付 佳, 黃海軍 楊曦光

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 北京 100049)

基于ENVI的唐山灣三島土地利用遙感分類(lèi)方法的比較分析

付 佳1,2, 黃海軍1, 楊曦光1,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 北京 100049)

對(duì)唐山灣三島2010年10月10 m分辨率的SPOT5多光譜數(shù)據(jù)源, 采用不同分類(lèi)方法進(jìn)行識(shí)別和判斷, 并對(duì)比不同分類(lèi)器在遙感影像分類(lèi)中的應(yīng)用效果和分類(lèi)精度。有針對(duì)性地探究海島土地利用遙感分類(lèi)過(guò)程中不同方法的優(yōu)劣, 獲取最適于島陸地區(qū)土地利用的遙感分類(lèi)方法。根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010-2007)和海島陸域土地利用類(lèi)型劃分的相關(guān)規(guī)定, 將唐山灣三島主要分為灘涂、裸地、林地、草地、居住區(qū)、內(nèi)陸水體和潮間帶(潮水覆蓋區(qū))6類(lèi)。并分別構(gòu)建結(jié)合人為控制的非監(jiān)督分類(lèi)、監(jiān)督分類(lèi)和基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)系統(tǒng), 參照更高分辨率影像、先驗(yàn)知識(shí)和野外調(diào)查資料, 評(píng)價(jià)分類(lèi)結(jié)果與實(shí)地調(diào)查結(jié)果的吻合程度, 最終通過(guò)總體分類(lèi)精度和Kappa系數(shù)等指標(biāo)對(duì)各分類(lèi)器精度進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比分析。

唐山灣三島; 土地利用分類(lèi); 遙感; 監(jiān)督分類(lèi); 決策樹(shù)分類(lèi)

土地利用在一定程度上決定了人類(lèi)的生產(chǎn)和生活, 而人類(lèi)活動(dòng)也正在快速地改變著土地利用類(lèi)型的分布和屬性。隨著海洋資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā), 海島作為開(kāi)發(fā)海洋基地的作用愈顯重要。尤其海島陸域面積較小, 土地資源就顯得更加珍貴了。因此, 科學(xué)地進(jìn)行土地利用分類(lèi), 不僅有助于弄清楚島陸現(xiàn)有的土地利用狀況, 建立和加強(qiáng)國(guó)家對(duì)海島土地的管理規(guī)劃, 滿足調(diào)查研究以及制圖的需要, 也有利于因地制宜, 合理制定島陸及周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展計(jì)劃, 可持續(xù)地開(kāi)發(fā)和使用海洋資源。

近年來(lái), 遙感技術(shù)被廣泛用于海島土地利用分類(lèi)和環(huán)境調(diào)查及景觀變化監(jiān)測(cè)等工作中。遙感圖像分類(lèi)就是將圖像中每個(gè)像元根據(jù)其在不同波段的光譜亮度、空間結(jié)構(gòu)特征或者其他信息, 按照某種規(guī)則或算法劃分為不同的類(lèi)別[1]。文中分別采用人為控制的非監(jiān)督分類(lèi)、監(jiān)督分類(lèi)和基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)三種方法的多種算法, 對(duì)唐山灣三島的土地利用狀況進(jìn)行了分類(lèi), 并針對(duì)該研究區(qū)對(duì)各分類(lèi)方法的分類(lèi)結(jié)果和精度進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比分析。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理

1.1 研究區(qū)概況及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究區(qū)選取在唐山灣三島, 位于河北省唐山市東南的渤海灣內(nèi), 樂(lè)亭縣西南部, 西鄰曹妃甸新城,東接海港開(kāi)發(fā)區(qū), 為京津唐秦四市所環(huán)抱。包括三個(gè)無(wú)居民海島: 石臼坨島(菩提島)、月坨島(月亮島)和打網(wǎng)崗島(祥云島), 位于 118°48′32′～118°59′10′E, 39°05′36′～39°11′13′N(xiāo)范圍內(nèi), 三島總面積37.75 km2,其中石臼坨島面積 4.04 km2, 月坨島 11.96 km2, 打網(wǎng)崗島22.41 km2。

