聶成順，張中儉，王珊珊

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

消落帶通常是指由于水庫、江河、湖泊等水體周期性漲落而在水陸銜接地帶形成的干濕交替地帶[1]。三峽水庫水位在145～175 m之間變動[2]，在巫山縣形成的水庫消落帶面積約7.90 km2，總長度約270 km[3]。由于對消落帶研究的區(qū)域、目的以及方法不同，分類方式也有所差異[4]。艾麗皎等[5]從生態(tài)系統(tǒng)的角度將消落帶分為自然消落帶和人工消落帶。張虹[6]根據(jù)巖土組成、水深、坡度和土地利用類型將三峽庫區(qū)消落帶分為硬巖型、軟巖型和松散堆積型。

查明消落帶的巖土組成，可為岸坡工程、岸坡地質(zhì)災(zāi)害防治等工程活動提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。張信寶[7]通過長期對三峽水庫蓄水后145～175 m消落帶坡地的地貌和植被變化的觀察，并根據(jù)巖土組成，將消落帶分為穩(wěn)定石質(zhì)坡地、穩(wěn)定土質(zhì)坡地和淤積灘涂坡地。鮑玉海等[8]通過對水庫的長期監(jiān)測，再根據(jù)巖土組成將消落帶分為土質(zhì)緩坡、土石復(fù)合坡和巖質(zhì)陡坡。

本文擬將消落帶按巖土組成分為巖質(zhì)、巖土質(zhì)和土質(zhì)3類。但消落帶傳統(tǒng)分類方式以實(shí)地踏勘為主，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。據(jù)此，本文提出了一種基于數(shù)字正射影像(digital orthophoto map，DOM)和數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，使用監(jiān)督分類和決策樹分類相結(jié)合的消落帶分類方法。將該方法應(yīng)用到三峽庫區(qū)巫山縣大寧河口，結(jié)果表明，該方法可以精細(xì)、全面和快速地將消落帶按巖土組成進(jìn)行分類。

1 研究思路

1.1 三類消落帶的遙感特征

通過目視解譯與實(shí)地踏勘，發(fā)現(xiàn)巖質(zhì)、巖土質(zhì)和土質(zhì)消落帶具有不同遙感影像特征，圖1和圖2分別為上述3類消落帶的DOM影像圖和根據(jù)DEM生成的坡度分布圖。DOM具有地圖幾何精度和影像特征，DEM則具有坡度、坡向等地貌特性信息。

圖1 巖質(zhì)、巖土質(zhì)和土質(zhì)消落帶DOM影像

圖2 根據(jù)DEM生成的巖質(zhì)、巖土質(zhì)和土質(zhì)消落帶坡度分布圖

巖質(zhì)消落帶以巖石為主，上覆薄土層在水位變動過程中被剝蝕[8]，基本無植被覆蓋，地物類型以裸巖為主，小部分為裸土或草地。巖質(zhì)消落帶的色調(diào)為白色，亮度高，紋理粗糙。其主要坡度區(qū)間大于40°，坡度較陡。

巖土質(zhì)消落帶由巖、土層復(fù)合構(gòu)成，大部分庫段無植被覆蓋，地物類型以裸土為主。巖土質(zhì)消落帶的色調(diào)以棕色和紅棕色為主，亮度較低，紋理較粗糙。其主要坡度區(qū)間為30°～40°，介于巖質(zhì)與土質(zhì)消落帶之間。

土質(zhì)消落帶以土層為主，大部分庫段被灌草覆蓋，地物類型以草地為主，小部分為裸土。土質(zhì)消落帶的色調(diào)以綠色為主，亮度低，紋理平滑。其主要坡度區(qū)間為0°～30°，坡度平緩。

1.2 分類方法

先基于DOM用監(jiān)督分類將消落帶按地物類型初分為裸巖、裸土和草地，在監(jiān)督分類結(jié)果的基礎(chǔ)上，用決策樹分類融合DEM坡度要素將消落帶按巖土組成細(xì)分為巖質(zhì)、巖土質(zhì)和土質(zhì)，即為研究結(jié)果。相關(guān)技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線圖

