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一种提取不透水面的综合指数

测绘科学 2022年第10期47卷 153-160页

作者：张凯选徐娜李修会尹茁涂丽莹辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新123000 南京捷鹰数码测绘有限责任公司南京210000

针对线性光谱混合分解(LSMA)在提取不透水面过程中无法准确区分裸地和不透水面的问题,该文在LSMA方法基础上引入改进的裸地区域指数(IBAI),提出基于LSMA-IBAI综合指数的不透水面提取方法。该方法首先使用线性光谱混合分解对Landsat 8影... 详细信息

针对线性光谱混合分解(LSMA)在提取不透水面过程中无法准确区分裸地和不透水面的问题,该文在LSMA方法基础上引入改进的裸地区域指数(IBAI),提出基于LSMA-IBAI综合指数的不透水面提取方法。该方法首先使用线性光谱混合分解对Landsat 8影像进行不透水面初步提取,然后采用改进后的裸地区域指数提取裸地信息,并构建LSMA-IBAI的综合指数模型,最后通过自适应迭代法对城市不透水面进行精准提取。实验结果表明,该方法能够快速准确地对城市不透水面进行提取,总精度至少提升了1.83%,Kappa系数至少提升了0.04%。

关键词：不透水面线性光谱混合分解 LSMA-IBAI综合指数自适应迭代法

区域不透水面时空变化及其生态环境质量影响分析 ——以厦门为例

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区域不透水面时空变化及其生态环境质量影响分析 ——以厦门为例

作者：宋小琪福建师范大学

学位级别：硕士

随着经济社会发展,城市不透水面建筑逐渐增多,而由于不透水面建筑材料具有独特特点,不透水面的增加将对城市生态环境产生影响。厦门市是东南沿海重要的中心城市,其地域区位条件特殊,探索不透水面的时空演变规律及其生态环境效应的变化... 详细信息

随着经济社会发展,城市不透水面建筑逐渐增多,而由于不透水面建筑材料具有独特特点,不透水面的增加将对城市生态环境产生影响。厦门市是东南沿海重要的中心城市,其地域区位条件特殊,探索不透水面的时空演变规律及其生态环境效应的变化具有重要意义。本文基于多期Landsat系列遥感数据,利用线性光谱混合分解（LSMA）技术提取2003-2019年厦门城市不透水面信息,定量剖析不透水面随时间和空间的演化过程,从城市整体和城市内部各区域的不同尺度上分析城市地表不透水面的变化过程,揭示城市的扩张特征;基于新型遥感生态指数（RSEI）研究不透水面变化对区域生态环境质量的影响,探索各个造型因子与生态环境质量的相关关系及阈值诊断,为城市发展及其生态环境研究提供更细致的科学参考。主要研究结果如下:（1）运用LSMA技术提取研究区多时相影像的不透水面信息,发现整体上2003-2019年厦门市不透水面扩张显著。在时间尺度上,城市土地集约利用程度增加,不透水面聚集效应出现:同安区与集美区在研究初期不透水面扩张速度更大,而后期湖里区不透水面扩张速度较快,思明区扩张速率是先减少再增加。在空间尺度上,各行政区不透水面发展方向不一:厦门岛不透水面重心较为稳定;海沧区不透水面重心持续北移;集美区不透水面重心向西北方迁移;同安区不透水面扩张方向则先向西南方向移动后往东北方向回移;翔安区重心先往北偏西方向后往东南方向迁移。（2）选取RSEI客观评价研究区域的生态环境质量,研究表明,2003至2019年厦门市生态环境质量总体降低。RSEI下降区域面积达371.56)8),占总体面积的24.16%,生态环境质量变好的区域面积占总体比例18.47%。随后探究不透水面变化对生态环境质量的影响发现,区域不透水面增加会导致区域RSEI值下降即降低区域生态环境质量,植被在一定程度上能缓解生态环境质量的降低。若不透水面中密度及以上类型所占面积持续增大,其引起的区域生态环境质量剧烈变化将会对研究区整体生态环境质量产生较大影响。（3）引入生态学景观格局中的相关指标从城市景观内部出发剖析不透水面的生态环境质量,提出了一个综合造型因子指数（CMF）。在各个造型因子中,与RSEI相关性最显著的是覆盖度指数（PLAND）,对RSEI影响最小的则是平均斑块分维数（MPFD）;对城市生态环境起正面作用的因子是斑块密度（PD）与分散指数（Division）,而PLAND、平均斑块面积（Area＿MN）、面积加权的平均斑块分形指数（AWMPFD）以及聚集度指数（AI）等造型因子与RSEI为负相关关系。综合造型因子指数CMF随着不透水面覆盖度、聚集度、分散度的增加而减小,且当不透水面平均斑块面积增加时,该指数值上升。（4）对不同的不透水面建设区,可采取不同的提升生态环境质量的措施:在低密度建设区,需要合理平衡建筑的聚集与分散,Area＿MN不宜过高,PD值应控制在8.5以上,且不透水面斑块尽量简单规整,AWMPFD值保持在1.31以下;在中低密度建设区,控制不透水面斑块覆盖度,各建筑不宜聚集;在中密度建设区,需尽量避免不透水面聚集效应,PD值保持在36.3以上;在高密度建设区,AI值宜小于79.9,Division大于0.38,且建筑边界轮廓应发散扩建,增加与透水面的接触空间,保持AWMPFD在1.38以上。

