基于CR-SAM的博斯騰湖西岸湖濱帶典型植被分類*

張子慧，李新國，李勇

1. 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054

2. 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011

3. 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054

高光譜數(shù)據(jù)在植被反射率光譜特性差異分析與特征波段提取方面有較大的潛力，可見光、近紅外和短波紅外波段是研究植被分類的重要波長區(qū)域［1］。基于高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行植被分類，可以在更大程度上突出不同植被間的光譜細(xì)節(jié)特征、提取植被光譜特征波段，更有效地對不同植被進(jìn)行分類識別且分類結(jié)果精度更高。部分學(xué)者已在這方面取得了一定的研究成果。Hirano 等［2］利用AVIRIS 高光譜遙感影像，結(jié)合光譜數(shù)據(jù)庫，采用SAM 分類方法對濕地地物類型進(jìn)行分類，識別出泥沼地、水域和10 種濕地植被類型；曾帥等［3］利用實(shí)測高光譜數(shù)據(jù)，提取了各項(xiàng)光譜特征參數(shù)，對研究區(qū)6種植被進(jìn)行了分類精度驗(yàn)證；吳見等［4］測試了北京市10 種常見樹種不同時間的葉片高光譜數(shù)據(jù)，通過分析不同樹種不同時間的光譜特征，篩選出了不同時相條件下高光譜遙感識別樹種的特征波段；杜培軍等［5］闡述了高光譜遙感影像分類進(jìn)展，突出高光譜遙感記錄精細(xì)光譜特征的優(yōu)勢，發(fā)展了針對應(yīng)用需求的有效分類方法。植被遙感分類研究多采用SAM 方法對光譜曲線進(jìn)行特征提取，但該方法對特征波段差異較小的地物分類效果較差。Ceamanos 等［6］提出了一種基于支持向量機(jī)的分類器集成算法，對高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)多模型集成的分類精度優(yōu)于單一算法的精度。李凱等［7］對竹葉原始光譜進(jìn)行CR、FD、CR-FD 變換后提取特征波段進(jìn)行葉綠素含量估算，發(fā)現(xiàn)CR-FD 模型為竹葉葉綠素含量的最優(yōu)估算模型，CR 處理后能夠增大光譜值差異。白繼偉等［8］基于CR 算法對高光譜圖像進(jìn)行分類研究，發(fā)現(xiàn)對高光譜圖像進(jìn)行CR 后，抑制了噪聲，突出了地物光譜的特征信息，提高了圖像的分類運(yùn)算效率和精度。張雪紅等［9］基于CR算法對油菜氮素營養(yǎng)進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)CR 處理擴(kuò)大了原始反射光譜中由氮素脅迫引起的吸收特征微小變化。在考慮到多模型集成方法的基礎(chǔ)上，本文選取CR 算法對SAM分類方法進(jìn)行改進(jìn)，對博斯騰湖西岸湖濱帶典型植被進(jìn)行分類識別與數(shù)字制圖，實(shí)時獲取典型植被分布狀態(tài)對研究區(qū)的監(jiān)測與生物多樣性保護(hù)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

博斯騰湖西岸湖濱帶位于新疆焉耆盆地東南部 博 湖 縣 境 內(nèi)，地 理 位 置 為41°44′N～42°12′N、86°10′E～86°50′E，屬于典型的山前湖泊綠洲區(qū)（圖1）。研究區(qū)年均溫8.2～11.5 ℃，年降水量47.7～68.1 mm，年蒸發(fā)量1 880～2 786 mm，屬典型的溫帶大陸性荒漠氣候［10］。研究區(qū)內(nèi)土壤類型主要有草甸土、沼澤地、灌耕潮土、鹽土、風(fēng)沙土、棕漠土等，地下水埋深1.0～2.5 m。受氣候、土壤、湖泊等因素的影響，其植被分布具有獨(dú)特性，典型植物群落類型有箭桿楊（Populus nigravar.thevestina（Dode）Bean）群落、沙棗樹（Elaeagnus angustifolia）群 落、 蘆 葦（Phragmites australis）群落等［10-11］。

