基于多時(shí)相資源一號(hào)04星多光譜影像的土地利用分類

胡顯偉 汪彪

摘要：【目的】基于3期2015年獲取的資源一號(hào)04星（CBERS-04）多光譜遙感數(shù)據(jù)，探討CBERS-04多光譜數(shù)據(jù)在熱帶地區(qū)土地利用分類中的應(yīng)用潛力?！痉椒ā拷Y(jié)合光譜和物候信息，分別采用最大似然法和決策樹分類方法對(duì)海南西北部地區(qū)土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行分類研究?！窘Y(jié)果】基于單景的最大似然法可獲得相對(duì)理想的分類精度，總體分類精度為85.8%～88.8%，卡帕系數(shù)為0.80～0.84；同時(shí)使用3期影像作為輸入，運(yùn)用最大似然法和決策樹分類方法，其分類精度均有明顯提升，總體分類精度達(dá)91.61%～92.61%，卡帕系數(shù)為0.88～0.89，其中最大似然法略優(yōu)于決策樹分類算法。【結(jié)論】聯(lián)合多期CBERS-04多光譜數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確提取熱帶地區(qū)土地利用現(xiàn)狀信息，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 土地利用；最大似然法；決策樹分類；國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星；物候信息

中圖分類號(hào)： TP751 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1191（2016）10-1807-07

0 引言

【研究意義】土地利用與土地覆蓋變化是全球變化研究的重要內(nèi)容之一，而準(zhǔn)確的分類結(jié)果能為土地資源管理與合理規(guī)劃、生物多樣性保護(hù)等提供數(shù)據(jù)支撐（領(lǐng)梅等，2013；劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2014）。【前人研究進(jìn)展】遙感技術(shù)具有動(dòng)態(tài)、快速等優(yōu)勢(shì)，是區(qū)域尺度快速獲取土地覆蓋信息非常重要的手段（Evans and Costa， 2013；Zhang et al.，2014）。但在熱帶地區(qū)，光學(xué)遙感影像的獲取受云及陰影的強(qiáng)烈影響，是熱區(qū)遙感制圖研究的最主要障礙之一（Zhu et al.， 2012）。雖然粗分辨率遙感影像如MODIS具有非常高的重返周期，但其較粗的分辨率（250～500 m）也很難在斑塊破碎化嚴(yán)重且植被覆蓋非常復(fù)雜的熱帶地區(qū)實(shí)現(xiàn)精確制圖（Sheldon et al.，2012；Laurin et al.，2013），而高分辨率遙感影像成本又非常昂貴，大面積應(yīng)用也不現(xiàn)實(shí)（Wang et al.， 2015）。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，利用中等分辨率的多時(shí)相和多源遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展土地利用變化的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯（Laurin et al.， 2013；陳幫乾等，2015；Reicheet al.， 2015）。多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)包含了不同時(shí)期地表植被的光譜信息和物候信息，能彌補(bǔ)單一影像光譜信息不足、同物異譜及同譜異物等問(wèn)題，從而提高影像分類精度（Dong et al.，2016）。自2011年以來(lái)，我國(guó)先后發(fā)射了資源3號(hào)、資源一號(hào)02C、高分1/2號(hào)、資源一號(hào)04星等多顆中高分辨率遙感衛(wèi)星，極大提升了國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像的自主供給能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，推進(jìn)了國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的發(fā)展（娜仁花等，2014；吳秀蘭等，2015；黃帥等，2016）。其中，資源一號(hào)衛(wèi)星04星（CBERS-04）是由中國(guó)與巴西聯(lián)合研制，于2014年12月7日在山西太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，搭載的多光譜相機(jī)（MUX）擁有B1（0.45～0.52 μm）、B2（0.52～ 0.59 μm）、B3（0.63～0.69 μm）、B4（0.77～0.89 μm）共4個(gè)波段，其空間分辨率比Landsat系列的多光譜高，為20 m，幅寬為120 km，重返周期為26 d。CBERS-04適度的空間分辨率和較高的重返周期使其可在國(guó)土與森林資源調(diào)查、農(nóng)作物估產(chǎn)及災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用（劉李等，2016）?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】結(jié)合最新國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用研究，評(píng)估衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量和性能，對(duì)促進(jìn)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用具有重要意義，但目前關(guān)于CBERS-04星數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究非常少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】利用多期CBERS-04多光譜數(shù)據(jù)和外業(yè)調(diào)查結(jié)果，以地形地貌和植被分布均具有代表性的海南西北部地區(qū)為例，建立基于多時(shí)相CBERS-04多光譜數(shù)據(jù)的海南地區(qū)土地利用分類方法，為熱帶地區(qū)進(jìn)行有效土地資源利用提供參考。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)域

