西烏珠穆沁典型草原遙感分類(lèi)方法的比較分析

臧琛等

摘要：針對(duì)西烏珠穆沁典型草原2012年8月30米分辨率的ETM多光譜遙感影像數(shù)據(jù)，采用不同分類(lèi)方法進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，對(duì)不同分類(lèi)器在典型草原遙感影像分類(lèi)中的應(yīng)用效果和分類(lèi)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)與比較。針對(duì)典型草原退化分類(lèi)問(wèn)題探究幾種不同典型草原遙感分類(lèi)方法的優(yōu)劣，從中挑選出最適用的典型草原退化的遙感分類(lèi)方法。并通過(guò)先驗(yàn)知識(shí)和野外調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)總體分類(lèi)精度、混淆矩陣和 Kappa系數(shù)對(duì)幾種分類(lèi)器的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較。

關(guān)鍵詞：西烏珠穆沁典型草原；遙感；分類(lèi)方法；典型草原退化；監(jiān)督分類(lèi)

中圖分類(lèi)號(hào)：S155.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）17-4156-03

草原是我國(guó)北方分布最廣泛的自然生態(tài)系統(tǒng)，是我國(guó)北方重要的生態(tài)安全屏障[1]。但由于受到大陸性半干旱氣候的作用、人類(lèi)活動(dòng)的影響，草原生態(tài)系統(tǒng)極易發(fā)生退化。草原分布廣、面積大，只靠實(shí)地調(diào)查對(duì)草原退化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。遙感憑借其獲取地面信息范圍廣、手段多、信息量大、時(shí)效性強(qiáng)、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)成為草原退化監(jiān)測(cè)的首選手段。

為了精確地提取出遙感影像中包含的信息，需要保證遙感影像數(shù)據(jù)處理的精度，其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是要保證遙感影像分類(lèi)的精度。基于光譜的遙感影像分類(lèi)分為非監(jiān)督分類(lèi)和監(jiān)督分類(lèi)。相對(duì)而言，監(jiān)督分類(lèi)由于經(jīng)過(guò)了先驗(yàn)知識(shí)樣本的訓(xùn)練，其分類(lèi)效率、分類(lèi)結(jié)果的精度及可用性均優(yōu)于非監(jiān)督分類(lèi)，是應(yīng)用較為廣泛的分類(lèi)方法。監(jiān)督分類(lèi)的方法有很多，各種方法分類(lèi)精度不同。對(duì)于不同的研究對(duì)象應(yīng)用同一種分類(lèi)方法精度有顯著的差異，對(duì)相同的研究對(duì)象應(yīng)用不同的分類(lèi)方法，分類(lèi)的精度也不相同。本研究分別采用監(jiān)督分類(lèi)的多種方法，對(duì)西烏珠穆沁典型草原的退化狀況進(jìn)行了分類(lèi)，并通過(guò)在試驗(yàn)區(qū)的實(shí)地調(diào)查結(jié)果對(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 地面調(diào)查試驗(yàn)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古中部西烏珠穆沁旗附近的西烏珠穆沁典型草原。西烏珠穆沁典型草原地形屬流水作用的低山和干燥作用的丘陵剝蝕平原交匯地帶，是一個(gè)以高平原為主體的地區(qū)，地勢(shì)由東南向西北逐漸傾斜，海拔854～1 957 m[2]。西烏珠穆沁典型草原屬中溫帶內(nèi)陸半干旱氣候，夏季溫暖短促，冬季寒冷漫長(zhǎng)，年平均溫度1 ℃，最高氣溫37 ℃，最低氣溫-39 ℃，年平均降水量350 mm，年平均蒸發(fā)量1 600 mm。植被類(lèi)型以典型草原和沙地草原類(lèi)型為主，隨土壤和地帶性變化而變化，植物群落以大針茅、克氏針茅、冷蒿、變蒿、羊草為主[3]。試驗(yàn)區(qū)中心位置位于北緯44°33′47″，東經(jīng)117°31′59″，海拔1 010 m。

1.2 試驗(yàn)方法

以試驗(yàn)區(qū)中心位置的中重度退化區(qū)域?yàn)橹行狞c(diǎn)，利用GPS定位沿經(jīng)緯度方向呈十字交叉的垂直方向布點(diǎn)，布點(diǎn)間距為100 m，在中心點(diǎn)的四個(gè)方向布點(diǎn)，每個(gè)方面布采樣點(diǎn)25個(gè)，沿經(jīng)緯度各采樣5 km，共布置100個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)的取樣方面積36 km2，試驗(yàn)區(qū)的總面積25 km2。在草原植被生長(zhǎng)期7～9月進(jìn)行采樣，調(diào)查植被群落的優(yōu)勢(shì)種、建群種、指示種及植株平均高度、平均蓋度、生物量（鮮重）等。2012年實(shí)地調(diào)查時(shí)間為8月，獲取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)100組。