圖1 研究區(qū)地理位置與采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 The geographical location of the study area and the sample sites

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 實(shí)地踏勘數(shù)據(jù)2018年7月30日和2019年8 月7 日兩次對研究區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘察后，確定箭桿楊、沙棗樹和蘆葦3種為研究區(qū)典型植被群落，布置30 個采樣點(diǎn)并采樣（圖1）。其中箭桿楊、沙棗樹、蘆葦分別采集了7、9、14 個樣點(diǎn)，記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔高度、植被分布現(xiàn)狀、覆蓋度等信息，作為分類結(jié)果目視解譯評定的依據(jù)。

1.2.2 高光譜數(shù)據(jù)同期，基于實(shí)地踏勘數(shù)據(jù)，采集箭桿楊、沙棗樹和蘆葦3 種典型植被葉片樣本，利用ASD FieldSpec 3 便攜式地物光譜儀測取高光譜數(shù)據(jù)；并對箭桿楊、沙棗樹和蘆葦3種典型植被葉片進(jìn)行采樣。為使數(shù)據(jù)能夠具有代表性，采樣點(diǎn)均勻分布于研究區(qū)，每個樣方大小設(shè)置為15 m×15 m，采樣時天氣晴朗（云量小于10%）。進(jìn)行光譜測量時間在12：00～14：00，為避免隨機(jī)噪聲影響，每個樣本重復(fù)測取10 次，取平均值作為最終光譜曲線，獲取的高光譜數(shù)據(jù)波段范圍為350～2 500 nm。

1.2.3 遙感影像數(shù)據(jù)來自2019 年8 月7 日歐空局官網(wǎng)(https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home)相對軌道編號為R019 的Sentinel-2A L2A 級遙感數(shù)據(jù)，對研究區(qū)進(jìn)行典型植物群落分類與制圖。

高光譜數(shù)據(jù)能夠提供光譜信息，采取CR 處理提取光譜特征波段，選擇典型植被光譜細(xì)節(jié)特征，與遙感影像上植被光譜信息進(jìn)行匹配，探討SAM分類算法在研究區(qū)典型植被特征提取和遙感分類中的應(yīng)用，獲得研究區(qū)典型植被分類識別結(jié)果，進(jìn)行典型植被群落分類與數(shù)字制圖。

1.3 Sentinel-2A遙感影像分類識別方法

1.3.1 光譜角制圖方法光譜角是目標(biāo)數(shù)組與待測數(shù)組兩向量的夾角，通過比較目標(biāo)數(shù)組與待測數(shù)組的相似度進(jìn)行光譜曲線所對應(yīng)的地物識別。將遙感圖像各個像元的光譜曲線看成波譜空間中的一個向量，計(jì)算待測光譜向量與目標(biāo)光譜向量的夾角大小來表示兩者之間的相似度［12-13］。光譜角越小，說明待測數(shù)組與目標(biāo)數(shù)組是同一類地物的可能性越大［14-15］。光譜角

其中Ti和Ri分別代表待測數(shù)組和目標(biāo)數(shù)組中第i個波段的反射率值，n為光譜曲線的波段數(shù)。

1.3.2 包絡(luò)線去除包絡(luò)線是連接波譜頂部的凸起的直線段擬合，以最大值點(diǎn)作為一個端點(diǎn)沿長波方向連接光譜曲線上的極值點(diǎn)，向短波方向進(jìn)行類似計(jì)算，形成曲線的包絡(luò)線。用實(shí)際光譜反射率去除包絡(luò)線上相應(yīng)線段的反射率值，即“包絡(luò)線去除”［16］。包絡(luò)線去除可以有效地突出光譜曲線的吸收和反射特征，對原始光譜曲線作歸一化處理，有利于和其他地物的光譜曲線進(jìn)行特征比較從而提取特征波段［17］。

