TM遙感影像彩色合成最佳波段組合研究
——以恩施市土地利用遙感圖制作為例

常 勝

(湖北民族學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 恩施 445000)

土地變化研究是全球變化研究的重要領(lǐng)域.遙感技術(shù)利用地面上空的飛機(jī)、飛船、衛(wèi)星等飛行物上的遙感器收集地面數(shù)據(jù)資料，并從中獲取信息，經(jīng)記錄、傳送、分析和判讀來識別地物，不受地面條件限制，可獲取大范圍地面信息，且獲取信息速度快、周期短，已經(jīng)成為研究土地變化的主要數(shù)據(jù)來源，土地利用遙感圖則是利用遙感數(shù)據(jù)開展土地變化研究的基礎(chǔ)圖件[1～3].

TM遙感數(shù)據(jù)具有適合中等尺度研究的空間分辨率，并相對易于獲取，在土地變化研究中應(yīng)用最為普遍.TM遙感數(shù)據(jù)為多光譜數(shù)據(jù)，最佳波段選取是遙感圖像增強(qiáng)處理的關(guān)鍵部分，直接影響到目視解譯和研究對象的信息提取.目前，目視判讀在遙感圖像解譯中仍具有重要作用，人眼對彩色比較敏感且分辨能力強(qiáng)，而TM單波段圖像為灰度圖，不利于目視判讀.根據(jù)彩色圖像合成原理，如果在3個(gè)通道上安置3個(gè)波段圖像，然后分別賦以紅、綠、藍(lán)色，疊合在一起即可得到彩色圖像[4].因此，選擇合適的波段數(shù)據(jù)合成彩色圖像，可充分利用信息豐富的彩色合成圖像進(jìn)行目標(biāo)判讀.如何從TM影像的多光譜數(shù)據(jù)中選取最佳波段合成彩色圖像，是遙感數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)問題.本文以恩施市土地變化研究中的遙感圖件制作為例，探討TM遙感數(shù)據(jù)彩色合成最佳波段組合方法.

1 TM遙感數(shù)據(jù)及其常用波段組合

1.1 TM遙感數(shù)據(jù)簡介

TM是美國陸地資源衛(wèi)星Landsat4和Landsat5攜帶的傳感器，每16 d可掃描全球一次.TM影像包含7個(gè)波段，波段1～5和波段7的空間分辨率為30 m，波段6(熱紅外波段)的空間分辨率為120 m.南北的掃描范圍大約為170 km，東西的掃描范圍大約為183 km.

1.2 TM遙感數(shù)據(jù)的常用波段組合

1)真彩色組合 將TM影像的3、2、1波段分別賦予紅、綠、藍(lán)色，獲得自然彩色合成圖像.圖像色彩較單調(diào)，層次感不好，不利于計(jì)算機(jī)解譯；但圖像的色彩與原地區(qū)或景物的實(shí)際色彩一致，適合于非遙感應(yīng)用專業(yè)人員進(jìn)行目視判讀，因此可用該組合來支持計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類的訓(xùn)練區(qū)選擇.

2)標(biāo)準(zhǔn)假彩色組合 將TM影像的4、3、2波段分別賦予紅、綠、藍(lán)色，獲得假彩色圖像.植被成紅色，由于突出表現(xiàn)了植被的特征，應(yīng)用十分的廣泛，而被稱為標(biāo)準(zhǔn)假彩色.

3)453波段組合 TM影像的4、5、3波段分別賦紅、綠、藍(lán)色合成假彩色圖像.色彩反差明顯，層次豐富，而且各類地物的色彩顯示規(guī)律與常規(guī)合成片相似，符合過去常規(guī)片的目視判讀習(xí)慣.如果將4、5兩波段的賦色對調(diào)一下，即5、4、3分別賦予紅、綠、藍(lán)色，則獲得近似自然彩色合成圖像，適合于非遙感應(yīng)用專業(yè)人員使用.

4)743波段組合 TM影像的7、4、3波段分別賦紅、綠、藍(lán)色合成假彩色圖像.兼容中紅外、近紅外及可見光波段信息，圖面色彩豐富，層次感好，具有極為豐富的地表環(huán)境信息，而且清晰度高，干擾信息少.

表1 TM影像數(shù)據(jù)的波段設(shè)計(jì)

2 最佳波段組合的理論模型

2.1 最佳波段的選取原則

通常選擇最佳波段的原則有3點(diǎn)[5,6]：①參與彩色合成的波段所含信息量大；②參與彩色合成的各波段之間的相關(guān)性??；③該波段組合合成得到的彩色圖像對研究區(qū)關(guān)注的地物類型之間的光譜差異要大.那些信息含量多、相關(guān)性小、地物光譜差異大、可分性好的波段組合就是最佳組合，據(jù)此，可以認(rèn)為相關(guān)性較強(qiáng)的波段組合在一起不會是最佳組合，高光譜遙感數(shù)據(jù)波段間的存在著不同程度的信息量重復(fù)和冗余.