以海南西北部為研究區(qū)域（圖1），該地區(qū)主要由平原、丘陵、山地構(gòu)成，其中山地和丘陵主要分布在研究區(qū)南部，沿海區(qū)域多為平原，境內(nèi)大部分海拔在200 m以下。該地區(qū)處于東亞大陸季風(fēng)氣候的南緣，屬熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，光熱充足，年平均光照時(shí)數(shù)在2000 h以上（曾迪等，2015）；年降雨量900～2200 mm，由東南向西北逐漸遞減，5～10月的雨季降雨量占全年總降雨量的84%（曾迪等，2015）。該地區(qū)地表類型復(fù)雜，包含森林、水體、耕地、建筑及裸地等，其中，森林有天然林及次生林，主要分布在東南部的松濤水庫(kù)地區(qū)及白沙境內(nèi)，人工林有天然橡膠和桉樹林；西北部區(qū)域的儋州地區(qū)是海南島最大的橡膠生產(chǎn)基地，大面積桉樹林分布在靠近洋浦附近的沿海地區(qū)；由儋州市向沿海挺進(jìn)的中間區(qū)域擁有大量耕地，主要種植冬季瓜菜、夏季甘蔗、雙季水稻等作物。另外，松濤水庫(kù)是海南最大的人工水庫(kù)。

1. 2 地面數(shù)據(jù)

分別于2012年9月和2013年7月調(diào)查研究區(qū)域的天然林、橡膠林及典型人工林、耕地、水體和建筑分布現(xiàn)狀，分別獲得360張和944張帶GPS坐標(biāo)的景觀照片。利用RoboGEO將GPS景觀照片轉(zhuǎn)換成Keyhole（Keyhole markup language， KML）文件后導(dǎo)入“谷歌地球”。結(jié)合“谷歌地球”中的2015年左右高清衛(wèi)星影像和GPS景觀影片，在研究區(qū)域繪制盡量均勻分布的感興區(qū)域（Region of interest，ROI）作為分類算法的訓(xùn)練和驗(yàn)證樣本。地面ROI樣本繪制完成后，利用NOAA的Biogeography Branch開(kāi)發(fā)的抽樣設(shè)計(jì)工具對(duì)不同土地類型的ROI樣本以1∶1進(jìn)行空間隨機(jī)抽樣，其中，50%用于分類算法訓(xùn)練，50%用于分類結(jié)果驗(yàn)證。地面樣本的空間分布如圖1所示，抽樣結(jié)果按ROI個(gè)數(shù)和像元數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

1. 3 影像數(shù)據(jù)及預(yù)處理

以2015年1月22日（條帶號(hào)3-78）、3月15日（條帶號(hào)3-78）及6月27日（條帶號(hào)2-78）過(guò)境海南西北部地區(qū)的CBERS-04星20 m分辨率的多光譜遙感影像為數(shù)據(jù)源。影像為2級(jí)產(chǎn)品，已經(jīng)過(guò)系統(tǒng)幾何校正。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)期的影像間存在一定的幾何偏移。以2014年3月19日獲取的無(wú)云Landsat 8 L1T級(jí)影像為基準(zhǔn)，在ENVI遙感分析軟件平臺(tái)下，對(duì)三景CBERS-04星多光譜影像進(jìn)行自動(dòng)幾何精校正，控制誤差在5 m范圍內(nèi)。由于3期影像均能很好覆蓋整個(gè)研究區(qū)域，處于相對(duì)均一的輻射水平，而輻射校正和大氣校正對(duì)分類結(jié)果精度的影響有限（Song et al.， 2001），且缺乏針對(duì)CBERS-04輻射校正工具，因此，本研究未對(duì)影像進(jìn)行輻射和大氣校正。影像幾何校正完畢后，利用ENVI/IDL軟件平臺(tái)計(jì)算歸一化植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，NDVI）和比值植被指數(shù)（Simple ratio vegetation index，SR），計(jì)算公式為：

式中，ρred為CBERS-04衛(wèi)星紅光波段像元像素值（Digital number， DN），ρNIR為近紅外波段DN。計(jì)算的NDVI和SR及4個(gè)原始波段將用于影像分類研究。

1. 4 研究方法

1. 4. 1 不同土地利用類型特征分析 紅光（Red）、近紅外（Near infrared， NIR）波段及NDVI等植被指數(shù)是遙感分類的重要參數(shù)。分別導(dǎo)出3期CBERS-04影像中森林、水體、建筑和耕地的訓(xùn)練樣本的Red、NIR和NDVI像元值，繪制直方圖（圖2）。結(jié)果表明，水體在NIR波段中的可分離性最好，尤其是3月22日獲取的影像；分離水體后，森林在紅光波段和NDVI波段與耕地和建筑具有較高的可分離性，但耕地與建筑在紅光、近紅外及NDVI中的重疊度均較高，需要采用其他輔助參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分離。