1.3.3 特征波段提取剔除箭桿楊、沙棗樹、蘆葦3種典型植被的光譜曲線中噪聲等原因造成的異常值，求取均值光譜曲線等預(yù)處理、包絡(luò)線去除處理，考慮到植被在不同的波段有不同的吸收和反射特征，在可見光和紅邊波段范圍內(nèi)光譜響應(yīng)最為敏感，確定研究波段為450～850 nm，并設(shè)置閾值提取特征波段，用于分析3種典型植被之間的光譜特征差異，對研究區(qū)進(jìn)行典型植被分類。

1.3.4 解譯標(biāo)志基于實(shí)地踏勘數(shù)據(jù)，選取研究區(qū)3 種典型植被和水體建立解譯標(biāo)志，如表1 所示，進(jìn)行目視解譯得出遙感影像目視解譯結(jié)果，用于對分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，確定精度更高的分類方法。

表1 地物解譯標(biāo)志表Table 1 The table of the sign of geo-interpretation

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)測光譜數(shù)據(jù)特征分析

從圖2可知，箭桿楊和沙棗樹的原始光譜曲線差異最小，最大差異值僅為0.070 4，CR處理后最大差異值增加到0.156 3，增加了0.085 9，CR 處理增加了箭桿楊和沙棗樹之間的可區(qū)分特征波段的差異性，能夠突出箭桿楊和沙棗樹之間光譜細(xì)節(jié)特征；其次，CR 處理前，箭桿楊和沙棗樹的光譜可區(qū)分特征波段位于507～653 和754～850 nm，CR 處理后，箭桿楊和沙棗樹的光譜可區(qū)分特征波段位于458～732 nm，將原始光譜曲線中位于近紅外波段的特征波段轉(zhuǎn)移到了可見光波段。

圖2 箭桿楊和沙棗樹可區(qū)分特征波段Fig.2 The distinctive bands of Populus nigra var.thevestina(Dode)Bean and Elaeagnus angustifolia

由圖3可知，箭桿楊和蘆葦?shù)脑脊庾V曲線差異最大，最大差異值為0.116 2，CR處理后最大差異值增加到0.302 8，增加了0.186 6，CR 處理增加了箭桿楊和蘆葦之間的可區(qū)分特征波段的差異性，能夠突出箭桿楊和蘆葦之間的光譜細(xì)節(jié)特征；其次，CR 處理前，箭桿楊和蘆葦?shù)墓庾V可區(qū)分特征波段位于450～712 和785～850 nm，經(jīng)過CR 處理后，箭桿楊和蘆葦?shù)墓庾V可區(qū)分特征波段位于452～716 nm，將原始光譜曲線中位于近紅外波段的特征波段轉(zhuǎn)移到了可見光波段。

圖3 箭桿楊和蘆葦可區(qū)分特征波段Fig.3 The distinctive bands of Populus nigra var.thevestina(Dode)Bean and Phragmites australis

從圖4可知，沙棗樹和蘆葦?shù)脑脊庾V曲線的最大差異值為0.087 9，CR處理后最大差異值增加到0.158 5，增加了0.070 6，CR 處理增加了沙棗樹和蘆葦之間的可區(qū)分特征波段的差異性，能夠突出沙棗樹和蘆葦之間的光譜細(xì)節(jié)特征；其次，CR 處理前，沙棗樹和蘆葦?shù)墓庾V可區(qū)分特征波段位于450～648 和741～850 nm，經(jīng)過CR 處理后，沙棗樹和蘆葦?shù)墓庾V可區(qū)分特征波段位于461～718 nm，將原始光譜曲線中位于近紅外波段的特征波段轉(zhuǎn)移到了可見光波段。

圖4 沙棗樹和蘆葦可區(qū)分特征波段Fig.4 The distinctive bands of Elaeagnus angustifolia and Phragmites australis

