基于植被分區(qū)的多特征遙感智能分類

于菲菲，曾永年，徐艷艷，鄭 忠，劉朝松，王 君，何晉強

(1.中南大學地球科學與信息物理學院，長沙 410083;2.中南大學空間信息技術與可持續(xù)發(fā)展研究中心，長沙 410083)

0 引言

土地利用/土地覆蓋變化(land use and land cover change，LUCC)研究是全球變化研究的熱點之一[1-4]。中國西部地區(qū)是全球變化的敏感區(qū)域，地形復雜，水土流失和土地荒漠化嚴重，生態(tài)環(huán)境極其脆弱[5-6]。為有效治理西部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，近年來開展了大規(guī)模“退耕還林還草”工程。與此同時，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施，城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程得到加速，建設用地占用耕地情況較為突出。因此，中國西部地區(qū)土地利用/覆蓋發(fā)生了較為顯著的變化[7-10]。為了保證西部地區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和土地資源的合理有效利用，需要準確、快速地掌握和分析LUCC的信息。

中國西部地區(qū)的自然條件復雜，遙感技術作為快速提取LUCC信息的有效手段，已在該區(qū)土地資源調(diào)查和測繪制圖中發(fā)揮了重要作用[11-12]，MODIS和NOAA等中、低分辨率遙感數(shù)據(jù)已被成功應用于該地區(qū)土地荒漠化監(jiān)測[13-16]。然而，目前在較大范圍區(qū)域開展的資源與環(huán)境遙感應用中仍以目視解譯為主，費時費力，且難以保證遙感圖像解譯的時效性。因此，如何從海量遙感數(shù)據(jù)中快速、智能化地提取感興趣信息是亟待解決的問題。隨著群體智能理論的快速發(fā)展，群體智能方法已被引入到遙感信息提取中，并成為新的研究熱點[17-19]。蟻群智能優(yōu)化算法(ant colony intelligent optimization algorithm，ACIOA)是模仿自然界的螞蟻群體覓食過程中沿最短路徑行進的生物學行為發(fā)展起來的一種群體智能優(yōu)化方法。ACIOA算法作為一種“自上而下”的群體智能算法，不需要統(tǒng)計分布的先驗知識，具有很強的自學習能力、魯棒性、自適應性和正反饋機制等優(yōu)點，在海量遙感圖像數(shù)據(jù)的信息提取方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。許多學者先后用ACIOA算法進行了遙感圖像分類規(guī)則的挖掘研究[17-22]。本文針對大范圍復雜區(qū)域LUCC信息的提取問題，采用基于植被分區(qū)的 ACIOA算法挖掘遙感分類規(guī)則，實現(xiàn)對LUCC信息的有效提取。

本文以平安縣為實驗區(qū)，探索利用ACIOA算法的綜合分類方法實現(xiàn)LUCC遙感信息的準確自動提取，以期為大范圍地形復雜地區(qū)的LUCC信息提取提供有效方法。

1 實驗區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 實驗區(qū)概況

實驗區(qū)選擇地處青海東部湟水中游的平安縣，該區(qū)域位于青藏高原與黃土高原的過渡地帶，處于E101°49′～102°10′，N36°15′～36°34′之間。全縣東西長23 km，南北寬33.6 km，土地總面積742.89 km2。區(qū)內(nèi)地形復雜，溝壑縱橫，海拔在2 066～4 166.7 m之間。該區(qū)域?qū)俚湫偷母珊怠敫珊档貐^(qū)，人口密度較大，經(jīng)濟相對發(fā)達，是以西寧市為中心的青海東部城市群以及新型工業(yè)化發(fā)展的重點區(qū)域，也是青海省重要的農(nóng)業(yè)區(qū)[23]。有川水、淺山和腦山3大農(nóng)業(yè)類型區(qū);土地利用類型以林地和牧草地為主，耕地相對較少，建設用地所占比例較低。其中，建設用地與水澆地主要分布在重要交通沿線、湟水谷地及其主要支流河谷地帶，而旱地、林地、牧草地和未利用地主要分布在自然條件較差的淺山和腦山地區(qū)，土地利用空間分布差異明顯。

