本發(fā)明涉及一種精準(zhǔn)、高效的喀斯特石漠化信息提取方法。
背景技術(shù)：
中國(guó)西南喀斯特地區(qū)普遍面臨著嚴(yán)重的石漠化問題。該問題嚴(yán)重影響著西南地區(qū)人民的生存環(huán)境和生活水平。因此，建立快速準(zhǔn)確高效的石漠化解譯和評(píng)價(jià)模型是非常亟需的。
目前，喀斯特石漠化信息提取采用的數(shù)據(jù)主要有：landsat的tm，etm以及oli，alos，aster，高分辨率衛(wèi)星等遙感數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)雖然具有高空間分辨率特點(diǎn)；但是圖幅較小，時(shí)間分辨率低；同時(shí)，受衛(wèi)星過境時(shí)間和天氣的影響并不總能獲取到合適理想的數(shù)據(jù)，難以進(jìn)行高時(shí)間分辨率石漠化監(jiān)測(cè)，在大區(qū)域的石漠化信息提取時(shí)，所需數(shù)據(jù)量大，影像處理工作繁重，所花時(shí)間長(zhǎng)、成本高、效率低。
喀斯特石漠化信息提取采取方法主要是通過erdas，envi，arcgis等軟件，采用監(jiān)督分類，非監(jiān)督分類，目視解譯，人機(jī)交互解譯，決策樹分類，野外實(shí)地調(diào)查等方法對(duì)遙感影像進(jìn)行石漠化信息提取。此類方法不僅受不同解譯人員經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷影響大，存在同譜異物等問題；而且工作強(qiáng)度大、效率低。
此外，還有研究通過估算喀斯特石漠化地區(qū)的ndvi(normalizeddifferencevegetationindex)來表征石漠化信息，但是，ndvi對(duì)石漠化信息表征能力存在很大偏差。以上方法具有一定的局限性，沒有系統(tǒng)地排除石漠化可能發(fā)生的基底條件，準(zhǔn)確性有待提高，而fvc(fractionalvegetationcover)，albedo，lst(landsurfacetemperature)能夠很好的反映地表裸露情況和植被覆蓋，可用于表征石漠化信息。
目前在喀斯特石漠化地區(qū)，還未采用fvc，albedo，lst綜合指數(shù)表征石漠化信息；對(duì)石漠化表征因子的貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量分析還沒有相應(yīng)的研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種喀斯特石漠化信息提取方法，該喀斯特石漠化信息提取方法通過地理探測(cè)器模型計(jì)算各因子對(duì)石漠化表征的貢獻(xiàn)率，建立了監(jiān)測(cè)解譯的定量評(píng)價(jià)指數(shù)模型，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的喀斯特石漠化信息的快速提取
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明提供的一種喀斯特石漠化信息提取方法，包括如下步驟：
①數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：巖性圖，土地利用圖，同期石漠化空間分布圖；
②篩選區(qū)域：從研究區(qū)中篩選出石漠化可能發(fā)生區(qū)域；
③計(jì)算因子空間分布圖：計(jì)算植被覆蓋度、地表反照率、陸地表面溫度；
④計(jì)算因子貢獻(xiàn)率：通過植被覆蓋度、地表反照率、陸地表面溫度的計(jì)算結(jié)果，利用地理探測(cè)器計(jì)算植被覆蓋度、地表反照率、陸表溫度的因子貢獻(xiàn)值；基于因子貢獻(xiàn)值在因子貢獻(xiàn)總值中的占比計(jì)算各因子貢獻(xiàn)率；
⑤擬合模型krdim：根據(jù)因子貢獻(xiàn)率擬合出石漠化監(jiān)測(cè)定量評(píng)價(jià)模型；
⑥石漠化劃分等級(jí)：基于石漠化監(jiān)測(cè)定量評(píng)價(jià)模型，將石漠化可能發(fā)生的區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，生成石漠化指數(shù)空間分布圖。
上述中石漠化可能發(fā)生區(qū)域包括喀斯特區(qū)域和土地利用為：林地、灌木林、草地、旱地、未利用地的區(qū)域。
所述將石漠化可能發(fā)生區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，劃分為無石漠化土地、潛在石漠化土地、輕度石漠化土地、中度石漠化土地、重度石漠化土地。
所述步驟③中，計(jì)算植被覆蓋度是通過