2 遙感分類(lèi)試驗(yàn)

遙感影像試驗(yàn)是在ENVI4.3環(huán)境下進(jìn)行的。根據(jù)ETM影像各波段特點(diǎn)，選用反映植被特征明顯的B2、B3、B4波段進(jìn)行波段融合。然后對(duì)地面調(diào)查同時(shí)期遙感影像進(jìn)行分割，將試驗(yàn)區(qū)影像分離出來(lái)，以提高遙感影像處理的效率。在對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何糾正、大氣校正后，利用地面調(diào)查100組樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中的50組，基于其植被信息依據(jù)GB19377-2003《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》和當(dāng)?shù)夭菰镜膶?zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)判定該樣方的退化程度，將樣點(diǎn)定義為3種退化類(lèi)型，即未退化、輕度退化、中重度退化。對(duì)3種類(lèi)別進(jìn)行可分離程度計(jì)算，發(fā)現(xiàn)中重度退化、未退化類(lèi)別間可分離度大于1.9，類(lèi)別間可分離程度極佳。輕度退化、中重度退化類(lèi)別間可分離程度接近1.8，可分離程度也較好。但未退化、輕度退化類(lèi)別間可分離程度約為1.7，可能會(huì)影響分類(lèi)精度。類(lèi)別間可分離程度數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)地面調(diào)查獲取的訓(xùn)練樣本，本研究運(yùn)用了平行六面體法、最小距離法、馬氏距離法、最大似然法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法6種監(jiān)督分類(lèi)方法對(duì)試驗(yàn)區(qū)ETM遙感影像進(jìn)行了典型草原退化分類(lèi)。

平行六面體法又稱(chēng)箱式?jīng)Q策規(guī)則，它利用訓(xùn)練樣本的光譜值構(gòu)成一個(gè)多維的平行六面體，若待分類(lèi)像元的光譜值落在該平行六面體的任何一個(gè)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)空間，就被劃分到對(duì)應(yīng)的類(lèi)別中。平行六面體法是一種簡(jiǎn)單快速的方法，缺點(diǎn)在于類(lèi)別較多時(shí)，樣本互相重疊，也由于訓(xùn)練樣本的代表性問(wèn)題，使訓(xùn)練樣本組成的多維空間范圍小于實(shí)際像元的光譜值，導(dǎo)致被分類(lèi)的像元無(wú)法被分為任何一類(lèi)[4]。

最小距離法的基本思想是使用訓(xùn)練樣本的均值向量來(lái)計(jì)算每個(gè)類(lèi)別的均值向量和標(biāo)準(zhǔn)差向量，然后計(jì)算待分類(lèi)像元到每個(gè)類(lèi)別均值向量的歐氏距離，待分類(lèi)像元會(huì)被分類(lèi)到歐氏距離最近的類(lèi)別均值向量一類(lèi)。該法原理簡(jiǎn)單，精度不高，但分類(lèi)效率極高。

馬氏距離法是一個(gè)方向靈敏的距離分類(lèi)方法，表示的是協(xié)方差距離。這種方法既考慮了離散度，也考慮了訓(xùn)練樣本的均值向量和協(xié)方差矩陣，是加權(quán)的歐氏距離。它可以排除變量間的相關(guān)性干擾，但是夸大了變化微小的變量的作用。

最大似然法是建立在貝葉斯準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用了每個(gè)類(lèi)別在各波段中的均值、方差以及各波段之間的協(xié)方差。其思想是根據(jù)訓(xùn)練樣本計(jì)算各種類(lèi)別的統(tǒng)計(jì)特征值，建立分類(lèi)判別函數(shù)，然后依次將各像元特征向量代入判別函數(shù)求出其屬于各類(lèi)的概率，將待分類(lèi)像元分類(lèi)到判別函數(shù)概率最大的一類(lèi)。該分類(lèi)法錯(cuò)誤概率小、精度高，是一種很好的分類(lèi)方法。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是由大量神經(jīng)元相互連接形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是人腦的某種抽象、簡(jiǎn)化與模擬。這種分類(lèi)方法具有良好的魯棒性和自適應(yīng)性，在處理以數(shù)據(jù)量多、含混度高著稱(chēng)的遙感影像的模式識(shí)別問(wèn)題時(shí)，利用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有利于實(shí)現(xiàn)多特征空間的非線性劃分。