1. 4. 2 分類方法介紹 根據(jù)圖2的分類結(jié)果，本研究分別采用最大似然的監(jiān)督分類方法和決策樹分類方法提取海南西北部地區(qū)主要土地類型的空間分布信息。在執(zhí)行最大似然分類之前，先通過(guò)ENVI的可分離性工具，計(jì)算各訓(xùn)練樣本ROI的Jeffries-Matusita（J-M）距離（Dong et al.， 2013）。J-M距離越高，表明兩個(gè)類別之間的可分離性越好；J-M距離>1.9表示兩種地物的可分離性較好，J-M距離=2.0表明兩種地物分布完全無(wú)關(guān)，可以完全分離。由表2可看出，除了森林—耕地、耕地—建筑可分離性略差以外，其他幾個(gè)類別的可分離性都比較理想；1月22日的影像中，森林—耕地的可分離性較好；6月27日的影像中，耕地—建筑的可分離性相對(duì)最高。結(jié)合訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，分別在ENVI中采用最大似然法對(duì)3期影像進(jìn)行分類。

此外，本研究將3期影像的波段、NDVI和SR植被指數(shù)通過(guò)波段疊加的方式生成一個(gè)文件后再進(jìn)行最大似然法分類。圖2的直方圖分析結(jié)果表明，水體在3期影像中可分離性最好，森林次之，可分離性相對(duì)較差的是耕地和建筑?？紤]到建筑的NDVI相對(duì)固定且數(shù)值較低，而耕地中作物處于生長(zhǎng)季時(shí)NDVI較高，在3期影像合成的NDVI影像中可能會(huì)有比較好的可分離性。因此，對(duì)3期影像的NDVI進(jìn)行最大值（NDVImax）、最小值（NDVImin）合成，并計(jì)算最大值與最小值間的差值（NDVIdiff），以訓(xùn)練樣本繪制相應(yīng)直方圖（圖3）觀察可分離性。結(jié)果表明，森林—耕地、耕地—建筑在NDVImax波段的可分離性均較好，可用于構(gòu)建決策樹分類規(guī)則。按不同土地類型的總體分離容易程度和每期影像中的可分離性，構(gòu)建決策樹分類規(guī)則如下：水體為NIR0315<50且NDVImin<0；森林為NDVImax>0.55且Red0627<40；建筑為NDVImax<0.15；耕地為其他剩余像元。決策樹分類中的門檻值分別根據(jù)訓(xùn)練樣直方圖的上界（99%）或下界（1%）值設(shè)定，并對(duì)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行圓整，波段DN數(shù)值圓整到以10或5為尾數(shù)水平，植被指數(shù)門檻值圓整到0.05水平。

1. 5 精度評(píng)估

分類結(jié)果的精度驗(yàn)證主要通過(guò)隨機(jī)抽樣的地面樣本（占50%）來(lái)計(jì)算混淆矩陣（Confusion matrix）和卡帕系數(shù)（Kappa coefficient），根據(jù)混淆矩陣信息來(lái)定量評(píng)價(jià)分類精度。分類結(jié)果專題圖的制作在ArcGIS軟件中完成，并在局部地區(qū)進(jìn)行放大疊加比較，綜合評(píng)估分類精度。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同分類方法分類結(jié)果精度比較

由表3可知，基于單景CBERS-04多光譜數(shù)據(jù)的最大似然法分類結(jié)果總體精度為85.8%～88.8%，卡帕系數(shù)為0.80～0.84；不同時(shí)期獲取的影像在其分類精度存在差異，分類精度順序?yàn)椋?月影像>1月影像>3月影像；當(dāng)同時(shí)使用3景不同時(shí)相的遙感影像為數(shù)據(jù)源時(shí)，無(wú)論是最大似然法還是決策樹分類算法，其結(jié)果均明顯高于基于單景的監(jiān)督分類結(jié)果；使用多時(shí)相遙感影像時(shí)，最大似然法的精度最高，總體分類精度為92.61%，卡帕系數(shù)為0.89，其次是決策樹分類算法，總體分類精度為91.61%，卡帕系數(shù)為0.88。從表4的混淆矩陣結(jié)果可以看出，最大似然法和決策樹分類算法的森林的精度最高，用戶（生產(chǎn)者）精度均大于92.00%；基于最大似然法的水體精度（>89.00%）低于決策樹分類算法的精度（>97.00%），建筑的用戶（生產(chǎn)者）精度大于85.00%，耕地的精度最低；最大似然法的結(jié)果要優(yōu)于決策樹分類算法，前者用戶（生產(chǎn)者）精度均高于80.00%，而后者的生產(chǎn)者精度最低，只有71.98%。