本文采用的數(shù)據(jù)源為研究區(qū)2010年10月14日的SPOT5多光譜遙感影像, 空間分辨率10 m, 為二級(jí)產(chǎn)品, 已完成輻射校正和幾何粗校正處理。然后在ENVI軟件中對(duì)數(shù)據(jù)源影像進(jìn)行了影像-影像模式的配準(zhǔn)處理, 并裁減出唐山灣三島的陸域研究區(qū)域影像。SPOT5多光譜遙感影像包括4個(gè)波段, Ms1(近紅外波段)、Ms2(紅色波段)、Ms3(綠色波段)和Ms4(短波紅外), 圖1為SPOT影像中第1、2、3波段的標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像。

1.2 結(jié)合人為控制的非監(jiān)督分類(lèi)

非監(jiān)督分類(lèi)是在沒(méi)有選取訓(xùn)練樣本的前提下,主要根據(jù)像元特征相似程度的大小進(jìn)行歸類(lèi)合并。非監(jiān)督分類(lèi)方法是計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行的自動(dòng)分類(lèi), 不需要具體地物的已知知識(shí), ENVI執(zhí)行非監(jiān)督分類(lèi)時(shí), 常用的是最大似然分類(lèi)(ISODATA)和聚類(lèi)分析(K-Mean)兩種方法。結(jié)合人為控制主要是指預(yù)先將類(lèi)數(shù)定義為多于目標(biāo)類(lèi)數(shù)的值, 執(zhí)行非監(jiān)督分類(lèi)后通過(guò)參照研究區(qū)原始影像和更高分辨率遙感影像, 將部分類(lèi)別進(jìn)行刪除或合并的操作, 得到目標(biāo)分類(lèi)結(jié)果。

圖1 研究區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像Fig. 1 The standard false color composite image of the sample area

1.2.1 最大似然分類(lèi)結(jié)果

利用該方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類(lèi), 結(jié)果共分出 17類(lèi), 通過(guò)合并子類(lèi)共得到6類(lèi)島陸地物, 分別是灘涂、潮間帶(漲潮有水)、內(nèi)陸水體、林地、草地和裸地。結(jié)合研究區(qū)原始影像、0.61 m高分辨率Quick bird影像和野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)分析分類(lèi)結(jié)果, ISODATA分類(lèi)方法雖然可以大致區(qū)分出研究區(qū)域內(nèi)的不同土地利用類(lèi)型, 但是地物屬性錯(cuò)分、不同地物類(lèi)型尤其是相似地物類(lèi)型混淆情況較為嚴(yán)重。如人工地物(包括建筑物、公路等)和裸地混淆嚴(yán)重, 難以區(qū)分; 內(nèi)陸水體和高潮時(shí)的潮間帶地區(qū)也有較嚴(yán)重的混淆。

1.2.2 聚類(lèi)分析分類(lèi)結(jié)果

與最大似然分類(lèi)過(guò)程一樣, 首先利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類(lèi)識(shí)別出17類(lèi), 然后將子類(lèi)合并為灘涂、潮間帶(漲潮有水)、林地、草地、裸地和內(nèi)陸水體。通過(guò)原始影像和更高分辨率影像的目視判別以及野外調(diào)查資料的對(duì)照, 可以發(fā)現(xiàn), K-Means分類(lèi)結(jié)果同樣呈現(xiàn)出較嚴(yán)重的混淆情況。

非監(jiān)督分類(lèi)方法雖然不需要對(duì)研究區(qū)域有先驗(yàn)知識(shí), 但分類(lèi)產(chǎn)生的光譜集群組與本文目標(biāo)產(chǎn)生的裸地、灘涂、林地、草地、內(nèi)陸水體、人工地物和潮間帶(潮水覆蓋地區(qū))這7類(lèi)之間不能一一對(duì)應(yīng), 混淆和錯(cuò)分情況較嚴(yán)重。盡管在子類(lèi)合并過(guò)程中加入了人為控制因素, 在一定程度上提高了分類(lèi)精度, 但結(jié)果仍不甚理想, 在裸地與人工地物、內(nèi)陸水體和覆有海水的潮間帶的區(qū)分上沒(méi)有太大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1.3 監(jiān)督分類(lèi)

