基于多源遥感NDVI时间序列重建的中原地区典型遗址探测研究

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遥感考古是利用遥感技术进行遗址探测、古环境重建、人地关系研究、监测古遗址位置范围及周围环境变化等的热点研究领域。地下遗址的存在,会影响地上植被的生长,在遥感影像上产生正植被标志或负植被标志,通过对植被标志的监测和比较,可以反映出地下遗址的位置、轮廓和深度等信息。利用大遗址的光谱特征,并通过光谱变换、影像增强、影像融合等一系列方法将大遗址在影像上表现出的植被标识、异常和弱信息提取出来,是遥感在遗址探测中的重要问题之一。近年来,归一化植被指数(NDVI)相比于灰度及多光谱影像取得了长足发展,因其可突出遗址的植被标志而在地下遗址探测中有单时相高分辨率NDVI提取遗址范围信息广泛应用,但目前的研究多利用,而鲜有考虑时间域信息,时相选择存在偶然性,对最佳探测时间的研究较少。NDVI时间序列已被广泛应用于大尺度的作物物候研究,但是几百上千米的空间分辨率无法满足遥感考古的需求。  针对上述问题,本文选取洛阳盆地、临汾盆地为研究区,利用中等分辨率的TM/ETM+, Landsat8OLI,高分一号,以及低分辨率的MODIS的NDVI产品作为补充数据,经过大气校正、几何配准、裁剪以及计算NDVI等预处理操作,构建了16m和30m两种分辨率的NDVI数据集。使用时间序列谐波分析算法(Hants)重建时间序列,实现去云、去噪的同时提高了低分辨率影响清晰度;通过三月份多光谱数据分类,提取冬小麦种植区,与遗址的矢量数据叠加分析,得到仅有冬小麦覆盖的遗址适量范围;在此基础上,对比重建后遗址与非遗址区冬小麦的NDVI曲线,分析两者差异最大的时相;对该时相的NDVI进行积分,在积分影像上得到突出差异,提取遗址的效果。  分析研究结果,本文得出以下初步的结论:  1、将单时相的遗址遥感监测,扩展到作物物候期内的时序观测,在临汾盆地以及洛阳盆地的龙山文化、二里头文化以及两汉时期的几处典型遗址区的冬小麦生长受到地下遗址胁迫,在分蘖期到越冬期遗址区冬小麦长势明显比非遗址差,NDVI曲线低于非遗址,表明该时间是进行地下遗址探测的最佳时期。  2、对最佳探测时间的N DVI积分,在积分影像上有效突出了遗址区冬小麦长势较差的特点,探测到汉魏洛阳故城、古伊洛河异常区、二里头遗址宫殿区等,并与现有的考古资料相吻合。  3、使用MODIS等低分辨率数据补充TM/ETM+构建NDVI时序数据集,Hants重建之后的低分辨率影像清晰度有了较大提高,地物边界和河流等线状地物清晰可见,重建后影像的像元平均值和标准差提高,平均梯度2或3倍提升,图像纹理信息明显。  4、Hants重建之后,因受云影响而在影像产生的黑色区域得到了有效复原,图像的NDVI均值普遍得到了提高,去噪效果非常明显。逐像元分析,低值噪声点被去除,还原了冬小麦的物候特点。因此经过Hants重建,得到较高质量的NDVI时间序列。
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