Use and Land Cover)。由于土地利用和土地覆盖与人类的生活、生产息息相关，而人类活动正以空前的速度、幅度和空前规模改变着陆地环境。人类对土地资源的利用引起的土地利用和土地覆盖的变化是全球环境变化的重要因素之一，也是地球表面科学研究领域中的一个重要分支。因此，土地利用和土地覆盖的动态监测（Land Use and Land Cover Monitoring）是国内外研究的热点，也是当前全球变化研究计划的重要组成部分。

由多时相遥感数据分析地表变化过程需要进行一系列图像处理工作，大致包括：一、数据源选择，二、几何配准处理，三、辐射处理与归一化，四、变化监测算法及应用等。

一、遥感数据源的选取

不同遥感系统的时间分辨率、空间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率不同，选择合适的遥感数据是变化监测能否成功的前提。因此，在变化监测之前需要对监测区域内的主要问题进行调查，分析监测对象的空间分布特点、光谱特性及时相变化的情况，目的是为分析任务选择合适的遥感数据。同时，考虑到环境因素的影响，用于变化监测的图像最好是由同一个遥感系统获得，如果由于某种原因无法获得同一种遥感系统在不同时段的数据，则需要选择俯视角与光谱波段相近的遥感系统数据。

1时间分辨率

这里需要根据监测对象的时相变化特点来确定遥感监测的频率，如需要一年一次、一季度一次还是一月一次等。同时，在选择多时相遥感数据进行变化监测时需要考虑两个时间条件。首先，应当尽可能选择用每天同一时刻或者相近时间的遥感图像，以消除因太阳高度角不同引起的图像反射特性差异；其次，应尽可能选用年间同一季节，甚至同一日期的遥感数据，以消除因季节性太阳高度角不同和植物物候差异的影响。

2空间分辨率

首先要考虑监测对象的空间尺度及空间变异的情况，以确定其对于遥感数据的空间分辨率的要求。变化监测还要求保证不同时段遥感图像之间的精确配准。因此，最好是采用具有相同瞬时视场（IFOV）的遥感数据，如具有同样空间分辨率的TM图像之间就比较容易配准在一起。当然也可以使用不同瞬时视场遥感系统获取的数据，如某一日期的TM图像（30m ×30m）与另一日期的SPOT图像（20m×20m），来进行变化监测，在这种情况下需要确定一个最小制图单元20m×20m，并对这两个图像数据重采样使之具有一致的像元大小。

一些遥感系统按不同的视场角拍摄地面图像，如SPOT的视场角能达到±27°，在变化监测中如果简单采用俯视角明显不同的两幅遥感图像，就有可能导致错误的分析结果。例如，对一个林区，不均匀地分布着一些大树，以观测天顶角0°拍摄的SPOT图像是直接从上向下观测到树冠顶，而对于一幅以20°观测角拍摄的SPOT图像所记录的是树冠侧面的光谱反射信息。因此，在变化监测分析中必须考虑到所用遥感图像观测角度的影响，而且应当尽可能采用具有相同或相近的俯视角的数据。

3光谱分辨率

应当根据监测对象的类型与相应的光谱特性选择合适的遥感数据类型及相应波段。变化监测分析的一个基本假设是，如果在两个不同时段之间瞬时视场内地面物质发生了变化，则不同时段图像对应像元的光谱响应也就会存在差别。所选择的遥感系统的光谱分辨率应当足以记录光谱区内反射的辐射通量,从而最有效地描述有关对象的光谱属性。但实际上不同的

遥感系统并没有严格地按照相同的电磁谱段记录能量。比较理想的是采用相同的遥感系统来获取多时相数据。若没有条件，则应选择相接近的波段进行分析。如SPOT卫星的波段1（绿）、波段2（红）和波段3（近红外）可以成功地用来与TM的波段2（绿）、波段3（红）和波段4（近红外），或与Landsat MSS的波段4（绿）、波段5（红）和波段7（近红外）进行对比。

4辐射分辨率

变化监测中一般还应采用具有相同辐射分辨率的不同日期遥感图像，如果采用具有不同辐射分辨率的图像进行比较的话，需要把低辐射分辨率遥感图像数据转换为较高辐射分辨率的图像数据，当然这种转换并没有提高其原始数据的亮度值精度。

综上，选取合适的遥感影像数据源是变化检测的基础。研究地表地物变化，首先要选择与研究地物的目标特征相匹配的数据源。卫星遥感技术快速发展到今天，虽然从1100m分辨率的NOAA/AVHRR影像到不足1m分辨率的QuickBird影像都可以应用到土地利用/覆被变化研究中来，但根据监测尺度的不同，遥感数据的选择也有一定差异。目前应用于地区尺度的土地利用/覆被变化研究主要选择Landsat、SPOT、IKONOS、QuickBird、CBERS等卫星的数据。Landsat的MSS、TM、ETM+数据因其价格较便宜和存档数据丰富而被广泛应用，但当其应用于区域或全球尺度时，就会因数据费用昂贵、缺乏适当的分析方法和相配的技术而受到阻碍。近年来，随着混合像元分解技术的发展，以NOAA/AVHRR影像为主要代表的低空间分辨率遥感影像越来越受到人们的关注，并逐渐应用到全球和区域尺度上的土地利用/覆被变化研究。低空间分辨率的EOS/MODIS数据的应用也发展迅猛，美国发射的TERRA和AQUA 上搭载的MODIS传感器所获取的影像，同AVHRR影像相比，其波段数目、分辨率、数据接收和数据格式等方面都作了相当大的改进。其可获取250m（1、2 波段）、500m（3～7 波段）和1000m（8～36 波段）的36个分布在0.405~14.385μm之间的波段数据，其中250 米分辨率的2个波段主要是对陆地的观测。由于MODIS数据在波段和分辨率方面的改进，使得MODIS数据量大幅度地增加（大约相当于AVHRR同期数据量的18倍左右）。另外MODIS 数据还实行全球免费接收，这就更促进了MODIS数据的广泛应用。此外，一些学者经研究后得出一些特定目标变化探测的最小图像空间分辨率，同时也研究了时间分辨率对土地变化检测的影响，结果认为最小3~4 年的时间周期，才能用来较为精确地检测土地变化，提高时间间隔如1~2 年的时相图像，结果会更优。一般来说，综合利用多种空间、时间、光谱遥感影像及地理信息数据有助于提高变化检测的精度。但考虑到数据成本及各种传感器本身的特性，多源数据不易获取，因此应最大程度地利用多源数据的差异部分和减小多源数据的过多"冗余"。

二、几何配准处理

几何配准处理是指利用地面控制点数据对不同时段的遥感图像进行精确的几何校正，及图像与图像之间的配准。不同时相遥感图像之间的配准精度非常重要。研究结果表明，对于变化检测来说，图像之间的配准误差(平均均方误差)应小于半个像元。

三、辐射处理与归一化

用于变化监测的不同时相的遥感图像之间通常需要进行辐射度匹配与归一化处理。即使对于那些已分别作过辐射校正处理的图像这种图像之间的辐射度匹配与归一化处理仍然是必要的。图像之间的辐射度匹配与归一化是以一幅图像的直方图为基础，将其他图像的直方图与之匹配。其主要目的是保证不同时段图像上像元亮度值的可对比性。

四、多时相土地利用/覆盖变化监测研究方法

不同时相的遥感图像经过以上的几何配准和辐射校正处理后，就需要选取不同的算法来增强和区分出相对变化的区域。

随着卫星遥感技术的快速发展，当前的多时相土地利用/覆盖变化监测研究方法非常多，