監(jiān)督分類(lèi), 又稱(chēng)訓(xùn)練分類(lèi)法, 即用被確認(rèn)類(lèi)別的樣本像元去識(shí)別其他未知類(lèi)別像元的過(guò)程。在這種分類(lèi)中, 分析者在圖像上對(duì)每一種類(lèi)別選取一定數(shù)量的訓(xùn)練區(qū), 計(jì)算機(jī)計(jì)算每種訓(xùn)練樣區(qū)的統(tǒng)計(jì)或其他信息, 每個(gè)像元和訓(xùn)練樣本作比較, 按照不同規(guī)則將其劃分到和其最相似的樣本類(lèi)中[1]。

根據(jù)研究區(qū)土地利用的實(shí)際情況, 在 SPOT遙感影像中定義了7種土地利用類(lèi)型: 灘涂、裸地、潮間帶(漲潮覆水)、居住區(qū)、林地、草地和內(nèi)陸水體。從SPOT影像中可以看出, 灘涂分布面積較廣泛, 因含水顏色較裸地暗; 裸地反射率高, 多為高亮, 形狀不規(guī)則, 無(wú)特殊紋理特征; 漲潮后被海水覆蓋的潮間帶地區(qū)與外海相連, 呈寬度不規(guī)則的條帶狀分布在岸線附近, 光譜特征與內(nèi)陸水體相近, 但屬開(kāi)放式, 不封閉; 居住區(qū)主要包含居民區(qū)和交通用地等人工地貌, 在影像上同樣反映出高亮度、高反射率的特征, 大都具有規(guī)則形狀, 尤其交通用地表現(xiàn)出細(xì)長(zhǎng)平滑的規(guī)則特征; 林地為不規(guī)則形狀, 簇狀紋理;草地的色調(diào)在影像上接近于林地, 但色彩比林地亮;內(nèi)陸水體大多為暗色, 無(wú)明顯棱角, 河流、溝渠等為細(xì)長(zhǎng)型, 湖泊等為不規(guī)則形狀, 水庫(kù)、養(yǎng)殖池等多為規(guī)則形狀, 區(qū)域內(nèi)顏色均勻較少變化。根據(jù)上述特征,在研究區(qū)影像內(nèi)選取各類(lèi)別的訓(xùn)練樣本, 并對(duì)各樣本進(jìn)行了可分離度計(jì)算(表 1), 結(jié)果表明, 裸地與居民地可分離程度較低, 混淆較多; 內(nèi)陸水體與潮間帶、灘涂與居住區(qū)之間存在少量混淆, 可分離程度一般。其他地物類(lèi)樣本之間均具有較好的分離性。下面就利用該訓(xùn)練樣本對(duì)研究區(qū)影像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)。

根據(jù)選取的訓(xùn)練樣本, 本文運(yùn)用了平行六面體、最小距離、馬氏距離、最大似然、支持向量機(jī) 5種監(jiān)督分類(lèi)器對(duì)研究區(qū) SPOT影像進(jìn)行了土地利用類(lèi)型分類(lèi)。其中平行六面體和最小距離分類(lèi)器分類(lèi)結(jié)果中包含未分類(lèi)像元, 無(wú)法簡(jiǎn)單將其歸并到某一類(lèi)中。其他監(jiān)督分類(lèi)器運(yùn)算結(jié)果均未出現(xiàn)未分類(lèi)像元。