支持向量機(jī)法是一種建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的分類(lèi)方法。支持向量機(jī)法的基本思想是通過(guò)非線性變換將訓(xùn)練樣本映射到一個(gè)高維的特征空間，然后在這個(gè)特征空間中求取最優(yōu)分類(lèi)超平面，該分類(lèi)超平面不但能夠?qū)⒂?xùn)練樣本正確分類(lèi)，而且訓(xùn)練樣本之間的分類(lèi)間隔最大。支持向量機(jī)法最大的優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)行分類(lèi)時(shí)無(wú)須進(jìn)行數(shù)據(jù)降維，并在算法的收斂性、訓(xùn)練速度、分類(lèi)精度等方面都具有較高的性能。

對(duì)遙感影像進(jìn)行不同方法分類(lèi)后，6種分類(lèi)法的結(jié)果如圖1所示。圖中深灰色類(lèi)別是未退化典型草原，淺灰色類(lèi)別是輕度退化典型草原，中灰色類(lèi)別是中重度退化典型草原。

3 評(píng)價(jià)與比較

遙感影像的分類(lèi)精度評(píng)價(jià)是遙感信息提取中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。對(duì)遙感影像進(jìn)行精度評(píng)價(jià)不但可以對(duì)分類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，也是遙感分類(lèi)質(zhì)量的最終評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。遙感影像的分類(lèi)精度評(píng)價(jià)通常是通過(guò)對(duì)比分類(lèi)結(jié)果圖與標(biāo)準(zhǔn)圖或地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

混淆矩陣在對(duì)角線分布的是地面檢驗(yàn)樣點(diǎn)被正確分類(lèi)的個(gè)數(shù)，同時(shí)也可以從其他位置中看出被錯(cuò)分樣點(diǎn)的具體錯(cuò)分類(lèi)別。其檢驗(yàn)樣點(diǎn)的正確分類(lèi)數(shù)與總檢驗(yàn)樣點(diǎn)數(shù)之比即為分類(lèi)的總體精度。Kappa系數(shù)則可以表達(dá)分類(lèi)與期望分類(lèi)的一致性，主要體現(xiàn)的是分類(lèi)的可信性，一般Kappa系數(shù)大于0.4，分類(lèi)結(jié)果比較可信；Kappa系數(shù)大于0.7，則分類(lèi)質(zhì)量非常好，精度非常高[5]。

本研究主要采用在分類(lèi)中未用的地面調(diào)查數(shù)據(jù)中的32組作為檢驗(yàn)樣點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)區(qū)遙感影像通過(guò)不同分類(lèi)方法得到的分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果用混淆矩陣、分類(lèi)總體精度、Kappa系數(shù)3個(gè)指標(biāo)加以描述。限于篇幅，文中各種分類(lèi)方法及對(duì)應(yīng)分類(lèi)結(jié)果的混淆矩陣省略不表，其分類(lèi)總體精度及Kappa系數(shù)如表2所示。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)將地面調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)作為分類(lèi)訓(xùn)練樣本，以6種不同的方法對(duì)試驗(yàn)區(qū)遙感影像進(jìn)行了分類(lèi)，得到了分類(lèi)結(jié)果并對(duì)分類(lèi)結(jié)果的精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在6種分類(lèi)方法中，平行六面體法的總體精度與Kappa系數(shù)顯然不符合分類(lèi)的預(yù)期，精度較低，而且分類(lèi)質(zhì)量低，可信度不高。最小距離法、最大似然法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及支持向量機(jī)法的總體精度大于70%，Kappa系數(shù)大于0.4，表明這4種分類(lèi)方法均比較適用于西烏珠穆沁典型草原退化的分類(lèi)，其中以最小距離法分類(lèi)精度最高，在草原退化遙感分類(lèi)中推薦使用。從人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和支持向量機(jī)法的分類(lèi)圖中可以明顯看出類(lèi)別的缺失與錯(cuò)分，通過(guò)對(duì)訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本的分析，其原因可能是在地面調(diào)查取樣過(guò)程中由于獲取的未退化及中重度退化樣本較少所導(dǎo)致。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡志超，李政海，周延林，等.呼倫貝爾草原退化分級(jí)評(píng)價(jià)及時(shí)空格局分析[J].中國(guó)草地學(xué)報(bào)，2014，36（5）：12-18.

[2] 龐立東，劉桂香，劉建強(qiáng).遙感與GIS技術(shù)在草地景觀分類(lèi)與制圖中的應(yīng)用——以西烏珠穆沁為例[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，31（2）：304-309.

[3] 張春榮，尚士友，孫立武，等.基于“3S”技術(shù)的典型草原栗鈣土層結(jié)構(gòu)模型[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008（12）：5-8.

[4] 賈海峰，劉雪華.環(huán)境遙感原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[5] 付 佳，黃海軍，楊曦光.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[J].海洋科學(xué)，2014，38（1）：20-26.