1.2 數(shù)據(jù)及預處理

采用的遙感數(shù)據(jù)為TM圖像，來源于中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心數(shù)據(jù)服務平臺(www.ceode.cas.cn)，成像日期為 2009 年 9 月 21日，軌道號132/35，空間分辨率30 m。實驗選用了TM1(0.45 ～ 0.52 μm)，TM2(0.52 ～ 0.60 μm)，TM3(0.63 ～ 0.69 μm)，TM4(0.76 ～ 0.90 μm)，TM5(1.55 ～1.75 μm)和 TM7(2.08 ～2.35 μm)波段的圖像。

此外，采用DEM、坡度和坡向數(shù)據(jù)作為TM圖像的輔助特征波段;采用第二次全國土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)(該數(shù)據(jù)是采用2007—2009年的高分辨率遙感圖像經(jīng)解譯、矢量化和野外調(diào)查獲得的1︰1萬比例尺數(shù)據(jù)，具有較高精度)，以及接近同期的部分Quick-Bird高分辨率遙感數(shù)據(jù)，作為遙感分類訓練樣本和分類結(jié)果精度驗證的地面參考數(shù)據(jù);將實驗區(qū)土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)按本文分類系統(tǒng)進行地類合并;采用分層隨機采樣方法選取了852個驗證樣本，用于本文方法的精度驗證。

TM圖像的預處理包括:①幾何糾正，首先以土地調(diào)查數(shù)據(jù)為參考，在TM圖像上選取地面控制點，其次構(gòu)建幾何畸變糾正的數(shù)學關系，并進行圖像重采樣;②輻射校正，采用FLAASH大氣校正模型進行輻射校正;③圖像裁剪，依據(jù)土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)中的平安縣行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)對圖像進行裁剪，得到實驗區(qū)范圍內(nèi)的TM5(R)4(G)3(B)假彩色合成圖像(圖1)。

圖1 實驗區(qū)TM5(R)4(G)3(B)假彩色合成圖像Fig.1 False color image composed of TM5(R)4(G)3(B)of the study area

2 蟻群智能優(yōu)化算法

蟻群智能優(yōu)化算法(ACIOA)具體過程如圖2所示，它是一種基于群體智能的啟發(fā)式仿生學優(yōu)化算法，該算法模擬了自然界中螞蟻覓食時的路徑選擇行為[18]。研究發(fā)現(xiàn)，螞蟻總能在食物源和蟻穴間選擇一條最短的路徑，這是因為螞蟻在已走過的路徑上釋放了一種特殊的揮發(fā)性物質(zhì)——信息素，信息素濃度的高低能夠引導螞蟻的路徑選擇;當某路徑上的信息素濃度高于其他路徑時，螞蟻更傾向于選擇此路徑。當螞蟻開始覓食時，在未走過的交叉路口處會隨機選擇一條路徑;隨著路徑上信息素的不斷揮發(fā)和積累，較短路徑上的信息素濃度不斷增加，而較長路徑上的信息素不斷消失。這樣，更多的螞蟻選擇較短的路徑;與此同時，短路徑的信息素濃度繼續(xù)上升，于是形成一種正反饋機制;最終，所有的螞蟻都會選擇距離最短的路徑。

圖2 蟻群智能優(yōu)化算法基本原理示意圖Fig.2 Sketch diagram of basic principle of ACIOA

假設螞蟻在覓食過程中存在2條距離不等的路徑ABD和ACD，各有30只螞蟻從蟻穴和食物源出發(fā)。在t=0時刻，到達路口A和D時分別有15只螞蟻從2條路徑經(jīng)過;因ACD路徑比ABD路徑短，故ACD路徑上的螞蟻先到達目的地，此時，ACD路徑的信息素濃度高于ABD路徑;經(jīng)過t+1時刻，越來越多的螞蟻選擇路徑ACD，同時該路徑信息素的濃度不斷增加;最終，所有的螞蟻都選擇蟻穴—ACD—食物源這條較短的路徑。

將螞蟻覓食的這種尋優(yōu)過程應用于群體智能優(yōu)化領域，即產(chǎn)生了ACIOA算法。

3 研究方法

3.1 土地利用/土地覆蓋分類體系

參考土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)的土地利用分類，同時考慮實驗區(qū)遙感圖像的實際可解譯能力、環(huán)境條件及土地利用現(xiàn)狀等因素，根據(jù)“全國遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系”，構(gòu)建了適合于實驗區(qū)的LUCC遙感信息提取的分類體系(表1)。

