全 文 ：第 11卷 第 3期
2 0 0 3年 7 月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VO1．11 NO．3
July， 2003
基于 TM 数据源的农田光谱异质性研究
毛任钊 李红军
(中国科 学 院石 家庄农 业 现代 化 研究 所 石 家庄 050021)
摘 要 应用地统计学方法，研究分析 2景 TM 影像信息所反 映的农 田光谱特征 空间变异结构结果表明，多数地
段样方 3个波段像 元灰度值存在 明显的空间半方差结构，半方 差曲线 图遵从球 函数和指数 函数理论 模型，在盐渍
土区呈现幂函数模型；结构方差在基台值 中所 占比例均较大(多为 41％～96％间)，像元之 间空间相关性较强，最大
相 关距 离分 别在 6～45个 像 元之 间。
关键 词 TM 农 田 光谱 异 质性
Study on spatial heterogeneity of farmland spectrum based on TM data．MAO Ren-Zhao，LI Hong-Jun(Shijiazhuang Insti—
tute of Agricultural Modernization，Chinese Academy of Sdencm，Shijiazhuang 050021)，CJEA，2003，11(3)：106～109
Abstract The spatial structure of farmland spectrum extracted from 2 scenes of TM image was analyzed by means of the
geostatistics．The results show that there is the obvious semi—variance structure for the pixel grey level of three bands in
most section；and the semivariogram plots can be fitted by Spherical and Exponential models respectively，while Power
mod el can be used in saline soil region；the proportion of structural variance to sil is in a higher leve1．from 41％ to 96％ ．
The limited distance of spatial correlation is 6～45 pixels．
Key words Thematic mapper，Farm land，Spectrum ，Heterogeneity
数字地 球 、数 字农 业领域 的研究 中空间异质性 和尺度 问题 受到 广泛 的关注 。遥感 影像是 在空 间坐 标和
灰度上均已经离散化的地表特征面状信息数字图像 ，像元分辨率决定对农田状况感知的精细程度。目前遥
感观测 的空间尺度效应 尚缺乏足够理解 ，国内外关 于像 元尺 度空间变 异性 研究 的报道 较少 ⋯。本文 采用地
统计 学方法 ，分析 2幅 TM 影像 所提供 的农 田光谱 特征空 间变异结 构 ，为遥感 信息尺度转换 和农 田水平遥感
监测提供理论依据。
1 研究区域概况与研究方法
研究区域位于河北省栾城和南皮 2县 ，栾城县位于华北太行山山前平原 ，海拔高度 50m左右 ，地下水埋
深为 20～30m，土壤亚类为潮褐土，耕层质地以壤性为主，农 田土地生产力高，实行 1年两熟耕作制 ，主栽作
物为冬小麦和夏玉米。南皮县位于海河低平原的滨海与内陆过渡地带 ，地势由西南向东北轻微倾斜 ，海拔高
度 6．5～15m，浅层地 下水埋深 2～8m，地 下水 矿化度 2g／L左 右 ，土壤亚 类有普通潮 土 、盐化潮 土和盐化草甸
土等 ，质地较黏重 ，主要农作物为冬小麦 、棉花和苜蓿等。样方 L一1～L一3分别对应栾城县方村 、聂家庄基本
农 田和楼底 污灌农 田 ，样方 L一4对应平行 东南公路方 向的农 田 ，样方 N一1～N一3对 应于南 皮县 大浪淀 盐渍洼
地 、寨子和冯 口镇农 田。
TM 图像地理 坐标配准 。本 研究采用 2个时相 Landsat一5 TM 数据 ，栾城县影像摄 于 1998年 4月 24日，
由 681×482个像元组成，南皮县影像摄于 1997年 2月 18日，由 1200×1200个像元组成。利用 PCI遥感图
像处理 软件 GCPWorks模块对 2幅影像 进行几何 纠正 ，参 照 1：5万 和 1：1万地 形 图 ，将 TM 图像 局部像元放
大至可清晰 目视识别程度，分别赋予空间控制点坐标值 ，用最小距离法重新采样 ，形成工作基础影像。
辐射亮度值获取。在资源环境研究中TM 数据的应用相当普遍 ，一般使用图像处理系统来辨识分