1)根據(jù)地物類型初分消落帶。

(1)選取訓(xùn)練樣本。根據(jù)DOM影像上的光學(xué)遙感特征(表1)，通過目視判讀選取裸巖、裸土和草地3類訓(xùn)練樣本。訓(xùn)練樣本數(shù)量由圖像波段數(shù)決定。如果圖像有N個(gè)波段，則每一類別至少應(yīng)該有10N個(gè)訓(xùn)練樣本，且訓(xùn)練樣本在相應(yīng)類別的區(qū)域應(yīng)均勻分布，大小、形狀和位置必須能同時(shí)在圖像和實(shí)地容易識別和定位[9]。

表1 裸巖、裸土和草地消落帶的高精度光學(xué)遙感特征[7]

(2)評價(jià)所選取的訓(xùn)練樣本是否有效。本文通過樣本與樣本間的可分離性衡量訓(xùn)練樣本是否有效?？捎肑-M距離(Jeffries-Matusita distance)和轉(zhuǎn)換分離度(transformed divergence)2個(gè)參數(shù)表示可分離性。當(dāng)2個(gè)樣本間的J-M距離和轉(zhuǎn)換分離度都≥1.80時(shí)，說明這2個(gè)樣本可分離性好，是有效樣本；若J-M距離和轉(zhuǎn)換分離度都<1.80，說明2個(gè)樣本可分離性差，是無效樣本，需要修改或重新選取[10]。

(3)執(zhí)行監(jiān)督分類。監(jiān)督分類包括支持向量機(jī)法(SVM法)、最大似然法、馬氏距離法等多種方法。本文選擇SVM法進(jìn)行分類[11-14]。SVM分類法根據(jù)所選取的訓(xùn)練樣本，建立判別函數(shù)對影像進(jìn)行分類，得到監(jiān)督分類結(jié)果。

(4)監(jiān)督分類后處理。在影像的分類過程中，由于錯(cuò)誤分類或分類的地物類別過于細(xì)微，會產(chǎn)生很多面積很小的圖斑，無論從專題制圖的角度還是從實(shí)際應(yīng)用的角度，都需要剔除這些小圖斑[15]。

(5)評價(jià)監(jiān)督分類結(jié)果質(zhì)量。本文以Kappa系數(shù)作為衡量分類結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)[16]。根據(jù)訓(xùn)練樣本的選取規(guī)則和評價(jià)方法，選取評價(jià)樣本并評價(jià)其有效后采用混淆矩陣法計(jì)算分類結(jié)果的Kappa系數(shù)[17-18]。根據(jù)Kappa系數(shù)與分類結(jié)果質(zhì)量的關(guān)系評價(jià)監(jiān)督分類結(jié)果質(zhì)量(表2)。當(dāng)Kappa系數(shù)≥0.60時(shí)，認(rèn)為分類質(zhì)量“很好”[14]，可以進(jìn)行下一步，否則重新執(zhí)行監(jiān)督分類。

表2 Kappa系數(shù)與分類質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系[14]

2)根據(jù)巖土組成細(xì)分消落帶。監(jiān)督分類結(jié)果中，裸巖主要包含巖質(zhì)消落帶；裸土包含巖質(zhì)、巖土質(zhì)和土質(zhì)消落帶；草地主要包含土質(zhì)消落帶。據(jù)此，結(jié)合DEM的坡度信息，使每個(gè)像元同時(shí)具有“地物類型”和“坡度”2種信息。再利用決策樹分類[17-19]將監(jiān)督分類結(jié)果中已分為裸巖、裸土和草地的消落帶再細(xì)分為巖質(zhì)、巖土質(zhì)和土質(zhì)。詳細(xì)描述如下。

(1)構(gòu)建決策規(guī)則(表3)。

表3 決策樹分類規(guī)則

表3中，坡度來源于DEM數(shù)據(jù)。裸巖、裸土和草地來源于監(jiān)督分類結(jié)果。

(2)執(zhí)行決策樹分類。將監(jiān)督分類結(jié)果和DEM同時(shí)作為數(shù)據(jù)源，輸入表3的決策規(guī)則后執(zhí)行決策樹分類，得到?jīng)Q策樹分類結(jié)果。