2.2 最佳波段選取的方法

目前應(yīng)用比較廣泛的選取方法有各波段信息量的比較、波段間相關(guān)性比較、最佳指數(shù)法(OIF)、各波段數(shù)據(jù)的信息熵和聯(lián)合熵、協(xié)方差矩陣特征值法、波段指數(shù)法[4～7].

在各種方法中，由美國查維茨提出的最佳指數(shù)法(OIF)綜合考慮單波段圖像的信息量及各波段間的相關(guān)性，更接近于波段選擇的原則，且計(jì)算簡單，易于實(shí)現(xiàn)，得到廣泛的應(yīng)用.OIF指數(shù)的計(jì)算公式如下：

|Rij|

(1)

其中：Si為第i個(gè)波段的標(biāo)準(zhǔn)差，Rij為i、j兩波段的相關(guān)系數(shù).

對n波段圖像，先統(tǒng)計(jì)計(jì)算單波段圖像的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算各波段間的相關(guān)系數(shù)矩陣，再分別求出所有可能的波段組合對應(yīng)的OIF指數(shù)，根據(jù)該指數(shù)大小來判斷各種波段組合的優(yōu)劣.指數(shù)越大，則相應(yīng)組合影像所包含的信息量就越大.對OIF指數(shù)從大到小進(jìn)行排序，最大OIF指數(shù)對應(yīng)的波段組合即為最佳波段組合.

表2 恩施市2000年多波段圖像光譜統(tǒng)計(jì)特征表

表3 恩施市2000年多波段圖像相關(guān)系數(shù)

表4 不同波段組合的OIF指數(shù)計(jì)算表

3 恩施市土地利用遙感圖的彩色合成

3.1 數(shù)據(jù)

恩施市所在TM影像數(shù)據(jù)軌道號為125/39，本研究中采用數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間為2000年5月14日.

3.2 遙感圖像光譜特征統(tǒng)計(jì)及波段間相關(guān)系數(shù)計(jì)算

在ENVI軟件的支持下，對2007年區(qū)域遙感多波段圖像進(jìn)行圖像統(tǒng)計(jì)，得到研究區(qū)遙感圖像各波段的光譜統(tǒng)計(jì)特征及波段間相關(guān)系數(shù).圖像光譜特征統(tǒng)計(jì)(表2)表明：單波段信息量最大的為band4，其次為band5和band1.各波段間的相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示：band4與其它波段相關(guān)性較低，而3個(gè)可見光波段之間、band5和band7之間相關(guān)性較高.

3.3 最佳波段組合確定

根據(jù)表2和表3，可確定band4為參與彩色合成的一個(gè)波段，三個(gè)可見光波段中選擇一個(gè)波段，band5和band7中選擇一個(gè)波段，得到六種可能的波段組合，再加上真彩色波段組合及標(biāo)準(zhǔn)假彩色波段組合，共8種可能的最佳波段組合.按式1計(jì)算得到不同波段組合的OIF指數(shù)(表4)，以145波段組合的OIF指數(shù)最大，故可確定本研究中遙感數(shù)據(jù)的最佳波段組合為145波段組合.

3.4 土地利用遙感圖彩色合成

在確定最佳波段組合的基礎(chǔ)上，還需確定賦色方案以使獲得的合成圖像與自然地物具有較好的相似性，便于目視解譯.在ERDAS IMAGINE軟件支持下，導(dǎo)入1、4、5三個(gè)波段數(shù)據(jù)，按各種賦色方案分別進(jìn)行圖層疊置，并比較得到的合成圖像，確定最佳賦色方案為分別賦予band5、band4、band1以紅、綠、藍(lán)色，獲得近似自然彩色圖像.

4 結(jié)論與討論

一般情況下，在TM7個(gè)波段光譜圖像中，第5個(gè)波段包含的地物信息最豐富；3個(gè)可見光波段(即第1、2、3波段)之間、兩個(gè)中紅外波段(第5、7波段)之間相關(guān)性較高，表明這些波段的信息中有相當(dāng)大的重復(fù)性或者冗余性；第4、6波段較特殊，尤其是第4波段與其他波段的相關(guān)性得很低，表明這個(gè)波段信息有很大的獨(dú)立性；第7波段在探測森林火災(zāi)、巖礦蝕變帶及土壤粘土礦物類型等方面有特殊的作用，也可用于進(jìn)行植被的解譯.有關(guān)研究表明，由一個(gè)可見光波段、一個(gè)中紅外波段及第4波段組合而成的彩色合成圖像一般具有最豐富的地物信息，其中又以5、4、3或5、4、1波段的組合為最佳[6～10].

本文基于OIF指數(shù)數(shù)量分析方法確定出恩施市所在遙感圖像的最佳波段組合為541波段組合，與TM影像特征的定性分析相吻合，表明該方法用于確定最佳波段組合是可行的、可靠的.另外，OIF指數(shù)法計(jì)算簡單，所需要的基礎(chǔ)參數(shù)為各波段數(shù)據(jù)的方差和波段之間的相關(guān)系數(shù)，可很容易的在相關(guān)軟件支持下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)獲得，因此該方法易于操作.

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