平行六面體算法的基本思想是: 根據(jù)訓(xùn)練樣本的亮度值形成一個(gè)n維的平行六面體數(shù)據(jù)空間, 其他像元的光譜值如果落在平行六面體任何一個(gè)訓(xùn)練樣本所對(duì)應(yīng)的區(qū)域, 就被劃分到其對(duì)應(yīng)的類(lèi)別中。平行六面體的尺度是由標(biāo)準(zhǔn)差閾值所確定的, 而該標(biāo)準(zhǔn)差閾值則是根據(jù)所選類(lèi)的均值求出的。最小距離算法的基本思想是: 利用訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)計(jì)算出每一類(lèi)的均值向量和標(biāo)準(zhǔn)差向量, 然后以均值向量作為該類(lèi)在特征空間中的中心位置, 計(jì)算輸入圖像中每個(gè)像元到各類(lèi)中心的距離, 到哪一類(lèi)中心的距離最小, 該像元就歸入到哪一類(lèi)。馬氏距離算法的基本思想是: 計(jì)算輸入圖像到各訓(xùn)練樣本的馬氏距離(一種有效的計(jì)算兩個(gè)未知樣本集的相似度的方法), 最終統(tǒng)計(jì)馬氏距離最小的, 即為此類(lèi)別。最大似然算法的基本思想是: 假設(shè)每一個(gè)波段的每一類(lèi)統(tǒng)計(jì)都呈正態(tài)分布, 計(jì)算給定像元屬于某一訓(xùn)練樣本的似然度,像元最終被歸并到似然度最大的一類(lèi)當(dāng)中。支持向量機(jī)算法(SVM)是一種建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的機(jī)器學(xué)習(xí)方法, 其基本思想是: 自動(dòng)尋找那些對(duì)分類(lèi)有較大區(qū)分能力的支持向量, 由此構(gòu)造出分類(lèi)器, 可以將類(lèi)與類(lèi)之間的間隔最大化, 因而有較好的推廣性和較高的分類(lèi)準(zhǔn)確率[2]。其中, 平行六面體、最小距離和馬氏距離分類(lèi)方法均是通過(guò)設(shè)置均值、標(biāo)準(zhǔn)差或馬氏距離等閾值對(duì)圖像像元進(jìn)行歸類(lèi)判別的, 最大似然算法是利用相似程度最大的原則對(duì)像元進(jìn)行歸并的, 支持向量機(jī)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論確立了每一類(lèi)特征最為顯著的支持向量, 使不同的地物類(lèi)型盡可能地得到區(qū)分。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像進(jìn)行各種監(jiān)督分類(lèi), 分類(lèi)結(jié)果如圖2(a, b, c, d, e), 分別對(duì)應(yīng)五種監(jiān)督分類(lèi)器結(jié)果。

表1 訓(xùn)練樣本的可分離程度計(jì)算Tab.1 Calculation of the separability of the training samples

1.4 基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)

基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)是基于遙感圖像數(shù)據(jù)及其他空間數(shù)據(jù), 通過(guò)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和歸納方法等, 獲得分類(lèi)規(guī)則并進(jìn)行遙感分類(lèi)[2]。本文主要運(yùn)用了逐層邏輯判斷的方式, 在各波段或波段運(yùn)算模式下, 通過(guò)盡可能避免或減少每種土地利用類(lèi)型的光譜統(tǒng)計(jì)特征值域的交叉重疊, 而將各地物類(lèi)型逐一區(qū)分、識(shí)別出來(lái)。各地物類(lèi)型的分布特征復(fù)雜多變, 給土地利用遙感分類(lèi)帶來(lái)了許多難題。針對(duì)這些光譜統(tǒng)計(jì)特征和分布范圍大相徑庭的景物或現(xiàn)象, 不可能用一個(gè)統(tǒng)一的分類(lèi)模式來(lái)判別、區(qū)分和識(shí)別。因而, 在實(shí)際分類(lèi)過(guò)程中往往需要深入研究各區(qū)域景物的總體規(guī)律及其內(nèi)在聯(lián)系, 理順其主次或因果關(guān)系, 建立一種樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的框架。即通過(guò)建立決策分類(lèi)樹(shù)對(duì)各種土地利用類(lèi)型進(jìn)行分層分類(lèi)。

1.4.1 遙感影像統(tǒng)計(jì)特征分析

首先, 對(duì)監(jiān)督分類(lèi)時(shí)選取的訓(xùn)練區(qū)內(nèi)各已知類(lèi)別進(jìn)行各波段數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析, 主要地物類(lèi)型的統(tǒng)計(jì)信息包括: 各波段下的最大值、最小值、均值、方差等。這是對(duì)遙感圖像亮度值的隨機(jī)變量概率分布狀況較完整的描述(表2)。

本文分別提取了典型地物在 1、2、3波段和歸一化植被指數(shù)運(yùn)算(INDV)的統(tǒng)計(jì)特征值。歸一化植被指數(shù)是近紅外波段和紅光波段兩個(gè)通道反射率的差除以它們的和, 計(jì)算公式表示為:

其中,RNI為近紅外波段的反射率,R為紅光波段的反射率。INDV能反映出植物冠層的背景影響, 如土壤、潮濕地面、枯葉、粗糙度等, 且與植被覆蓋有關(guān)。通常, -1≤INDV≤1。

