【教程】基于像元二分模型的植被覆盖度反演方法

本期以1景覆盖贵州省都匀市的GF-1 WFV影像为例，成像时间为2021年4月份，在ENVI 5.3环境下，采用改进的像元二分模型详细介绍植被覆盖度遥感反演过程，最后在ArcGIS 10.1下出图，有关影像预处理详细过程，请看高分一号WFV影像预处理。

1 原理介绍

像元二分模型是一种简单实用的遥感估算模型，它假设一个像元的地表由有植被覆盖部分地表与无植被覆盖部分地表组成，而遥感传感器观测到的光谱信息也由这2个组分因子线性加权合成，各因子的权重是各自的面积在像元中所占的比率，如其中植被覆盖度可以看作是植被的权重。

下面简单介绍下在像元二分模型的基础上研究的模型：

VFC = (NDVI - NDVIsoil)/ ( NDVIveg - NDVIsoil)

其中, NDVIsoil 为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，NDVIveg 则代表完全被植被所覆盖的像元的NDVI值，即纯植被像元的NDVI值。两个值的计算公式为：

NDVIsoil=(VFCmax*NDVImin- VFCmin*NDVImax)/( VFCmax- VFCmin)
NDVIveg=((1-VFCmin)*NDVImax-(1-VFCmax)*NDVImin)/(VFCmax-VFCmin)

利用这个模型计算植被覆盖度的关键是计算NDVIsoil和NDVIveg。这里有两种假设：
(1)  当区域内可以近似取VFCmax=100%，VFCmin=0%。第一个公式可变为：

 VFC = (NDVI - NDVImin)/ ( NDVImax - NDVImin)

NDVImax 和NDVImin分别为区域内最大和最小的NDVI值。由于不可避免存在噪声，NDVImax 和NDVImin一般取一定置信度范围内的最大值与最小值，置信度的取值主要根据图像实际情况来定。
(2) 当区域内不能近似取 VFCmax=100%，VFCmin=0%
a. 有实测数据的情况下，取实测数据中的植被覆盖度的最大值和最小值作为VFCmax和 VFCmin，这两个实测数据对应图像的NDVI作为NDVImax 和NDVImin。
b. 没有实测数据的情况下，取一定置信度范围内的NDVImax 和NDVImin。VFCmax和 VFCmin根据经验估算。

2 植被覆盖度估算

(1) 裁剪

a. 在Toolbox中，打开Subset Data from ROIs，选择预处理好的影像，点击OK;

b. Spatial Subset via ROI Parameters面板中设置如下：

(2) NDVI及VFC植被覆盖度计算

a. 在Toolbox中，打开Band math，输入公式float(b4-b3)/float(b4+b3)，点击OK，定义b3为裁剪影像Band 3红外波段，b4为裁剪影像Band 4近红外波段，选择输出路径及文件名，点击OK：

注意：公式应在全英文状态下输入，否则会显示错误；高分影像中b3是红外波段，b4是近红外波段，其他影像比如landsat 8，b4是红外波段，b5是近红外波段；

b. 在Layer Manager右击NDVI图层，点击Quick Stats，查看NDVI值是否在-1到1之间；

如果不是，同样在Band math中用-1>b1<1公式剔除异常值，b1定义为NDVI图层，输出位置及文件名（NDVI_chuli.dat），点击OK：

c. 点开NDVI_chuli图层的Quick Stats，查看DN（NDVI）值的累积百分率（Acc Pct），一般选取5%置信度所对应的DN值作为最小值，95%置信度所对应的DN值作为最大值，但这种方法更为准确：

同时打开大气校正后Flaash.dat和NDVI_chuli.dat影像，大气校正影像波段组合设置为标准假彩色，红色的即为植被，绿色的为建设用地，打开十字丝工具，多查看几处，确定亮红色即植被的最大值，这里为1，那么计算公式中NDVIveg就写1，过渡区（有点红，又有点绿）最大值是0.45，那么0.45以下的值都不算是植被，即 NDVIsoil就是0.45，这个阈值确定方法和基于NDVI指数的绿地信息提取一样：

d. 代入公式：

(b1 lt NDVIsoil)*0+(b1 gt NDVIleg)*1+(b1 ge NDVIsoil and b1 le NDVIveg)*((b1-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil))

其中，b1即为NDVI_chuli图层；lt：小于；gt：大于；ge：大于等于；le：小于等于；

(b1 ge NDVIsoil and b1 le NDVIveg)*((b1-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil))，即当b1在置信区间最小值和最大值之间时，用公式: (b1-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil，这就回到了原理中的第一个公式；

(b1 lt NDVIsoil)*0+(b1 gt NDVIleg)*1部分为去除异常值操作，当b1小于置信区间最小值时，没有植被覆盖，赋值为0，当b1大于置信区间最大值时，认为完全被植被覆盖，赋值为1；

e. 植被覆盖图如下：

3 ArcGIS出图

(1) 打开ArcGIS，加载植被覆盖度VFC.dat图层及研究区边界shp图层：

注意：如果有黑色背景，可以用掩膜提取的方式，去掉黑色背景：

打开ArcToolbox/提取分析/按掩膜提取，输出图层即不带黑色背景。

(2) 右击新图层，显示图层属性，选择色带，并在布局视图下加入比例尺，指北针，图例等即可出图：

参考文献：李苗苗. 植被覆盖度的遥感估算方法研究[D]. 中国科学院研究生院（遥感应用研究所）, 2003.

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来源：生态遥感笔记

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