关键词：不透水面线性光谱混合分解时空演变生态环境质量厦门

基于遥感的不透水面监测及其对生态环境质量的影响——以郑州开封地区为例

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基于遥感的不透水面监测及其对生态环境质量的影响——以郑州开封...

作者：卢楠楠河南大学

学位级别：硕士

21世纪以来,我国经济社会快速发展,随着城市化进程的不断加快,城市规模迅速扩大,土地利用方式随之发生改变,大量自然地表被人工地表取代,造成生态环境的破坏。作为中原城市群的重要组成部分,自2004年国家实施中部崛起战略以来郑州-开封... 详细信息

21世纪以来,我国经济社会快速发展,随着城市化进程的不断加快,城市规模迅速扩大,土地利用方式随之发生改变,大量自然地表被人工地表取代,造成生态环境的破坏。作为中原城市群的重要组成部分,自2004年国家实施中部崛起战略以来郑州-开封地区经历了快速城镇化过程,城镇用地不断扩张,城市的快速扩张对生态环境产生一系列影响。对该区域城市扩张进行动态监测,并分析城市扩张对生态环境质量的影响,将为郑州-开封地区不透水面的优化设计与发展规划提供参考,对区域内的可持续发展具有重要意义。本文以郑州、开封市区以及郑州市中牟县县城以北为研究区域,以Landsat-5与Landsat-8遥感影像为数据源,基于线性光谱混合分解方法提取郑州-开封城市不透水面,分析研究区内不透水面时空分布格局及动态变化规律;同时,基于绿度指标(NDVI)、湿度指标(WET)、干度指标(NDBSI)、热度指标(LST)构建遥感生态指数(RSEI),基于RSEI模型定量分析研究区域生态环境质量的时间变化趋势以及空间分布特征;最后基于不同尺度分析不透水面扩张对生态环境质量的影响。主要研究结果如下:(1)2004-2020年,郑州-开封地区不透水面扩张速度快、强度大,扩张方向与主要交通轴线方向一致。2004-2020年不透水面面积增长率为164%。2004年不透水面面积为494.75km,2020年不透水面面积为1309.26km;不透水面覆盖度由2004年的20.04%上升为2020年的53.04%。2004-2020年,郑州-开封不透水面扩张速度和扩张强度呈现出下降趋势,在2015年出现大幅下降。郑州-开封不透水面经历了城市内部填充、向外扩展、内部填充以连接斑块三个阶段,不透水面主要呈东西方向扩张。郑州市与开封市的不透水面分布方向与主要交通轴线方向相同。政府相关政策、人口增长、经济发展、交通路线分布与不透水面扩张之间存在着密切联系。(2)2004-2020年,郑州-开封地区整体生态环境质量处于中等水平,该时期生态环境质量呈现波动下降的趋势。2004-2020年间,郑州-开封地区RSEI均值分别为0.64、0.46、0.54、0.49,通过对构建RSEI的四个指标进行主成分分析可以看到,NDVI与WET对RSEI产生积极影响,而NDBSI与LST对RSEI具有消极影响。在空间尺度上,郑州市生态环境质量较差,开封市生态环境质量较好。在各区(县)中,金水区、中原区、管城回族区生态环境质量较差,顺河回族区生态环境质量较好。城市开发强度与土地利用变化是影响生态环境质量变化的重要因素,郑州-开封地区经历16年的发展后,生态环境质量明显变差,且分布较为广泛,主要集中在郑州市三环以外区域、开封市龙亭区的大部分区域、顺河回族区西部、禹王台区西部、以及中牟县北部的黄河沿岸。(3)RSEI受到不透水面覆盖度影响,二者之间呈现显著负向空间关联。分别基于1000m×1000m网格、街道(乡镇)、区(县)尺度对2004-2020年的不透水面覆盖度与RSEI进行相关性分析,不透水面覆盖度与RSEI均值之间均呈现显著负相关关系,这表明随着不透水面的扩张,区域内的生态环境质量不断下降。双变量全局空间自相关与双变量局部空间自相关分析均表现出不透水面覆盖度与RSEI之间存在着负向空间关联,H-L(高不透水面覆盖率-低RSEI)集聚区主要分布在郑州市二环以内与开封市老城区。通过重心分析可以看到,郑州市与开封市不透水面扩张区域重心与生态环境变差重心均在同一区域,且移动方向基本相似,进一步证明不透水面的扩张影响生态环境质量。