各波段的統(tǒng)計(jì)特征顯示, 內(nèi)陸水體、灘涂和裸地基本可以通過(guò)SPOT紅波段加以區(qū)分; 林地、草地和居住區(qū)可以通過(guò)SPOT綠波段區(qū)分出來(lái); SPOT藍(lán)波段能夠?qū)⒊遍g帶和裸地區(qū)分出來(lái)。但無(wú)論通過(guò)哪個(gè)波段, 裸地與居住區(qū)、灘涂與居住區(qū)以及內(nèi)陸水體與潮間帶之間都存在一定的混淆, 區(qū)分過(guò)程中有不同程度的困難。過(guò)程中期望通過(guò)波段運(yùn)算的方法可以進(jìn)一步區(qū)分出這些地物類(lèi)型之間的混淆, 雖然可以從一定程度上減少混淆, 但由于光譜特征較為類(lèi)似,實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果并不能徹底區(qū)分有混淆的地物類(lèi)別。

1.4.2 決策樹(shù)的建立

結(jié)合以上的統(tǒng)計(jì)分析情況, 采用單波段統(tǒng)計(jì)特征值與NDVI相結(jié)合的方式建立分類(lèi)決策樹(shù)(圖3)。首先利用 SPOT綠波段區(qū)分林地和非林地部分, 然后利用 SPOT紅波段區(qū)分出混淆在林地中的內(nèi)陸水體。隨后再利用 SPOT紅波段區(qū)分灘涂, 并結(jié)合SPOT綠波段、SPOT紅波段及NDVI區(qū)分出混淆其中的草地, 其中的居住區(qū)與裸地、灘涂之間仍存留部分混淆, 未能完全區(qū)分。最后利用SPOT紅波段區(qū)分其他類(lèi)型中的內(nèi)陸水體和潮間帶, 同樣內(nèi)陸水體與潮間帶之間也存在部分混淆, 不能徹底區(qū)分開(kāi)來(lái)。

1.4.3 決策樹(shù)分類(lèi)結(jié)果

在 ENVI中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像執(zhí)行決策樹(shù)分類(lèi), 得到基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)方法的分類(lèi)結(jié)果, 見(jiàn)圖2(f)。

圖2 5種監(jiān)督分類(lèi)器得到的監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果和基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)結(jié)果Fig. 2 Results of the five classification and decision tree classification based on expert knowledge

表2 研究區(qū)影像上提取的各地物類(lèi)型的統(tǒng)計(jì)特征信息Tab.2 The statistic characteristic information of all the surface features drawn from the image of the research area

2 分類(lèi)結(jié)果評(píng)價(jià)

遙感圖像的分類(lèi)精度評(píng)價(jià)通常是對(duì)分類(lèi)結(jié)果圖與標(biāo)準(zhǔn)圖件或地面實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較, 以正確分類(lèi)的百分比來(lái)表示精度, 是遙感數(shù)據(jù)分類(lèi)過(guò)程中不可缺少的工作[3]。

本文主要通過(guò)與同期的野外實(shí)測(cè)驗(yàn)正點(diǎn)和更高分辨率的Quick bird影像進(jìn)行比較, 對(duì)各種監(jiān)督器分類(lèi)結(jié)果和基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)結(jié)果展開(kāi)精度評(píng)價(jià)。對(duì)分類(lèi)數(shù)據(jù)采用混淆矩陣法, 行代表實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證的地物點(diǎn), 列代表被評(píng)價(jià)分類(lèi)結(jié)果顯示的地物類(lèi)型。在混淆矩陣中, 對(duì)角線位置處的數(shù)值為正確分類(lèi)樣本數(shù)目, 非對(duì)角線上的數(shù)值為混淆分類(lèi)樣本數(shù)目。因此, 每類(lèi)地物在對(duì)角線處的數(shù)值越接近實(shí)地采樣點(diǎn)總數(shù), 該地物的單類(lèi)分類(lèi)精度就越高。本次研究運(yùn)用混淆矩陣進(jìn)行精度評(píng)價(jià)的主要參數(shù)及其計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[3]。