表1 實驗區(qū)的土地利用/土地覆蓋分類體系Tab.1 Land use/cover classification system of the study area

3.2 技術流程

本文采用基于植被分區(qū)的多特征數(shù)據(jù)ACIOA智能分類方法，具體技術路線如圖3所示。

圖3 技術流程圖Fig.3 Technical flow chart

3.3 遙感分類

3.3.1 多特征數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)的復合利用能彌補單一遙感數(shù)據(jù)的不足，發(fā)揮非遙感數(shù)據(jù)的輔助作用，有效地提高遙感數(shù)據(jù)的分類精度。本文的實驗區(qū)域位于地形復雜、海拔差異大的中國西部，DEM數(shù)據(jù)以及由DEM數(shù)據(jù)生成的坡度和坡向數(shù)據(jù)能有效地反映植被垂直分帶情況與局地生長環(huán)境，是提高遙感分類精度的有效輔助數(shù)據(jù)[24]。因此，本文以 TM圖像、DEM、坡度和坡向數(shù)據(jù)作為分類的特征波段。

3.3.2 植被分區(qū)

根據(jù)干旱、半干旱地區(qū)的植被特征，將實驗區(qū)分為以植被為主的區(qū)域和以非植被為主的區(qū)域，以減少整體分類中異物同譜現(xiàn)象的影響。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)作為植物生長狀態(tài)和植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性關系，是遙感估算植被覆蓋度研究中常用的植被指數(shù)。為此，采用NDVI進行植被分區(qū)。利用預處理后的TM圖像生成NDVI，統(tǒng)計分析訓練樣本的NDVI值，確定植被或非植被的劃分閾值NDVI=0.18，以此將實驗區(qū)劃分為以植被為主的區(qū)域和以非植被為主的區(qū)域。同時，以土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)為參照，采用分層隨機采樣的方法采集訓練樣本，以植被和非植被為主的實驗區(qū)域分別選取了872個和432個訓練樣本。

3.3.3 分類規(guī)則智能挖掘

采用ACIOA算法分別對上述2個區(qū)域挖掘遙感分類規(guī)則。該算法以訓練樣本的各波段離散值為屬性節(jié)點，以各目標地類為類節(jié)點，通過尋優(yōu)搜索屬性節(jié)點和類節(jié)點的連線，挖掘相應的遙感分類規(guī)則。規(guī)則挖掘的步驟包括:

1)波段離散化。在挖掘分類規(guī)則前，采用基于信息熵的離散化方法，對訓練樣本的數(shù)據(jù)進行離散處理[25]。

2)初始規(guī)則構(gòu)造。為縮短螞蟻搜索的時間，構(gòu)造與問題相關的啟發(fā)式函數(shù)，引導蟻群的搜索。規(guī)則構(gòu)造時采用賭輪機制選擇屬性節(jié)點，直到該路徑中包含了所有屬性;然后選擇1個類節(jié)點而且只能有1個類節(jié)點，至此1條完整初始分類規(guī)則形成。

3)規(guī)則剪枝。完成初始分類規(guī)則構(gòu)造后，每一個屬性節(jié)點都被選為規(guī)則的1個條件項;通過規(guī)則剪枝，移除降低分類規(guī)則有效性的屬性節(jié)點，簡化分類規(guī)則，最大化地提高分類規(guī)則的有效性。

4)信息素更新。當所有螞蟻構(gòu)造的初始規(guī)則經(jīng)過規(guī)則剪枝后，更新所有屬性節(jié)點的信息素濃度，直至剩余的訓練樣本數(shù)小于預設樣本數(shù)。以上分類規(guī)則的自動挖掘是在C#環(huán)境下，通過編程實現(xiàn)的。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗結(jié)果

1)分別采用ACIOA算法、支持向量機(SVM)和最大似然(ML)方法進行土地利用/覆蓋分類，結(jié)果如圖4所示。

圖4 基于植被分區(qū)的多特征數(shù)據(jù)土地利用/覆蓋分類結(jié)果Fig.4 Land use/cover classification results of multi－character data based on vegetation partition

2)在不進行植被分區(qū)的情況下，利用多特征數(shù)據(jù)， 采用不同算法得到土地利用/覆蓋分類結(jié)果(圖5)。

圖5 多特征數(shù)據(jù)的土地利用/覆蓋分類結(jié)果Fig.5 Land use/cover classification results of multi－ character data

