基于ENVI影像監(jiān)督分類提取杭州市綠化覆蓋

□杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 樓一濤

圖1 示例范圍影像圖

按照浙江省地理國(guó)情普查2016年度監(jiān)測(cè)要求，杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院結(jié)合杭州市實(shí)際情況，認(rèn)真、規(guī)范、有序地組織開展2016年度綠化覆蓋面積調(diào)查工作。綠化覆蓋面積是指城市建成區(qū)內(nèi)植物的垂直投影面積，其數(shù)值高低是衡量城市環(huán)境及居民生活水平的重要指標(biāo)之一。本次綠化覆蓋提取工作以高清遙感影像為基礎(chǔ)，主要基于遙感圖像處理平臺(tái)ENVI軟件的監(jiān)督分類模塊。

一、影像范圍及采集時(shí)間

本次綠化覆蓋提取工作所使用影像范圍為杭州市六城區(qū)（上城區(qū)、下城區(qū)、江干區(qū)、拱墅區(qū)、西湖區(qū)、濱江區(qū)），是分辨率為0.5米X0.5米的高清遙感影像。采集時(shí)間為2016年6月中旬，處于春夏交接時(shí)間段，植被生長(zhǎng)良好，無明顯云層遮蔽，非常適宜進(jìn)行影像監(jiān)督分類。

二、ENVI與監(jiān)督分類

本次綠化覆蓋提取工作屬于基于光譜的影像分類，而ENVI軟件的光譜分析一直處于世界領(lǐng)先地位，它具有一系列先進(jìn)、可靠的影響分析工具。以及其流程化的圖像處理工具（Workfow）使得影像處理工作更加處理流暢、步驟分明。并且ENVI與主流地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS有非常好的功能集成與交互。

本次綠化覆蓋提取工作使用主要基于ENVI軟件的監(jiān)督分類模塊。監(jiān)督分類又被成為訓(xùn)練分類法，是指用被確認(rèn)類別的樣本像元去識(shí)別其他未知類別像元的過程。它就是在分類之前通過目視判讀和野外調(diào)查，對(duì)遙感圖像上某些樣區(qū)中影像地物的類別屬性有了先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)每一種類別選取一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本，計(jì)算機(jī)計(jì)算每種訓(xùn)練樣區(qū)的統(tǒng)計(jì)或其他信息，同時(shí)用這些種子類別對(duì)判決函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，使其符合于對(duì)各種子類別分類的要求，隨后用訓(xùn)練好的判決函數(shù)去對(duì)其他待分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分類，使每個(gè)像元和訓(xùn)練樣本作比較，按不同的規(guī)則將其劃分到和其最相似的樣本類，以此完成對(duì)整個(gè)圖像的分類。

圖2 最大似然分類結(jié)果

圖3 結(jié)果圖

三、提取綠化覆蓋的步驟（影像監(jiān)督分類）

第一步，影像剪裁。在ArcGIS中加載2016年影像以及城市建成區(qū)范圍，對(duì)影像進(jìn)行剪裁。

第二步，預(yù)處理。將影像導(dǎo)入ENVI中，對(duì)影像進(jìn)行特征判斷，評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量，進(jìn)行調(diào)整拉伸方式，調(diào)節(jié)銳度等預(yù)處理工作，如圖1。

第三步，樣本選擇。樣本圖斑為此次監(jiān)督分類的訓(xùn)練區(qū)域，即感興趣所需要的區(qū)域（興趣區(qū)Region of Interest）。本次綠化覆蓋提取工作分為房屋建筑、綠化覆蓋、水域水系三個(gè)類別。使用多邊形編輯工具在影像上，三種類別均勻各選取一定數(shù)量的圖斑。選取完成之后將興趣區(qū)單獨(dú)保存成文件，之后可以對(duì)其進(jìn)行直接調(diào)用，調(diào)整修改。

第四步，選擇分類方式。監(jiān)督分類包含最大似然分類法、最小距離分類法、馬氏距離分類法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法、支持機(jī)向量分類法等分類方式。本次綠化覆蓋提取工作選擇最大似然分類法（Likelihood Classifcation），即假設(shè)每一個(gè)波段的每一類統(tǒng)計(jì)都呈正態(tài)分布，計(jì)算給定像元屬于某一訓(xùn)練樣本的似然度，像元最終被歸并到似然度最大的一類當(dāng)中。分類結(jié)果如圖2，不同顏色代表不同的地物，同種顏色聚類在一起。兩個(gè)聚類相離越遠(yuǎn)，說明興趣區(qū)的選擇越好，若兩個(gè)聚類摻雜在一起，則說明興趣區(qū)的選擇并不理想。

對(duì)于分類結(jié)果，ENVI中有一項(xiàng)定量的檢測(cè)，可計(jì)算各個(gè)樣本圖斑的可分離度（Separability）。可分離度的數(shù)值在0-2之間，數(shù)值越大，可分離度越高，可分離度大于1.8則可認(rèn)為合格，若分離度小于1.8，則需返回至第三步，重新選擇樣本圖斑，如圖2。

第五步，分類后處理。調(diào)整適合的平滑與聚合參數(shù)，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行修正。

第六步，輸出結(jié)果。將分類結(jié)果重新加載至ArcGIS對(duì)照影像，如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)分類結(jié)果與影像套合較為準(zhǔn)確。

在使用ENVI監(jiān)督分類提取綠化覆蓋后，還需要配合使用最新的地形圖對(duì)綠化覆蓋率結(jié)果進(jìn)行檢查與修正。若在對(duì)照后仍存在問題，應(yīng)配合外業(yè)調(diào)查對(duì)問題地塊進(jìn)行核實(shí)。

四、使用ENVI監(jiān)督分類提取綠化覆蓋的優(yōu)點(diǎn)

使用ENVI監(jiān)督分類提取綠化覆蓋，相對(duì)于傳統(tǒng)的根據(jù)地形圖等地理信息空間框架數(shù)據(jù)勾繪綠化覆蓋的方法比較具有以下兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：一是質(zhì)量高，使用ENVI監(jiān)督分類提取綠化覆蓋邊界套合精確，數(shù)量準(zhǔn)確；二是效率高，使用ENVI監(jiān)督分類提取綠化覆蓋集成了該軟件的多項(xiàng)功能，極大提高了作業(yè)速度與工作效率。

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