Kappa系數(shù)與分類(lèi)質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。

以上各參數(shù)中, 總分類(lèi)精度和 Kappa系數(shù)反映的是整個(gè)遙感分類(lèi)結(jié)果圖的分類(lèi)精度, 用戶精度和制圖精度則反映的是各個(gè)類(lèi)型的分類(lèi)精度。下面就以這些參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本研究監(jiān)督分類(lèi)器和專(zhuān)家決策樹(shù)算法的分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。表 4反映了不同分類(lèi)器的總體分類(lèi)精度和Kappa系數(shù)。

以上數(shù)據(jù)顯示, 無(wú)論是分類(lèi)精度還是地物類(lèi)型的可分離性都是決策樹(shù)分類(lèi)方法明顯優(yōu)于其他分類(lèi)方法?？梢?jiàn), 基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)系統(tǒng)具有相對(duì)較高的區(qū)分和識(shí)別能力。此外, 本文還對(duì)某一種土地利用類(lèi)型比較了不同分類(lèi)方法的制圖精度和用戶精度(表5、表6)。

圖3 決策樹(shù)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Decision tree structure diagram

表3 Kappa系數(shù)與分類(lèi)質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.3 The correspondence between Kappa and classification quality

表4 各分類(lèi)方法分類(lèi)精度比較Tab.4 Comparison of the accuracy among all the classification methods

表6 各地物類(lèi)別在不同分類(lèi)方法下的用戶精度Tab.6 The user accuracy of all the classification methods

3 結(jié)論

本文運(yùn)用非監(jiān)督分類(lèi)、監(jiān)督分類(lèi)和基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)等多種單分類(lèi)器對(duì)唐山灣三島研究區(qū)域的SPOT5影像進(jìn)行了遙感土地利用分類(lèi), 分析和討論了不同遙感分類(lèi)方法對(duì)島陸地物類(lèi)型識(shí)別和判斷能力的差異。通過(guò)對(duì)比不同分類(lèi)器的制圖精度、用戶精度和 Kappa系數(shù), 總結(jié)了其對(duì)各種地物類(lèi)型的區(qū)分和識(shí)別能力, 提取出針對(duì)唐山灣三島地區(qū)土地利用遙感分類(lèi)效果最理想的單分類(lèi)器。

結(jié)果表明, 非監(jiān)督分類(lèi)雖不需要預(yù)先對(duì)所要分類(lèi)的區(qū)域有廣泛的認(rèn)知和了解, 且人為誤差少, 但產(chǎn)生的光譜集群組與最終想要獲取的類(lèi)別在匹配上存在較大差距。本研究在非監(jiān)督分類(lèi)過(guò)程中加入了人為控制子類(lèi)合并這一過(guò)程, 精度較計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類(lèi)的精度提高了許多, 但實(shí)際分類(lèi)結(jié)果仍然存在較大的混淆和誤分。在這一點(diǎn)上, 監(jiān)督分類(lèi)就可以根據(jù)應(yīng)用目的和區(qū)域,人為控制訓(xùn)練樣本的選取, 有針對(duì)性地決定分類(lèi)類(lèi)別,但該方法需耗費(fèi)較多的人力和時(shí)間來(lái)選取和評(píng)估訓(xùn)練樣本, 加大了人為誤差, 且只能識(shí)別訓(xùn)練樣本中已定義的類(lèi)別, 未定義類(lèi)別就會(huì)出現(xiàn)不能識(shí)別和混淆的狀況。而基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)具有靈活、直觀、清晰、強(qiáng)健、運(yùn)算效率高等特點(diǎn), 在遙感分類(lèi)問(wèn)題上表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。與其他分類(lèi)算法相比, 決策樹(shù)分類(lèi)速度快, 計(jì)算量相對(duì)較小, 容易轉(zhuǎn)化成分類(lèi)規(guī)則。只要沿著“樹(shù)根”向下一直走到“葉”, 沿途的分裂條件就能夠唯一確定一種土地利用類(lèi)型。此外, 挖掘出的分類(lèi)規(guī)則準(zhǔn)確性高, 便于理解, 決策樹(shù)可以清晰地顯示哪些波段或波段運(yùn)算統(tǒng)計(jì)特征值在區(qū)分不同類(lèi)別時(shí)比較重要。但決策樹(shù)分類(lèi)法也存在一定弊端, 由于進(jìn)行深度優(yōu)先搜索, 所以算法受內(nèi)存大小限制, 難以處理大訓(xùn)練集, 伸縮性差。

