基于隨機(jī)森林的水稻信息提取研究

王克曉 周蕊 虞豹 黃祥 王茜

摘要：以重慶市永川區(qū)朱沱鎮(zhèn)Sentinel-2多光譜影像為例，構(gòu)建隨機(jī)森林分類模型，分別以單時(shí)相和多時(shí)相特征變量集為變量提取水稻空間分布，并對(duì)水稻對(duì)不同波譜特征集的響應(yīng)程度及提取精度進(jìn)行分析。分類結(jié)果顯示，研究區(qū)水稻分布相對(duì)較為分散，且地塊特征較為復(fù)雜，與區(qū)域典型地貌基本相適應(yīng);處于分蘗期的水稻稻田比處于灌漿期的稻田更有區(qū)分特征，利用多時(shí)相數(shù)據(jù)能夠有效提高提取精度;通過傳統(tǒng)的最大似然法、光譜角分類器提取地物精度有限，而基于機(jī)器智能分類的隨機(jī)森林模型提取方法提取結(jié)果總體精度90%以上，Kappa系數(shù)達(dá)到0.80以上，可為西南山地地區(qū)作物信息提取提供參考。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)森林;水稻提取;遙感;西南地區(qū)

中圖分類號(hào)：P237? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2018）21-0143-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.21.037? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on Extraction Method of Rice Information Based on Random Forest

WANG Ke-xiao，ZHOU Rui，YU Bao，HUANG Xiang，WANG Qian

（Information Center of Agricultural Sciences and Technology，Chongqing Academy of Agricultural Sciences，Chongqing 401329，China）

Abstract： Taking Sentinel-2 multispectral image of Zhutuo， Yongchuan district of Chongqing as an example，a random forest classification model was constructed， and rice spatial distribution was extracted using single-time and multi-time feature variable sets as variables，and the response degree and extraction accuracy of rice to different spectral feature sets were analyzed. The results show that the rice distribution in the study area is relatively scattered and complex，which is basically compatible with the typical landform of the region. Rice at tillering stage have more distinguishing characteristics than that at filling stage，and the extraction accuracy can be effectively improved by using multi-temporal data. Traditional MLC and SAM classifiers have limited precision in extracting ground objects，while remote sensing model based on machine intelligence classification has an overall precision of more than 90% and kappa coefficient of more than 0.80，which provides a reference for crop information extraction in southwest mountainous areas.

Key words： random forest;rice extraction;remote sensing;southwest region

目前，中國(guó)利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)的農(nóng)作物主要為小麥、玉米、水稻、大豆等大宗作物，研究區(qū)主要集中在華北、華東及東北地區(qū)，有小部分在西北和西南，但種植地塊多是連片大范圍[1]。作物地類遙感制圖精度受影像底圖及分類提取方法的雙重影響[2，3]，多時(shí)相及多源遙感數(shù)據(jù)能夠進(jìn)一步提升提取精度[3]。復(fù)雜地區(qū)主要依賴影像光譜信息的農(nóng)作物常規(guī)提取分類方法精度有限，而源于機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的智能分類方法卻更加有效[4]。李愛農(nóng)等[5]曾以云南大理地區(qū)TM影像土地利用分類實(shí)踐為例，將監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類有機(jī)結(jié)合，證明了在西南地塊破碎地區(qū)利用多光譜圖像分類具有一定的可行性。雷小雨等[6]提出一種利用兩個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)，通過Landsat 8/OLI數(shù)據(jù)構(gòu)建差值特征突出水稻物候變化，并與隨機(jī)森林算法結(jié)合較高精度提取了水稻種植面積，與單時(shí)相提取結(jié)果相比總體精度有較大提高。蘇亞麟等[7]以丘陵地帶為主的南昌市第一季水稻為例，通過GF-1號(hào)WFV（16 m）單時(shí)相、多時(shí)相影像光譜特征集組合及優(yōu)選，構(gòu)建隨機(jī)森林分類模型，特征排序及優(yōu)化后的提取總體精度達(dá)到92%以上，Kappa系數(shù)達(dá)到0.90。王娟等[8]通過對(duì)四川省德陽市旌陽區(qū)的SPOT-5衛(wèi)星影像進(jìn)行監(jiān)督、面向?qū)ο笠约皼Q策樹等多種方法水稻分類結(jié)果對(duì)比，凸顯了決策樹分類在西南地區(qū)水稻提取中的應(yīng)用潛力。然而，對(duì)多云霧，地塊破碎、作物類型復(fù)雜的重慶地區(qū)卻鮮有研究。重慶地區(qū)水稻種植具有分散、地塊小、形狀多樣等特點(diǎn)，利用中低分辨率遙感數(shù)據(jù)提取水稻種植面積，難以滿足精度要求[9]。