关键词：不透水面线性光谱混合分解遥感生态指数空间自相关分析

基于多端元光谱混合分解的高分辨率影像城市亚像元分类

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基于多端元光谱混合分解的高分辨率影像城市亚像元分类

作者：张娇华东师范大学

学位级别：硕士

遥感分析中作为基本空间单元的图像像元,记录的往往不止一种地物的反射光谱信号。这一信号被认为是多种土地覆盖类型的光谱响应特征混合,故该类像元被称为“混合像元”。混合像元产生的主要原因有两个：一,地物尺度小于给定的传感器空... 详细信息

遥感分析中作为基本空间单元的图像像元,记录的往往不止一种地物的反射光谱信号。这一信号被认为是多种土地覆盖类型的光谱响应特征混合,故该类像元被称为“混合像元”。混合像元产生的主要原因有两个：一,地物尺度小于给定的传感器空间分辨率,造成异质性地物共同出现在瞬时视场中;二,像元内地物以紧密、交错的方式均匀混合。城市遥感数据包含的混合像元主要产生于第一种原因。中低分辨率遥感图像中存在大量混合像元促进了光谱混合分析方法的发展。在空间分辨率达米级乃至亚米级的对地观测技术进入应用阶段的今天,城市中混合像元的数量和组成会有什么变化,传统像元光谱的解混方法是否仍然适用或需要做何种改进,如何最大限度地利用高分辨率优势量化表征城市景观,是探索高分辨率遥感数据特性和复杂城市结构之间关系中亟待回答的重要问题。围绕上述问题,本文以上海市田子坊Worldview-2卫星2米多光谱影像为实验数据源,针对高度异质的城市景观,对直径小于图像空间分辨率的兴趣地物(如建筑物和道路)所产生的混合像元问题以及同物异谱现象进行传统的线性光谱混合分解(LSMA)和较为先进的多端元光谱混合分解(MESMA),并结合参考数据对两种分析方法获得的结果精度做了视觉和量化对比。研究设定了如下控制条件和实验过程：在光谱库建立初始,从图像中提取了9大类47小类兴趣区(ROIs)含8162个像元,由此生成8162条初始光谱;然后利用计数端元选择(CoBI)、端元均方根误差(EAR)、最小平均光谱角(MASA)三个指标值进行综合排序,建立LSMA和MESMA端元光谱库。两种光谱混合分析方法的具体实现过程如下：(1)根据上述综合排序结果,为LSMA挑选出6条不透水面、2条植被、1条阴影光谱,组成LSMA端元光谱库。具体的LSMA分解满足所有组分和为1,分量最小约束为0、最大约束为1的线性约束,借助Matlab软件的最小二乘法函数实现。分解结果重组为包含不透水面、植被、阴影、RMSE四个数据层的文件。(2)依据上述综合排序结果,挑选了57条不透水面、9条植被、10条阴影光谱构成MESMA端元光谱库,共组合成分解模型5130个。分解过程借助ENVI插件VIPER Tools工具实现,对约束条件进行变换组合,选出最佳参数：最小分量约束为-0.05、最大分量约束1.05,最大阴影约束0.8,最大允许RMSE为0.025,分解中各波段残差约束0.025。分解端元已包含阴影分量,在MESMA结果基础上进行阴影归一化,消除VIPER Tools工具自身限制带来的错误得到阴影归一化MESMA结果文件。最终结果由不透水面、植被、阴影、RMSE数据层组成。