2. 2 海南西北部土地利用現(xiàn)狀

圖4為決策樹分類結(jié)果空間分布圖，其中，底部b～e為部分地區(qū)森林、水體、建筑和耕地分類結(jié)果與谷歌高清衛(wèi)星影像疊加對(duì)比圖，分類結(jié)果與地面真實(shí)情況呈現(xiàn)較高的吻合度。由圖4可看出，森林主要分布在內(nèi)陸地區(qū)，尤其是松濤水庫(kù)（圖中的最大水域）附近區(qū)域；海岸帶尤其是西部地區(qū)，人口密度也相對(duì)較大，人為活動(dòng)干擾影響強(qiáng)烈，森林覆蓋率很低，主要土地類型為耕地；而沿海區(qū)域降雨量相對(duì)較低，太陽(yáng)輻射比較強(qiáng)烈，存在不少裸地，裸地反光譜特征與城市建筑比較相似，在一定程度上被誤分為建筑；內(nèi)陸地區(qū)呈現(xiàn)出典型的森林與耕地斑塊，其主要原因是海南儋州及附近區(qū)域是海南橡膠種植核心區(qū)域，雨量充沛，存在輕臺(tái)風(fēng)災(zāi)害，擁有大量的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)；在儋州西北部的洋浦和白馬井地區(qū)擁有較密集的建筑，其主要原因是洋浦地區(qū)是海南主要的工業(yè)區(qū)，工業(yè)建筑群相對(duì)密集，另外，北部灣碼頭和白馬井?；◢u的建設(shè)，也導(dǎo)致了建筑的明顯增加。

3 討論

利用多時(shí)相的CBERS-04多光譜數(shù)據(jù)明顯能提高分類的精度。本研究也發(fā)現(xiàn)基于最大似然法的分類精度略高于決策樹分類算法，且實(shí)現(xiàn)過(guò)程也非常簡(jiǎn)單。最大似然法精度略高的原因是在紅Red、NIR及NDVI的基礎(chǔ)上，還使用了藍(lán)光、綠光和SR植被指數(shù)作為輸入?yún)?shù)。事實(shí)上，增加這3個(gè)參數(shù)相對(duì)提高的精度只有1%。當(dāng)影像數(shù)量不多時(shí)，最大似然法是個(gè)不錯(cuò)的選擇，但當(dāng)影像數(shù)據(jù)過(guò)多，比如超過(guò)5景以上，影像波段疊加后數(shù)據(jù)量會(huì)顯著增加。

決策樹分類方法具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，更注重科學(xué)性和合理性。雖然本研究過(guò)程中實(shí)現(xiàn)過(guò)程比最大似然法復(fù)雜，但是當(dāng)影像數(shù)據(jù)更多時(shí)會(huì)更明顯，尤其是使用基于長(zhǎng)時(shí)間序列影像的合成數(shù)據(jù)來(lái)分類。比如Chen等（2016）發(fā)現(xiàn)基于Landsat TM/ETM+的年度最大值合成NDVI中，森林與建筑的可分離性非常高。本研究也發(fā)現(xiàn)基于決策樹分類的水體用戶（生產(chǎn)者）精度均在93.00%以上，優(yōu)于使用更多輸入變量的最大似然法分類結(jié)果。

在4種土地利用類型中，無(wú)論是最大似然法，還是決策樹分類法，其分類結(jié)果中耕地的精度最低。分析其原因是熱帶地區(qū)耕地構(gòu)成非常復(fù)雜，破碎化嚴(yán)重，作物物候也存在多樣化（Laurin et al.， 2013）。雖然通過(guò)合成NDVI可實(shí)現(xiàn)大部分耕地的分離，但還是與森林及建筑存在不同程度的重疊，使得精確分離比較困難。

近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的發(fā)展非常迅速，現(xiàn)役衛(wèi)星數(shù)量顯著增加，數(shù)據(jù)獲取能力明顯增強(qiáng)。但與國(guó)外如Landsat系列相比，在影像數(shù)據(jù)質(zhì)量和后期處理方面還有一定差距。如在本研究發(fā)現(xiàn)CBERS-04數(shù)據(jù)的幾何精度還不夠理想，每一景影像均需要進(jìn)行幾何校正；另外在輻射和大氣校正、影像批量除云等方面的算法和程序的開(kāi)發(fā)也相對(duì)滯后，目前尚無(wú)成熟的方法和工具，因而限制了多源和多時(shí)相遙感影像的使用。

4 結(jié)論

聯(lián)合多期CBERS-04多光譜數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確提取熱帶地區(qū)土地利用現(xiàn)狀信息，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯 鄧慧靈）