本文以重慶市永川區(qū)朱沱鎮(zhèn)Sentinel-2多光譜影像為例，基于EnMAP-Box工具包構(gòu)建隨機(jī)森林（RF）分類模型，并分別以單時(shí)相和多時(shí)相特征變量集為變量提取水稻空間分布，并對(duì)水稻對(duì)不同波譜特征集的響應(yīng)程度及提取結(jié)果精度進(jìn)行分析，以期為進(jìn)一步準(zhǔn)確快速監(jiān)測(cè)多云霧、地塊破碎的低山及丘陵地貌地區(qū)耕地的其他農(nóng)情信息打下基礎(chǔ)。

1? 研究區(qū)概況

重慶市永川區(qū)位于長(zhǎng)江上游北岸，重慶西部，地處東經(jīng)105°38′-106°05′、北緯28°56′-29°34′，地貌分為低山、丘陵、緩丘平壩三大類。屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，全年平均氣溫17.7 ℃，年均降雨量1 015.0 mm。研究區(qū)朱沱鎮(zhèn)，區(qū)內(nèi)丘陵地貌廣布，地塊破碎，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，其中水稻以中稻為主，生長(zhǎng)期一般從4月初至8月末。

2? 數(shù)據(jù)與方法

2.1? 遙感源數(shù)據(jù)獲取及處理

本研究遙感數(shù)據(jù)源主要為高分一號(hào)（GF-1）和Sentinel-2B，參考系為WGS-84坐標(biāo)系。其中，GF-1數(shù)據(jù)為2 m分辨率融合多光譜正射影像，獲取時(shí)間為2017年4月23日。Sentinel-2數(shù)據(jù)為2017年5月17日和7月11日成像的L1C級(jí)產(chǎn)品，經(jīng)大氣校正為L(zhǎng)2A級(jí)地表反射率產(chǎn)品，然后借助工具SEN2RES將Sentinel-2B數(shù)據(jù)紅邊、短波紅外等6個(gè)空間分辨率20 m的多光譜波段進(jìn)行超分辨率重采樣為10 m，與L2A產(chǎn)品可見光、近紅外等4個(gè)波段構(gòu)建多波段特征數(shù)據(jù)集。單時(shí)相數(shù)據(jù)集利用單期影像10個(gè)波段構(gòu)建，多時(shí)相數(shù)據(jù)集通過兩期影像層疊加20個(gè)波段構(gòu)建。Sentinel-2影像多光譜波段參數(shù)信息見表1。

2.2? 樣本選取

訓(xùn)練樣本選取主要通過GF-1影像數(shù)據(jù)，該時(shí)期重慶渝西地區(qū)小麥、油菜處于成熟收獲期，水稻處于移栽期，玉米處于七葉期。研究區(qū)丘陵地形及水體泡田特征為水稻樣本點(diǎn)選取提供較大輔助。

由于研究區(qū)內(nèi)植被與人工地物兩類在Sentinel-2B影像上均呈現(xiàn)出兩種不同色調(diào)，將研究區(qū)地物類型劃分為水稻、植被1、植被2、水域、公路、裸地、人工地物1及人工地物2等8個(gè)類型，結(jié)合GF-1影像選取8組樣本點(diǎn)，然后基于分類影像Sentinel-2通過Jeffries-Matusita距離對(duì)樣本進(jìn)行可分離性檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)Jeffries-Matusita值均在1.9以上，樣本可分離性較好。

2.3? 研究方法

2.3.1? 隨機(jī)森林? 隨機(jī)森林（Random Forest，RF）是一種基于 CART決策樹的組合式自學(xué)習(xí)集成機(jī)器學(xué)習(xí)方法[10]，利用 bootsrap 隨機(jī)重抽樣技術(shù)從原樣本中隨機(jī)抽取若干樣本，通過節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分裂技術(shù)為各樣本選取特征構(gòu)建獨(dú)立決策樹并綜合多棵決策樹的預(yù)測(cè)投票得出最終結(jié)果[11]。建立在CART決策樹基礎(chǔ)上的隨機(jī)森林，對(duì)于缺省值問題也能夠獲得很好的結(jié)果，有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)挖掘、泛化能力和更理想的分類效果，已逐步發(fā)展成分析復(fù)雜地區(qū)遙感數(shù)據(jù)的有效集成分類器之一[12]。RF能在各類別樣本容量分布不平衡的情況下保持分類誤差平衡，并且通常能抵制并檢測(cè)出訓(xùn)練樣本集的異常值，無需預(yù)處理，并且隨機(jī)森林的樹是由隨機(jī)方式獨(dú)立生成的，能抑制過擬合[13]。隨機(jī)森林原理示意圖[14]見圖1。

2.3.2? 隨機(jī)森林參數(shù)設(shè)置及模型構(gòu)建? RF分類法用于遙感地物識(shí)別主要基于大量隨機(jī)生長(zhǎng)決策樹，其模型建立主要涉及兩個(gè)參數(shù)，即決策樹數(shù)ntree和決策樹內(nèi)部節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇特征數(shù)mtry[15]。EnMAP-Box是一款由德國(guó)環(huán)境制圖與分析計(jì)劃項(xiàng)目組基于IDL開發(fā)的處理高光譜遙感數(shù)據(jù)的工具包，提供了數(shù)據(jù)歸一化、SVM和RF分類與回歸、濾波等功能。本研究基于EnMAP-Box工具包確定模型決策樹數(shù)目，節(jié)點(diǎn)分裂時(shí)輸入的特征變量數(shù)默認(rèn)mtry=（M為特征變量個(gè)數(shù)）進(jìn)行分類。時(shí)相組合下隨機(jī)森林參數(shù)見表2。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 不同波段特征集響應(yīng)分析