3)在不進行植被分區(qū)的情況下，僅使用TM圖像， 采用不同算法得到土地利用/覆蓋分類結(jié)果(圖6)。

圖6 TM圖像的土地利用/覆蓋分類結(jié)果Fig.6 Land use/cover classification results of TM image

4.2 精度分析

本文選用混淆矩陣作為上述3種不同情況下分類結(jié)果的精度評價方法。該方法是國內(nèi)外廣泛使用的遙感分類精度評價方法，具體評價指標有總體精度、Kappa等，分別從不同的分析角度評價分類結(jié)果的精度。其中，Kappa不隨類別樣本點數(shù)量的不同而改變，能夠更加客觀地評價分類精度。

1)在不進行植被分區(qū)的情況下，僅用TM圖像，采用ACIOA算法的總體分類精度為83.22%，Kappa=0.79，比SVM和ML方法的總體分類精度分別提高了0.59%和2.82%，Kappa 分別提高了0.02 和0.04(表2)。由此可見，與SVM和ML方法相比，基于遙感圖像的ACIOA分類方法有一定的優(yōu)勢。

表2 基于TM圖像分類精度Tab.2 Classification accuracy based on TM image

2)在不進行植被分區(qū)的情況下，利用多特征數(shù)據(jù)圖像，采用 ACIOA算法的分類總體精度為85.09%，Kappa=0.81(表3)，比 SVM 和 ML 方法的分類總體精度分別提高了1.99%和3.17%，Kappa分別提高了0.03和0.04;比僅用TM圖像的分類總體精度提高了1.87%，Kappa提高了0.02。由此可見，在地形復雜的大范圍區(qū)域，多特征數(shù)據(jù)能夠有效地提高遙感數(shù)據(jù)的分類精度，并且基于多特征數(shù)據(jù)的ACIOA分類方法優(yōu)于SVM和ML方法。

表3 多特征數(shù)據(jù)圖像分類精度Tab.3 Classification accuracy based on multi－character data image

3)在植被分區(qū)的情況下，利用多特征數(shù)據(jù)圖像，采用ACIOA算法分類的總體精度88.85%，Kappa=0.86，比SVM和ML方法的分類總體精度分別提高了2%和 5.52%，Kappa分別提高了 0.03和 0.08(表4);比僅用TM圖像和多特征數(shù)據(jù)圖像分類總體精度分別提高了5.63%和3.76%，Kappa分別提高了0.07和0.05。由此可見，在地形復雜的大范圍區(qū)域，基于植被分區(qū)的多特征數(shù)據(jù)遙感分類方法更為有效地提高了土地利用/覆蓋遙感信息提取精度，而且基于植被分區(qū)的多特征ACIOA分類方法明顯優(yōu)于SVM和ML方法。

表4 基于植被分區(qū)多特征圖像分類精度Tab.4 Classification accuracy based on multi－ character data in vegetation partition

5 結(jié)論

為有效提取大范圍地形復雜地區(qū)的土地利用/覆蓋遙感信息，以青藏高原與黃土高原過渡地帶的青海東部地區(qū)為研究區(qū)，進行了ACIOA分類方法的研究。結(jié)果表明:

1)利用遙感圖像、DEM、坡度和坡向復合的多特征數(shù)據(jù)，ACIOA分類的總體精度達到85.09%，比僅用TM圖像ACIOA分類的總體精度提高了1.87%，并優(yōu)于基于多特征數(shù)據(jù)的SVM和ML分類結(jié)果。

2)為減小異物同譜現(xiàn)象對整體分類的影響，根據(jù)干旱、半干旱地區(qū)的植被特征，采用植被分區(qū)的多特征ACIOA分類的總體精度達到88.85%，比不分區(qū)的ACIOA分類的總體精度提高了3.76%，并優(yōu)于基于植被分區(qū)的多特征SVM和ML分類結(jié)果。

3)本文提出的基于植被分區(qū)的多特征數(shù)據(jù)ACIOA智能分類方法與策略，能有效地提高大范圍地形復雜地區(qū)土地利用/覆蓋遙感信息提取的精度，在大范圍地形復雜的區(qū)域土地利用/覆蓋遙感信息提取中具有較大的應用潛力。

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