精度評(píng)價(jià)結(jié)果顯示, 本研究采用的幾種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的分類(lèi)方法都不甚理想, 基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)結(jié)果相對(duì)較好, 精度也較高, 與外業(yè)實(shí)地驗(yàn)證點(diǎn)的對(duì)應(yīng)情況也最為理想。該研究對(duì)居住區(qū)、草地、裸地、灘涂而言, 所有分類(lèi)方法獲得的結(jié)果都不甚理想。推斷主要是因?yàn)閸u陸上的居住區(qū)分布零散, 影像上呈現(xiàn)出零碎斑塊的特征, 而且其間夾雜著小塊的其他地物, 如草地、林地和小面積的水體等, 這部分信息也混淆了居住區(qū)本身的光譜屬性。在光譜特征上, 沙壩、沙堤等裸地也與主要為砂質(zhì)、水泥制的居住區(qū)具有相似相近的特點(diǎn), 反射率較高, 為計(jì)算機(jī)分類(lèi)和識(shí)別帶來(lái)了困難, 在提取訓(xùn)練樣本時(shí)也易產(chǎn)生人為目視誤差。野外調(diào)查研究發(fā)現(xiàn), 在部分灘涂和裸地上分布有小片草地和樹(shù)木, 但由于面積較小, 在10 m分辨率的SPOT5多光譜影像中未達(dá)一個(gè)像元或受下墊面土地利用類(lèi)型的影響, 難以區(qū)分和識(shí)別。此外, 地物邊界的多樣性,使得判定類(lèi)別的邊界往往是很困難的事。灘涂與被潮水覆蓋區(qū)域、林地和草地的邊界不明顯, 裸地與灘涂之間還存在著過(guò)渡地帶, 要精確將其邊界區(qū)分出來(lái)并非易事。相比較而言, 對(duì)于今后海島土地利用遙感分類(lèi)任務(wù),若采用單分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi)且在地物類(lèi)型數(shù)目不是很多的前提下, 建議選擇基于專(zhuān)家知識(shí)的決策樹(shù)分類(lèi)法。

[1] 趙英時(shí)等. 遙感應(yīng)用分析原理與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003: 194.

[2] 鄧書(shū)斌. ENVI遙感圖像處理方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010: 132.

[3] 田金苓. 土地利用遙感分類(lèi)計(jì)數(shù)探討[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2010, 9: 18.

(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

Comparison of land use classification methods used in analysis of the Tangshan Bay three islands using remote sensing images based on ENVI

FU Jia1,2, HUANG Hai-jun1, YANG Xi-guang1,2
(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Graduate School, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Apr., 1, 2012

the Tangshan Bay three islands; land use classification; remote sensing; supervised classification; decision tree classification

In this paper, different classification methods were used to recognize the SPOT5 multispectral images of the Tangshan Bay three islands in October, 2010 with a resolution of 10 meters. The application and classification accuracy among different classifiers were compared. To find out the best remote sensing classification method for land usage analysis, we compared the advantages and disadvantages of all the methods used in land using classification analysis. According to the standards of land using classification and relevant rules about main land using classification of islands, we divided the Tangshan Bay three islands into tidal flat, bare land, forest, grass land, residential district, inland water and intertidal zone. Referring to high resolution images, future knowledge and field investigation data, we shave uccessfully set up the artificially controlled unsupervised classification and supervised classification and decision tree classification system based on expert knowledge. Then we evaluated the match condition between classification results and the results of actual investigation. At last, we evaluated and analyzed the accuracy of all the classifiers by some indicators such as Kappa.

P283.8

A

1000-3096(2014)01-0020-07

10.11759/hykx20120401001

2012-04-01;

2013-11-28

海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(MASEG200807); 海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200905004)

付佳(1984-), 女, 山東東營(yíng)人, 碩士研究生, 主要從事黃河三角洲地面沉降和海島土地利用遙感分類(lèi)方法的研究, 電話: 0532-82898531, E-mail:dy1014311e@163.com; 黃海軍, 通信作者, E-mail: hjhuang@qdio.ac.cn