基于Sentinel-2多光譜單時(shí)相及多時(shí)相影像的隨機(jī)森林水稻提取模型變量重要性曲線如圖2所示，從圖2可以看出，不同時(shí)相下光譜波段對(duì)水稻及背景地物的可分性識(shí)別響應(yīng)程度不一。在可見光-近紅外范圍內(nèi)，兩個(gè)時(shí)相波譜曲線走勢(shì)基本一致，且歸一化重要性度量值基本位于0.3～0.5。5月影像各個(gè)波段變量歸一化重要性指標(biāo)均在7月對(duì)應(yīng)波段變量之上，分蘗期水稻稻田水體特征較為明顯，使得對(duì)水分較為敏感的短波紅外b11和b12波段明顯突出，歸一化重要性度量值達(dá)到0.7以上，即在不同波段下，處于分蘗期的水稻稻田比處于灌漿期的稻田更有區(qū)分特征。在利用多時(shí)相影像提取水稻信息時(shí)，通過兩個(gè)時(shí)相影像數(shù)據(jù)波段層疊加，將像元所代表地物在不同時(shí)相下的光譜同時(shí)作為特征變量，在樣本像元與待提取像元間進(jìn)行規(guī)則匹配。從圖3b可以看出，盡管各波段變量歸一化重要性度量值有所下降，但有更多波段歸一化重要性度量值在0.3以上，即提供更多信息以助于水稻與背景信息的有效區(qū)分。

3.2? 提取結(jié)果與精度分析

將RF分類結(jié)果分別與最大似然分類MLC、光譜角SAM等分類結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析（圖3）。從圖3可以看出，研究區(qū)水稻分布相對(duì)較為分散，且地塊特征較為復(fù)雜，與區(qū)域典型丘陵地貌基本相適應(yīng)。本研究驗(yàn)證集選取主要通過Sentinel-2B影像，同時(shí)結(jié)合2 m分辨率的GF-1影像選取200個(gè)，采用混淆矩陣及相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分類精度評(píng)價(jià)（表3）。從表3可以看出，在總體精度和生產(chǎn)者精度方面，RF模型較MLC、SAM等精度都有較大提高，基于光譜角的SAM水稻分類結(jié)果精度55.35%，Kappa系數(shù)為0.336，而基于單時(shí)相和多時(shí)相的RF分類總體精度達(dá)到90%以上，Kappa系數(shù)達(dá)到0.80以上。在隨機(jī)森林RF模型中，在95%的置信度前提下，基于多時(shí)相的影像數(shù)據(jù)源能夠在生產(chǎn)者精度方面提高了3.30個(gè)百分點(diǎn)，總體精度提高了1.36個(gè)百分點(diǎn)，Kappa系數(shù)也由單時(shí)相的0.839提高到0.865。

4? 小結(jié)

本文以重慶市永川區(qū)朱沱鎮(zhèn)Sentinel-2多光譜影像為例，基于EnMAP-Box工具包構(gòu)建隨機(jī)森林（RF）分類模型，并分別以單時(shí)相和多時(shí)相特征變量集為變量提取水稻空間分布，并對(duì)水稻對(duì)不同波譜特征集的響應(yīng)程度及提取精度進(jìn)行分析。分類結(jié)果顯示，研究區(qū)水稻分布相對(duì)較為分散，且地塊特征較為復(fù)雜，與區(qū)域典型地貌基本相適應(yīng);處于分蘗期的水稻稻田比處于灌漿期的稻田更有區(qū)分特征，利用多時(shí)相數(shù)據(jù)能夠有效提高提取精度;通過傳統(tǒng)的MLC、SAM分類器提取地物精度有限，而基于機(jī)器智能分類的RF模型提取方法提取結(jié)果總體精度在90%以上，Kappa系數(shù)達(dá)到0.80以上。

隨機(jī)森林（RF）分類模型通過構(gòu)建多個(gè)決策樹，利用優(yōu)化參數(shù)對(duì)多波段影像數(shù)據(jù)建立模型，并對(duì)研究區(qū)影像地物進(jìn)行分類提取，其提取精度明顯相對(duì)于單一分類方法具有較高的精度。同時(shí)對(duì)參與建立模型的特征變量重要性進(jìn)行度量來判斷特征變量對(duì)地物類別的敏感性，并進(jìn)行屬性節(jié)點(diǎn)分裂構(gòu)建隨機(jī)樹，顯示出RF自學(xué)習(xí)集成機(jī)器學(xué)習(xí)分類法在高分辨率遙感影像作物識(shí)別應(yīng)用中的潛力。

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