(3)決策樹分類后處理。去除在決策樹分類過程中產(chǎn)生的小圖斑。

(4)評價(jià)決策樹分類結(jié)果質(zhì)量。選取評價(jià)樣本并評價(jià)其有效后，同樣使用混淆矩陣法對決策樹分類結(jié)果質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)并得到Kappa系數(shù)。根據(jù)表2[14]，若Kappa系數(shù)<0.60則重新執(zhí)行決策樹分類，直至Kappa系數(shù)≥0.60后，可認(rèn)為決策樹分類結(jié)果質(zhì)量“很好”，此時(shí)將決策樹分類結(jié)果作為消落帶的巖土分類結(jié)果。

2 應(yīng)用分析

2.1 示例區(qū)概況

本文以三峽庫區(qū)巫山縣大寧河口段消落帶為示例區(qū)，對基于高精度DOM和DEM的消落帶分類方法進(jìn)行驗(yàn)證。示例區(qū)消落帶長度為6 520 m，地理位置為109°53′21″E～109°54′33″E，31°3′49″N～31°4′50″N(圖4)。

圖4 示例區(qū)地理位置及DOM影像

2.2 數(shù)據(jù)源

本文主要通過航空攝影測量技術(shù)獲取1∶5 000比例尺精度的DOM和DEM數(shù)據(jù)。其中，DOM影像空間分辨率為0.3 m，具有紅、綠、藍(lán)3個(gè)波段；DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為2.5 m。數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2018年7月，為三峽庫區(qū)消落帶出露時(shí)間段。

2.3 分類過程

本文研究所用軟件為ENVI5.3。

1)初分消落帶。

(1)選取訓(xùn)練樣本。根據(jù)前文所述的選取訓(xùn)練樣本規(guī)則，所選取的訓(xùn)練樣本包括裸巖、裸土和草地3類，每類包括55個(gè)樣本(圖5)。

圖5 監(jiān)督分類訓(xùn)練樣本分布圖

(2)評價(jià)所選取的訓(xùn)練樣本是否有效。用可分離性計(jì)算(compute ROI separability)工具計(jì)算樣本與樣本間的可分離性，結(jié)果見表4。由表4可知，各樣本之間的J-M距離和轉(zhuǎn)換分離度>1.80，所選取的訓(xùn)練樣本可分離性好，是有效樣本，可以進(jìn)行下一步。

表4 監(jiān)督分類訓(xùn)練樣本可分離性計(jì)算表

(3)執(zhí)行監(jiān)督分類。用SVM法進(jìn)行分類，得到監(jiān)督分類結(jié)果。

(4)監(jiān)督分類后處理。用主要/次要分析(majority/minority analysis)工具去除監(jiān)督分類過程中產(chǎn)生的小圖斑。處理后監(jiān)督分類結(jié)果如圖6所示。監(jiān)督分類結(jié)果中，紅色像元代表裸巖；黃色像元代表裸土；綠色像元代表草地。紅、黃、綠3色的顏色通道強(qiáng)度值分別為[238，0，0]、[255，255，0]和[0，139，0]。

(5)評價(jià)監(jiān)督分類結(jié)果質(zhì)量。選取評價(jià)樣本，包括裸巖、裸土和草地3類，每類有55個(gè)樣本點(diǎn)，評價(jià)其有效后，采用混淆矩陣法對監(jiān)督分類結(jié)果質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果見表5。

圖6 監(jiān)督分類結(jié)果圖

表5 監(jiān)督分類結(jié)果質(zhì)量評價(jià)混淆矩陣報(bào)表

由表5可知監(jiān)督分類結(jié)果的Kappa系數(shù)為0.906 9。根據(jù)表2可知，監(jiān)督分類結(jié)果質(zhì)量為“非常好”，可以進(jìn)行下一步。