fvc＝(ndvi-ndvisoil)÷(ndviveg-ndvisoil)
進(jìn)行計(jì)算，其中ndvi為給定像元的ndvi值，ndvisoil為裸土地ndvi值；ndviveg為純植被像元的ndvi值。通過對(duì)ndvi值頻率統(tǒng)計(jì)，取累計(jì)頻率1％為ndvisoil，取累計(jì)頻率99％為ndviveg。
所述步驟③中，計(jì)算地表反照率是基于雙向反射分布函數(shù)計(jì)算，取用0.3-5.0μm寬波段的白空反照率得到。
所述陸地表面溫度采用最大值合成法得到每個(gè)月的取值，然后采用平均值法合成每年的取值。
所述步驟④中因子貢獻(xiàn)值通過
進(jìn)行計(jì)算，其中y為因變量，即石漠化等級(jí)，x為自變量因子，即植被覆蓋度、地表反照率、陸地表面溫度，σ2i、n和m分別表示x的第i類柵格值方差、柵格數(shù)和類型總數(shù)。
所述石漠化監(jiān)測(cè)定量評(píng)價(jià)模型為
k＝-a*fvc+b*albedo+c*lst
式中k表示石漠化指數(shù)；fvc，albedo，lst分別為植被覆蓋度、地表反照率、陸地表面溫度的取值，a，b，c分別為植被覆蓋度、地表反照率、陸地表面溫度的因子貢獻(xiàn)率。
本發(fā)明的有益效果在于：通過地理探測(cè)器模型計(jì)算各因子對(duì)石漠化表征的貢獻(xiàn)率，建立了監(jiān)測(cè)解譯的定量評(píng)價(jià)指數(shù)模型(karstrockydesertificationindexmodle，krdim)，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的喀斯特石漠化信息的快速提取。
具體實(shí)施方式
下面進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但要求保護(hù)的范圍并不局限于所述。
本發(fā)明提供了一種喀斯特石漠化信息提取方法，包括如下步驟：
第一，提取喀斯特區(qū)域。根據(jù)石漠化發(fā)生的特性，石漠化不會(huì)發(fā)生在非喀斯特區(qū)域，將研究區(qū)的巖性圖上的喀斯特區(qū)域提取出來。
第二，提取石漠化可能發(fā)生區(qū)域。研究區(qū)的土地利用主要分為：有林地，灌木林，草地，水田，旱地，水域，建設(shè)用地，未利用地。石漠化不可能發(fā)生在水田，水域，建設(shè)用地區(qū)域，將石漠化的潛在發(fā)生區(qū)域：有林地，灌木林，草地，旱地，未利用地提取出來。
第三，數(shù)據(jù)預(yù)處理。分別對(duì)modis的三類遙感數(shù)據(jù)mod13q1，mcd43a3和mod11a12進(jìn)行預(yù)處理；利用nasa提供的mrt(modisreprojectiontools)軟件對(duì)所獲得產(chǎn)品數(shù)據(jù)批處理，將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成albers等面積投影和wgs-84坐標(biāo)系，將格式hdf轉(zhuǎn)換為tiff格式。
第四，計(jì)算植被覆蓋度(fvc)。采用像元二分模型進(jìn)行估算，公式如下：
fvc＝(ndvi-ndvisoil)÷(ndviveg-ndvisoil)
式中：ndvi為給定像元的ndvi值，ndvisoil為裸土地ndvi值；ndviveg為純植被像元的ndvi值。通過對(duì)ndvi值頻率統(tǒng)計(jì)，取累計(jì)頻率1％為ndvisoil，取累計(jì)頻率99％為ndviveg。采用最大值合成法(maximumvaluecomposite，mvc)得到月ndvi值，最后采用均值法生成每年ndvi值，再依據(jù)公式得到fvc值。
第五，計(jì)算地表反照率(albedo)。mcd43a3albedo地表反照率產(chǎn)品是基于雙向反射分布函數(shù)(brdf)計(jì)算得到的，包括7個(gè)窄波段和3個(gè)寬波段(0.3-0.7μm，0.7-5.0μm，0.3-5.0μm)的黑空反照率(black-skyalbedo)和白空反照率(white-skyalbedo)，本文采用的是0.3-5.0μm寬波段的白空反照率作為地表反照率，采用最大值合成法得到每個(gè)月的地表反照率，然后采用平均值法合成每年地表反照率。
第六，計(jì)算陸地表面溫度(lst)。mod11a12陸地表面溫度產(chǎn)品是通過劈窗算法計(jì)算獲得，本文采用最大值合成法得到每個(gè)月的lst，然后采用平均值法合成每年的lst。
