基于Landsat数据及光谱混合分析的城市扩展及物候变化提取与分析

城市化是目前全球关注的热点问题之一。城市化导致城市范围的显著扩展,并引起局地气候的变化,从而进一步导致城市区域植被物候的变化。因此,利用多年的时间序列遥感影像提取城市扩展与植被物候的变化,可为分析城市化及其影响提供依据。Landsat系列卫星数据的免费开放,为分析城市的时空变化及其环境影响提供了丰富数据。本文利用由Landsat时间序列数据及标准化光谱混合模型得到的光谱端元组分时间序列,探索了城市及周边植被物候变化提取以及城市扩展提取的新方法,并以北京市为例,提取了1984～2015年32年间的城市扩展以及3个年段的植被物候变化,分析了城市扩展的时空演化以及植被物候的时空变化,并定性分析了二者的关联。论文的主要创新点包括三个方面:(1)提出了基于Landsat时间序列数据和标准化光谱混合模型的城市及周边区域植被物候及变化的提取方法。首先,该方法针对城市区域光谱混合问题及现有植被指数的饱和等问题,采用基于标准化光谱混合模型的全球端元组分的植被丰度时间序列进行植被物候及变化的提取,避免了光谱混合分析中端元选择的问题,同时植被丰度结果在不同地区不同时间上具有可比性;其次,该方法考虑城市及周边区域植被类型多样及变化复杂的特点,适用于多种物候模型的植被物候提取,能同时提取出不同植被类型的物候结果,同时,植被物候变化结果中剔除了不同地物类型及不同植被类型的变化区域,能更好进行物候变化分析。(2)提出了基于标准化光谱混合模型及全球端元组分的城市指数(SVDUI)。该指数基于物理统计的光谱混合分析进行构建,与现有基于像元构建的指数相比更适于光谱混合严重的城市区域的研究。该指数能更好地表达城市与其它地物类别的差异,突出城市特征,并更好地提取出城市范围,因此,SVDUI指数可为城市范围提取提供一种新的途径。此外,该指数能保持时间上的一致性与可比性,具有广泛适用性。(3)提出了一种基于SVDUI城市指数的时间序列变化检测方法,该方法可以快速提取城市扩展的时间、空间及强度信息。该方法能快速、有效地提取出长时间序列的城市扩展结果,同时能充分利用年内及年际变化的时间信息,有效去除单时相结果上的噪声影响,不依赖于单时相影像的结果好坏。

Extraction and Analysis of Urban Expansion and Phenological Change Using Landsat Image Time Series and Spectral Mixture Analysis