2)細(xì)分消落帶。利用決策樹分類[19-21]將已劃分為裸巖、裸土、草地的消落帶再分為巖質(zhì)、巖土質(zhì)和土質(zhì)消落帶。

(1)構(gòu)建決策規(guī)則。根據(jù)表3所述原理，構(gòu)建決策規(guī)則如表6所示。

表6 決策樹分類的決策規(guī)則

表6中，slope為坡度，來源于DEM數(shù)據(jù)。bn代表第n個(gè)顏色通道的顏色強(qiáng)度值，來源于監(jiān)督分類結(jié)果。

(2)執(zhí)行決策樹。輸入決策規(guī)則，將監(jiān)督分類結(jié)果和DEM數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源并執(zhí)行決策樹分類。

(3)對決策樹分類結(jié)果進(jìn)行分類后處理，結(jié)果見圖7。

圖7 決策樹分類結(jié)果圖

(4)評價(jià)決策樹分類結(jié)果質(zhì)量。選取評價(jià)樣本，包括巖質(zhì)、土質(zhì)和巖土質(zhì)消落帶3類，每類有55個(gè)樣本點(diǎn)，評價(jià)其有效后，使用混淆矩陣法對決策樹分類結(jié)果質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果見表7。

表7 決策樹分類結(jié)果質(zhì)量評價(jià)混淆矩陣報(bào)表

由表7得到?jīng)Q策樹分類結(jié)果Kappa系數(shù)為0.944 0。由表2可知，決策樹分類結(jié)果質(zhì)量屬于“非常好”，可作為本文研究成果。

2.4 分類結(jié)果對比與分析

將本文的分類結(jié)果與2017年實(shí)地踏勘的分類結(jié)果對比，如圖8所示。

由圖8可知，本文提出的基于高精度DOM和DEM的消落帶分類方法對巖質(zhì)和土質(zhì)消落帶的分類效果最好，對巖土質(zhì)消落帶的分類效果次之?？傮w而言，本文的分類結(jié)果在大部分庫段與實(shí)地踏勘分類結(jié)果相同，但局部仍存在差異。本文基于實(shí)地照片對存在差異的庫段進(jìn)行驗(yàn)證。具體描述如下。

圖9中，庫段①位于支流河口，實(shí)地踏勘無法抵及，難以驗(yàn)證。庫段②色調(diào)為棕色，坡度在高程上先緩后陡，基本無植被覆蓋，為巖土質(zhì)消落帶。庫段③色調(diào)有白色和綠色，坡度較陡，為巖土質(zhì)岸坡。庫段④為巖土質(zhì)和土質(zhì)岸坡交雜。本文對庫段②、③和④的分類結(jié)果正確。

圖8 本文分類結(jié)果與實(shí)地踏勘分類結(jié)果對比

實(shí)地踏勘分類過程中，庫段②和④由于長度較短被忽略，被直接歸類為土質(zhì)消落帶。此外，實(shí)地踏勘不能將無法到達(dá)的消落帶正確分類，如庫段①、③位于小型支流河口，被直接歸類為巖質(zhì)和土質(zhì)消落帶。

綜上所述，相較于實(shí)地踏勘分類結(jié)果，本文分類結(jié)果更加精細(xì)和全面，不但正確地識別實(shí)地踏勘分類過程中被忽略的消落帶，還能對實(shí)地踏勘無法到達(dá)的消落帶進(jìn)行分類。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于高精度DOM和DEM，使用監(jiān)督分類和決策樹分類相結(jié)合的消落帶分類方法。該方法先基于DOM使用監(jiān)督分類將消落帶初分為裸巖、裸土和草地，然后在監(jiān)督分類基礎(chǔ)上融合DEM數(shù)據(jù)，使用決策樹分類將消落帶再分為巖質(zhì)、巖土質(zhì)和土質(zhì)。與實(shí)地踏勘的分類結(jié)果對比后，可知該方法不但能準(zhǔn)確識別實(shí)地踏勘分類過程中易忽略的消落帶，還能對實(shí)地踏勘無法到達(dá)的消落帶進(jìn)行分類，具有分類精細(xì)、全面和快速的特點(diǎn)。