对两种不同分析方法获得的结果采取目视定性和指标定量结合的方式进行精度检验。目视定性发现MESMA较LSMA斑块细碎,但是MESMA更贴合实际地物。定量法对100个随机采样点的LSMA、MESMA对照航拍照片进行一一目视解译,并采用均方根误差RMSE、均方误差MAE、决定系数R2对端元丰度值进行评估。对照样本的指标定量检验中,植被(Vege)在LSMA和MESMA结果中都表现出最小的RMSE和MAE,不透水面(IS)和阴影(Shade)的RMSE在LSMA中都为0.32左右,IS的MAE为0.22,Shade的MAE为0.24;MESMA中两者的RMSE都提高到0.23,IS的MAE提高到0.11,Shade也提高到0.12。1S的R2在LSMA中最低,仅为0.75,MESMA中为次高,0.92,改善最大,这正体现出MESMA较传统的LSMA在城市异质性景观提取的优势性;阴影的R2也从0.84提高到0.94,但是植被的R2在LSMA到MESMA中却呈现出降低趋势。总体来看,MESMA较LSMA在不透水面、植被、阴影分量都有不同程度改善,展示出MESMA对于城市景观亚像元分解较传统的LSMA的适用性。最后,总结MESMA和LSMA过程中存在的问题并提出进一步分解效率改进措旌。

关键词： Worldview-2 多端元光谱混合分解线性光谱混合分解高分影像

基于OLI/TIRS数据的沈阳市不透水面提取

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资源科学 2019年第9期41卷 1758-1768页

作者：郭一洋雷国平张露洋赵明朝于浩戴激光东北大学土地管理研究所沈阳110819 辽宁省地震局沈阳110034 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院阜新123000

不透水面是评价城市发展及生态的关键指标,而不透水面提取的方法以四端元模型为主,存在无法有效区分裸土和高反照度的问题。本文以东北老工业代表性城市——沈阳市为研究区,基于Landsat 8多光谱波段(OLI)和热红外波段(TIRS),利用五端元... 详细信息

不透水面是评价城市发展及生态的关键指标,而不透水面提取的方法以四端元模型为主,存在无法有效区分裸土和高反照度的问题。本文以东北老工业代表性城市——沈阳市为研究区,基于Landsat 8多光谱波段(OLI)和热红外波段(TIRS),利用五端元线性光谱混合分解方法对传统的四端元线性光谱混合分解方法进行优化,提取不透水面并对其空间分布进行分析。在四端元线性光谱混合分解方法获取研究区高、低反照度分量基础上,反演地表温度,通过五端元线性光谱混合分解方法获取裸土盖度,利用地表温度和裸土盖度阈值对高、低反照度分量进行优化,得到沈阳市不透水面盖度空间分布。经过精度检验,提取的不透水面均方根误差RMSE=13.14%,相关系数R=0.91,表明本文所用方法可有效提取不透水面。不透水面空间总体分析表明,沈阳市非建设区比例为79.04%,中心老城区高密度区占比较高,城市新扩张区域还未形成合理布局。局部特征分析结果表明,沈阳市东西向发展不对称,南北向的生态环境优于东西向。本文研究结果可为其他城市不透水面提取提供借鉴,为城市规划和发展建设提供科学依据。