第七，fvc，albedo，lst數(shù)據(jù)重采樣，標(biāo)準(zhǔn)化處理。將albedo，lst數(shù)據(jù)使用最近鄰重采樣算法重采樣到250m。由于不同遙感數(shù)據(jù)綱量差異較大，為了保證不同數(shù)據(jù)之間的可比性，需要對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：
z＝[(a-amin)÷(amax-amin)]×100％
式中：a表示標(biāo)準(zhǔn)化之前的值，z表示標(biāo)準(zhǔn)后的結(jié)果。
第八，因子貢獻(xiàn)力計(jì)算。地理探測(cè)器是以空間變異理論、空間疊置技術(shù)和集合論為基礎(chǔ)，通過比較因變量與自變量因子地理圖層空間一致性，判定自變量因子對(duì)因變量取值變化貢獻(xiàn)大小的度量方法，度量指標(biāo)為因子貢獻(xiàn)力p：
式中y分別表示因變量，即本文中的石漠化等級(jí)；x為自變量因子，即本文中的fvc，albedo，lst；σ2與n表示y的柵格值方差和柵格總數(shù)；σ2i、n和m分別表示x的第i類柵格值方差、柵格數(shù)和類型總數(shù)。因子貢獻(xiàn)力取值范圍為0—1之間，0表示自變量因子與因變量完全無關(guān)，1表示自變量因子完全控制因變量。本方法計(jì)算分別得到fvc，albedo，lst因子的貢獻(xiàn)力pf，pa，pl。
第九，擬合石漠化監(jiān)測(cè)的定量評(píng)價(jià)模型。計(jì)算各因子占總貢獻(xiàn)力的百分比，分別得到因子貢獻(xiàn)率為：fvc(a)，albedo(b)，lst(c)；再將各個(gè)因子圖層乘以其貢獻(xiàn)率得到石漠化監(jiān)測(cè)的定量評(píng)價(jià)模型：k＝-a*fvc+b*albedo+c*lst；式中k表示石漠化指數(shù)；fvc，albedo，lst分別表示各因子圖層信息，a，b，c分別表示個(gè)因子的貢獻(xiàn)率。其中fvc值與石漠化程度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此其指標(biāo)系數(shù)為負(fù)；lst和albedo值與石漠化程度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其指標(biāo)系數(shù)為正。
第十，k值劃分等級(jí)。通過石漠化監(jiān)測(cè)的定量評(píng)價(jià)模型，通過arcgis的柵格計(jì)算器生成石漠化指數(shù)空間分布圖，通過切除不可能發(fā)生石漠化區(qū)域，保留石漠化潛在區(qū)域(第一，第二點(diǎn)所確定的區(qū)域)，再將k值劃分等級(jí)如下：無石漠化土地，潛在石漠化土地，輕度石漠化土地，中度石漠化土地，重度石漠化土地。
第十一，通過k值等級(jí)提取石漠化信息。先用石漠化監(jiān)測(cè)的定量評(píng)價(jià)模型計(jì)算研究區(qū)內(nèi)的k值空間分布圖；再用上文得到的k值等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究區(qū)的石漠化信息進(jìn)行提取，得到石漠化空間分布圖。
實(shí)施例1
以2000年貴州省的數(shù)據(jù)為例。
第一，提取喀斯特區(qū)域。根據(jù)石漠化發(fā)生的特性，將研究區(qū)的巖性圖上的喀斯特區(qū)域提取出來。
第二，提取石漠化可能發(fā)生區(qū)域。研究區(qū)的土地利用劃分為：有林地，灌木林，草地，水田，旱地，水域，建設(shè)用地，未利用地。石漠化不可能發(fā)生在水田，水域，建設(shè)用地區(qū)域，將石漠化的潛在發(fā)生區(qū)域：有林地，灌木林，草地，旱地，未利用地提取出來。
第三，數(shù)據(jù)預(yù)處理。將modis的三類遙感數(shù)據(jù)：mod13q1，mcd43a3，mod11a12進(jìn)行預(yù)處理；利用nasa提供的mrt軟件對(duì)所獲得產(chǎn)品數(shù)據(jù)批處理，將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成albers等面積投影和wgs-84坐標(biāo)系，將格式hdf轉(zhuǎn)換為tiff格式。
第四，計(jì)算植被覆蓋度(fvc)。采用像元二分模型進(jìn)行估算，公式如下：fvc＝(ndvi-ndvisoil)÷(ndviveg-ndvisoil)式中：ndvi為給定像元的ndvi值，ndvisoil為裸土地ndvi值；ndviveg為純植被像元的ndvi值。通過對(duì)ndvi值頻率統(tǒng)計(jì)，取累計(jì)頻率1％為ndvisoil，取累計(jì)頻率99％為ndviveg。采用最mvc法得到月ndvi值，最后采用均值法生成每年ndvi值，再依據(jù)公式得到fvc值。