类。地表光谱反射率以辐射亮度值形式被记录 ，可建立地物与图像灰度值之间的关系。根据不 同时相灰度
值统计分析 ，所有的 TM 波段信息数据均集中在一个较窄的范围，TM1、2、3能较好地反映地物可见光的反
射特性 ，TM4能较好地反映绿色植物生长状况 ，TM5和 TM7相对分布范围较大 ，信息量丰富 。综合考虑
*中国科学院知识创新工程项 目(KZCX2-405，KZCX—SW一317—07)和中国科学院石家庄农业现代化研究所所长择优基金共 同资助
收稿 El期 ：2002-12—10
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第 3期 毛任钊等 ：基于 TM 数据源 的农 田光谱异质性研究 107
选择 TM 数据 中的 3、4和 5波段用 于假 彩色合成 图像 与数字分 类 ，一般 可得到满 意 的结 果 。利用 Image—
Works模块 ，以 3、4和 5波段(蓝红绿)组合成假彩色影像 ，分别在影像上选择熟悉地段 ，查找出不同地表位
置的灰度值 ，依次输出文本格式文件 ，再用 Excel表格处理软件组合成整体文件 ，作为农 田面状离散点特征
信息。
地统计学分析。空间随机变化的农 田光谱特征作为区域化变量 z( )，在相邻点间会呈现出一定位置
的依赖性或相关关系 ，或者说具有某种空间结构。半方差 函数 y(h)分析是解释这种空间结构的地统计学
方法 内容之一 ，半方差函数定义为随机变量 z( )的增量方差之半 ，其计算式为 ：
． N(h)
y( )= ∑ [Z(x )一Z(x；+h)] (1)
一 ‘ 、’’ i l
式中，h为土壤样本间距(又称位差)，N(h)是间距为 h的样本“配对”数 目，z( )、z( +h)分别为变量
z( )在空间位置 和 +h的实测值 半方差图由一系列离散点构成 ，可根据其形状用直线或曲线方程
拟合 ，得到半方差函数理论模型。半方差函数计算和半方差图模拟应用 Variowin软件。
2 结果与分析
2．1 TM数据统计特征
半方差图基于区域化理论 ，要求数据满足于正态分布或对数正态分布。像元灰度数据的正态性检验用
峰度与偏度分析方法和 P—P图法(应用 SPSS统计软件)。该方法统计结果(见表 1)表明样方像元数为 408～
1300个 ，不同取样范围像元平均灰度值为 29～207间，南皮县像元灰度变异系数小 ，栾城县幅经影像增强处
理其变异系数大，尤其是样方 L一1、L-3和 L-4的 3波段灰度变异系数 CV>100％，为强变异 ；其余属性 的
CV为 10％～100％，属中等变异。数据分布类型除污灌区(样方 L一3)的 3波段和南皮县冯 口镇(N一3)的 5
波段灰度呈对数正态分布外 ，其余样方各波段灰度均呈正态分布。
表 1 不同样方 TM 像元灰度的统计参数
Tab．1 Statistical parameters of the grey level of TM pixel in different sections
2．2 空间变异特征
据式(1)，应用地统计学软件以适宜间距计算的结果模拟出样方各波段灰度全方位半方差图，本文仅列
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108 中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
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2800
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· 1600
1200
800
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图 1 样 方 L-3的 4波段灰 度 半方 差 图
Fig．1 Semi—variogram of the grey level of
band一3’pixel in section L一3
图 1～3。 图中小实点 是 图像灰度 的半方 差 ，实线为其 理论模 型 。
各 波段 灰度半方 差 图显示 的特点 为 半 方差 随 间距 (以像 元 数表
示)的增 加而增加 ，说明其存在 空 间变异 结构 ；图形不 通过 原点 ，
或多或少存 在 一定 程 度 的块 金 方 差 (C。)，从其 物 理 意 义 可知 ，
TM 像元分辨率(30m×30m)尚未达到识别农 田作物长势和地
物均匀性的水平，像元内存在变异 ；半方差图存在基 台值 (c +
c)，分别属于有基 台值的球函数、指数模型，仅 N一2的 3个波段
灰度半 方差 图均 属 于 幂 函 数模 型。 由于 考 虑 了方 差 的空 间 特
征 ，因而基台值基本均高于用传统估算法得到的方差值。部分
图像灰度 半方差 图存在 2个基 台 ，即它们 对应 于不 同 的变程 ，存
在不同程度的几种因素影响使小尺度空间变异嵌套在大的空间