关键词：不透水面线性光谱混合分解五端元优化空间特征沈阳市

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泰安市区不透水面覆盖度遥感估算研究

测绘科学 2017年第5期42卷 76-81页

作者：姜增琛张继贤梁勇林祥国山东农业大学信息科学与工程学院山东泰安271018 中国测绘科学研究院摄影测量与遥感研究所北京100830 国家测绘产品质量检验测试中心北京100830

区域不透水面覆盖度是该区域城镇化程度、生态环境状况的重要指示因子。针对传统线性混合像元分解丰度图经常出现负值或者大于1的情况,采用完全约束最小二乘混合像元分解方法,利用泰安市市区Landsat8 OLI遥感影像提取了其不透水面分布状... 详细信息

区域不透水面覆盖度是该区域城镇化程度、生态环境状况的重要指示因子。针对传统线性混合像元分解丰度图经常出现负值或者大于1的情况,采用完全约束最小二乘混合像元分解方法,利用泰安市市区Landsat8 OLI遥感影像提取了其不透水面分布状况,运用高分辨率遥感影像随机采样进行了精度检验,并对该区域不透水面空间特征进行了分析。结果表明:该文方法对泰安市市区不透水面分布提取的精度较高;植被、水体、高和低反照率不透水面4种光谱端元的线性组合,可以较好地模拟OLI影像的波谱特征;高、低反照率不透水面两种光谱端元可以很好地表达泰安市市区不透水面信息。

关键词：不透水面线性光谱混合分解端元遥感

基于Sentinel-2A和Landsat8的城市不透水面的提取

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国土资源遥感 2021年第2期33卷 40-47页

作者：赵怡许剑辉钟凯文王云鹏胡泓达吴萍昊广东省科学院广州地理研究所/广东省遥感与地理信息应用重点实验室/广东省地理时空大数据工程实验室广州510070 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州) 广州511458 中国科学院广州地球化学研究所广州510640 中国科学院大学北京100049

城市不透水面相关研究对城市的发展至关重要。为了提取城市不透水面盖度,通常采用线性光谱混合分析方法,在亚像元尺度上计算混合像元内的不透水面面积比例。由于端元光谱曲线存在误差,导致不透水面盖度提取精度较低,因而提出端元优化方... 详细信息

城市不透水面相关研究对城市的发展至关重要。为了提取城市不透水面盖度,通常采用线性光谱混合分析方法,在亚像元尺度上计算混合像元内的不透水面面积比例。由于端元光谱曲线存在误差,导致不透水面盖度提取精度较低,因而提出端元优化方案,通过Sentinel-2A影像选择比较纯净的端元,利用其光谱信息优化从Landsat8影像中选择的端元的光谱曲线,提高纯净像元光谱曲线精度。此外,结合解混结果优化方案,利用归一化植被指数(normalized differential vegetation index,NDVI)和干旱裸土指数(dry bare-soil index,DBSI),对解混结果进行优化。采用WorldView-2遥感影像进行样本验证,结果显示,该方法所提取不透水面盖度的精度比传统方法提高了20%,为端元选取和不透水面提取提供可靠的理论支持。

关键词： Sentinel-2A 端元优化方案线性光谱混合分解不透水面

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典型喀斯特山地城市不透水面时空格局

济南大学学报（自然科学版） 2021年第1期35卷 34-40,61页

作者：母浩江崔文刚鲁霞贵州师范大学地理与环境科学学院贵州贵阳550025

以贵阳市主城区为研究区,利用基于植被覆盖度提取法和线性光谱混合分析法分别提取研究区不透水面信息;通过精度对比,选用最优方法提取研究区1996、2007、2017年的不透水面信息,并结合标准差椭圆法和相关扩展指标探讨不透水面的时空演变... 详细信息

以贵阳市主城区为研究区,利用基于植被覆盖度提取法和线性光谱混合分析法分别提取研究区不透水面信息;通过精度对比,选用最优方法提取研究区1996、2007、2017年的不透水面信息,并结合标准差椭圆法和相关扩展指标探讨不透水面的时空演变。结果表明:在喀斯特地区利用线性光谱混合分析法提取不透水面信息效果较好;1996—2017年间研究区不透水面的空间分布趋势经历了从西南—东北分布变化为正北—正南分布,再变化为西南—东北分布的过程;不透水面扩展模式前期主要以单级为核心向四周发散,随时间推移转变为多中心扩展,并伴随大量“飞地”的出现。