第五，計(jì)算地表反照率(albedo)。mcd43a3albedo地表反照率產(chǎn)品是基于雙向反射分布函數(shù)(brdf)計(jì)算得到的，采用最大值合成法得到每個(gè)月的地表反照率，然后采用平均值法合成每年地表反照率。
第六，計(jì)算陸地表面溫度(lst)。mod11a12陸地表面溫度產(chǎn)品是通過劈窗算法計(jì)算獲得，本文采用最大值合成法得到每個(gè)月的lst，然后采用平均值法合成每年的lst。
第七，fvc，albedo，lst數(shù)據(jù)重采樣，標(biāo)準(zhǔn)化處理。將albedo，lst數(shù)據(jù)使用最近鄰重采樣算法重采樣到250m。由于不同數(shù)據(jù)綱量差異較大，主要包含：fvc，albedo，lst數(shù)據(jù)。為了保證不同數(shù)據(jù)之間的可比性，需要對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：
z＝[(a-amin)÷(amax-amin)]×100％
式中：a表示標(biāo)準(zhǔn)化之前的值，z表示標(biāo)準(zhǔn)后的結(jié)果。
第八，因子貢獻(xiàn)力計(jì)算。地理探測(cè)器是以空間變異理論、空間疊置技術(shù)和集合論為基礎(chǔ)，通過比較因變量與自變量因子地理圖層空間一致性，判定自變量因子對(duì)因變量取值變化貢獻(xiàn)大小的度量方法，度量指標(biāo)為因子貢獻(xiàn)力p：
式中y分別表示因變量，即本文中的石漠化等級(jí)；x為自變量因子，即本文中的fvc，albedo，lst；σ2與n表示y的柵格值方差和柵格總數(shù)；σ2i、n和m分別表示x的第i類柵格值方差、柵格數(shù)和類型總數(shù)。本方法計(jì)算分別得到fvc，albedo，lst因子的貢獻(xiàn)力如表1。
表1：石漠化定量評(píng)價(jià)單因子貢獻(xiàn)力
第九，擬合石漠化監(jiān)測(cè)的定量評(píng)價(jià)模型。計(jì)算各因子占總貢獻(xiàn)力的百分比，分別得到因子貢獻(xiàn)率為：fvc(48％)，albedo(34％)，lst(18％)；再將各個(gè)因子圖層乘以其貢獻(xiàn)率得到石漠化監(jiān)測(cè)的定量評(píng)價(jià)模型：k＝-0.48×fvc+0.34×albedo+0.18×lst。
第十，k值劃分等級(jí)。通過石漠化監(jiān)測(cè)的定量評(píng)價(jià)模型，通過arcgis的柵格計(jì)算器生成石漠化指數(shù)空間分布圖，通過切除不可能發(fā)生石漠化區(qū)域，保留石漠化潛在區(qū)域(第一，二點(diǎn)所確定的區(qū)域)，再將k值劃分等級(jí)如表2。
表2不同石漠化等級(jí)的石漠化指數(shù)值
第十一，通過k值等級(jí)提取石漠化信息。先用石漠化監(jiān)測(cè)的定量評(píng)價(jià)模型計(jì)算研究區(qū)內(nèi)的k值空間分布圖；再用上文得到的k值等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究區(qū)的石漠化信息進(jìn)行提取，得到石漠化空間分布圖。
由此可見，本發(fā)明：
(1)modis的ndvi-albedo-lst遙感數(shù)據(jù)具備：中空間分辨率，高時(shí)間分辨率，寬幅大尺度的特征；可運(yùn)用于大空間尺度和高時(shí)間分辨率尺度的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。
(2)基于巖性背景切除非喀斯特區(qū)域，通過土地利用切除水田，水域，建設(shè)用地區(qū)域。切除不可能發(fā)生石漠化的區(qū)域，確定潛在的石漠化發(fā)生區(qū)域，能夠減少同譜異物的誤判，避免對(duì)石漠化潛在區(qū)域的誤判；
(3)采用地理探測(cè)器計(jì)算石漠化表征的因子貢獻(xiàn)率，與相關(guān)研究采用層次分析法等方法相比，專業(yè)科學(xué)的地理數(shù)學(xué)方法計(jì)算貢獻(xiàn)率更加精準(zhǔn)可靠；
(4)石漠化監(jiān)測(cè)定量評(píng)價(jià)模型具有指標(biāo)簡(jiǎn)單、易于獲取，方法準(zhǔn)確、快速的特點(diǎn)，減少了人為誤判的可能，同時(shí)大大縮短了解譯時(shí)間和勞動(dòng)力成本，也提高了石漠化反演的精度和效率。
(5)在對(duì)研究區(qū)石漠化監(jiān)測(cè)時(shí)，本發(fā)明可采用一個(gè)完整的生長(zhǎng)季，先用最大值合成法得到月值，再用平均值法合成年值，避免了衛(wèi)星過境時(shí)間和天氣的限制帶來不必要的誤差。