变 异之 中 。如 图 3所 示 ，用 1条 曲线模拟半方 差 图会造 成较大偏 差 ，若 以基 台 1对 应于相 关距 离 7个像元 、
基台 2对应于 15个像元的参数配置曲线 ，其结果则更符合实际。
基于半方差函数理论模型得出的相应参数见表 2，应用结构方差(c)与基台值(c +c)的比值评价属
性的空间相关性 ，比值越大则表明农 田作物(或地物)受 自然或区域性因素的影响越大 ，栾城县农 田3个样方
3波段比值 >75％，表明其具有强烈的空间相关性 ；路线样方 L一4的 5波段较特殊 ，比值最小 ，其余 比值为
25％～75％ ，表 明它们 具有 中等空 间相关 性 。影像灰度 变程在 6．5～45．6个像元之 间 ，即表 明 6个 以上相邻
像元的灰度值具有空间依赖性。相关距离按影像分辨率计算 >180m，最大达 900m 以上。相对而言，样方
L一3的 4波段灰度 变程小 ，这是 因污灌 田肥力 不均 一 的缘故 所致 。样 方 L一4的灰 度变 程 均很 大 (在 34～45
个像元)，反映了该方向遥感观测对象的均匀性高，但 5波段灰度结构方差值与块金效应系数相当，空间自相
关性并不高 ，这有待于进一步研究解释。灰度变程大小对于遥感影像分类单元 的确定意义较大，变程愈小，
相对应 的景 观或农 田生态 类型愈多 。
图 2 样 方 L·1的 4波 段灰 度半 方 差 图
Fig．2 Se mi—variogram of the grey level of
band一4’pixel in section L-1
1800
1500
1200
900
600
300
O
图 3 样 方 L-3的 5波 段灰 度 半方 差 图
Fig．3 Semi—variogram of the grey level of
band‘5’pixel in section L-3
表 2 不 同样 方 TM 像 元灰 度的 半 方差 模型 结构 及 参数
Tab．2 Semivariance structures of the grey level of TM pixel and their parameters in diferent sections
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第 3期 毛任钊等 ：基于 TM 数据源的农田光谱异质性研究 109
3 小 结
遥感观测提供 在空间坐标 和 灰度 上均 已经离 散化 的数 字 图像 间接 反 映农 田作 物光 谱特 征 。基 于 TM
数据信息 ，多数地段样方像元灰度值存在明显的空间半方差结构 ，半方差曲线图遵从球函数和指数函数理论
模型 ，在盐渍土区呈现幂函数模型。结构方差在基台值中所占比例均较大，多达 40％以上，最大相关距离分
别在 6～45个像元之间。一些样方图像灰度半方差图呈现出 2个基 台，在最大相关距离 内分别对应 2个变
程。参照类似的变程 ，认识遥感影像的空间分辨率有效性 ，有助于进行地表信息特征(如农 田生态类型等)尺
度转换 。
致谢
1
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中国科学院石家庄农业现代化研究所张广录、田魁祥先生为本研究提供相关影像数据，谨表谢意 !
参 考 文 献
苏理宏 ，李小文，黄裕霞 ．遥感尺度问题研究进展 ．地球科学进展 ，2001，16(4)：544～548
徐冠华主编 ．三北防护林地区再生资源遥感的理论及其技术应用．北京：中国林业出版社 ，1994．31～47
毛仁钊 ．沧州滨海区域盐渍化土壤 的遥感图像分析．黑龙港地区综合治理与农业资源开发利用 ．北京 ：科学出版社，1993．98～104
毛任钊 ．海河低平原盐渍区土壤养分空间变异性研究 ．中国生态农业学报 ，2001，9(4)：63～66
Cahn M．D．，Hummel J．W ．，et a1．Spatial analysis of soil fertility for site-specific crop management．Soil Sci．SO c．Am．J．，1994，58：
1240～ 1248
Berndtsson R．．Bahri A．， a1．Spatial dependence of geochemical elements in a semiarid agricultural field：I．Geostatistical properties Soil
Sci．SOc．Am ．J．，1993，57：1323～1329
Van Wesenbeeck I．J．，Kachanoski R．G Spatial scale dependence of in situ solute transport．Soil Sci．SOc．Am．J．，1991，55：3～7
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