关键词：时空演变不透水面植被覆盖度线性光谱混合分解贵阳市

基于最大似然分类的宁夏红寺堡灌区的景观变化

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基于最大似然分类的宁夏红寺堡灌区的景观变化

作者：喻小倩西南大学

学位级别：硕士

宁夏红寺堡灌区是宁夏扶贫扬黄工程的主体灌区,是国家重点建设项目。它的实质就是在荒漠中开发绿洲的过程。文中采用线性光谱混合分解和最大似然分类相结合的遥感分类技术,对红寺堡土地覆被景观变化进行研究,以更快更好的掌握土地覆被... 详细信息

宁夏红寺堡灌区是宁夏扶贫扬黄工程的主体灌区,是国家重点建设项目。它的实质就是在荒漠中开发绿洲的过程。文中采用线性光谱混合分解和最大似然分类相结合的遥感分类技术,对红寺堡土地覆被景观变化进行研究,以更快更好的掌握土地覆被信息在开发前的状态,为研究红寺堡灌区开发前后土地覆被景观的演化过程提供基础,为生态治理提供依据。以宁夏红寺堡灌区为主要的研究区域,在广泛收集研究区域内的TM遥感数据和自然环境、社会经济等方面的资料基础上,采用各种遥感信息技术提取信息,主要利用RS、GIS软件对宁夏红寺堡灌区1989、1999、2003和2008年四个时期的遥感信息进行提取。在对红寺堡的遥感影像进行几何校正和辐射校正等处理之后,采用传统的监督分类方法-最大似然分类进行分类划分,过程中着重考虑了该区域混合像元对分类结果的影响,通过分析比较,采用的是线性混合分解模型分解混合像元,从而可得到各个地物类型所占的面积百分比,在此基础之上,选择训练样本进行分类,得到的分类精度较高,可满足实际应用需求。在完成遥感分类之后,应用景观生态学原理和方法,利用FRAGSTARTS景观格局指数分析软件根据研究需要,选取相关的景观格局特征指数和景观要素斑块特征指数,并利用选取的相关指数对研究区域不同年份的景观格局及其动态变化进行了比较系统的分析,即分别从景观水平和景观类型两个尺度上分析了红寺堡1989、1999、2003和2008年四个时期的景观格局和动态变化,并通过转移矩阵分析了各景观类型的转化特征,最后分析了人工沟渠廊道的结构特征以及对景观格局的影响。研究结果表明：（1）红寺堡灌区混合像元现象尤为严重,采用线性光谱混合分解能较好的分解混合象元,能够广泛应用于地表信息的分类和提取。四个时相得到的均方根误差平均值都小于0.004,方差都小于0.005,混合像元分解较为成功。（2）通过主成分变换的前三个波段表达了原始影像99.26%的信息,压缩了数据维数,去除了波段之间的多余信息,抑制噪音,使各波段相互独立,排除了地物信息的相互干扰。利用它各波段的散点图选择端元,物理意义明确,选择的端元也比较纯。（3）红寺堡灌区从1989年到2008年,在人为作用不断干扰下,景观格局变化显著,斑块数目增加,破碎度增大,分维数减少,景观形状变得比较规则简单。在1989年的主要景观类型为草地,占总体面积的23.4%,到2008年主要为沙地,占总体面积的46.12%,沙化现象严重,而耕地却逐年增加,这是由于人类活动直接影响的结果,人们大量开垦草地为耕地,草地,灌木林一部分沙化,一部分转化成了耕地。（4）在宁夏红寺堡灌区,1989年开发前不存在沟渠,在1997年灌区开发后,1999年,2003年,2008年干渠密度分别为0.95,1.13,1.21,密度逐渐增加,沟渠网络结构日趋复杂,直接影响灌区的景观结构类型。灌区内景观多样性指数和均匀度指数都呈成增加趋势,景观要素类型的丰富度随沟渠网络结构复杂性的增加而增加。

关键词：混合象元端元线性光谱混合分解最大似然分类景观指数沟渠