3 種典型植被的光譜曲線在綠光和近紅外波段均存在局部極值，兩兩區(qū)分的波段差異較小，經(jīng)過CR 處理后可見光譜段內(nèi)植被兩兩區(qū)分的特征波段差異明顯增加，相當(dāng)于對原始光譜曲線進(jìn)行歸一化處理，減少環(huán)境背景對3種典型植被光譜曲線的影響，位于近紅外波段的特征波段轉(zhuǎn)移到了可見光波段，雖然特征光譜波段數(shù)減少，卻使可見光波段的特征差異增大，能夠突出植被光譜細(xì)節(jié)特征，提高信息利用率，更大效率上對研究區(qū)3種典型植被進(jìn)行分類識別。由此得出，CR 處理后不僅改變了特征波段分布位置且更易于不同植被間的特征提取與目標(biāo)識別。

2.2 遙感影像分類結(jié)果分析

從圖5 可知，箭桿楊的面積3.98 km2，占研究區(qū)總面積的2.01%，主要分布于道路兩側(cè)并且部分與蘆葦?shù)叵嚅g分布；沙棗樹的面積19.76 km2，占研究區(qū)總面積的9.98%，主要分布于耕地與荒地之間的過渡區(qū)以及人為種植的片狀分布；蘆葦?shù)拿娣e174.26 km2，占研究區(qū)總面積的88.01%，主要分布于湖濱帶濕地以及開都河下游沿岸。

圖5 3種典型植被分布現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)目視解譯結(jié)果Fig.5 The result of standard visual interpretation image of the distribution status of three typical vegetation

SAM 和CR-SAM 兩種方法分類結(jié)果圖如圖6和圖7所示。為了對分類效果進(jìn)行定量比較，統(tǒng)計(jì)了3種典型植被的識別面積以及識別百分比，結(jié)果見表2。

表2 3種分類方法的研究區(qū)典型植被分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of typical vegetation classification result of three classification methods in the study area

圖6 3種典型植被SAM分類結(jié)果Fig.6 SAM classification result of three typical vegetation

圖7 3種典型植被CR-SAM分類結(jié)果Fig.7 CR-SAM classification result of three typical vegetation

從表2和圖6可知，箭桿楊地面積為1.96 km2，沙棗樹地面積為9.55 km2，蘆葦?shù)孛娣e為104.27 km2。SAM 分類方法對箭桿楊、沙棗樹、蘆葦?shù)湫椭脖坏淖R別總面積百分比分別為0.99%、4.82%、52.66，總識別百分比為58.47%，與圖5 相比，以蘆葦?shù)氐淖R別效果為例，可以清晰地看出SAM 分類方法對于蘆葦?shù)淖R別效果較差，大部分蘆葦區(qū)都沒有識別出來。

從表2和圖7可知，箭桿楊地面積為2.59 km2，沙棗樹地面積為13.23 km2，蘆葦?shù)孛娣e為140.84 km2。CR-SAM 分類結(jié)果識別出了65.08%的箭桿楊地，較SAM 分類結(jié)果增加了15.83%；CR-SAM分類結(jié)果識別出了66.95%的沙棗樹地，較SAM分類結(jié)果增加了18.62%；CR-SAM 分類結(jié)果識別出了80.82%的蘆葦?shù)?，較SAM 分類結(jié)果增加了20.98%。CR-SAM 分類方法對3 種典型植被的總識別百分比為79.12%。雖然與圖5 相比仍然有部分箭桿楊、沙棗樹和蘆葦?shù)匚醋R別出來，但較圖6已經(jīng)得到了改善，其中蘆葦區(qū)的改善效果最佳，沙棗樹地次之，箭桿楊地改善效果較差，產(chǎn)生這個結(jié)果是考慮到影像空間分辨率的影響，由于蘆葦?shù)睾蜕硹棙涞卮蠖嗍瞧瑺罘植迹谟跋裰心軌蜃R別出來，而少量箭桿楊地是分布在道路兩側(cè)，對于覆蓋度較低的箭桿楊不能識別出來。

對比圖6 和圖7 的基礎(chǔ)上，由圖5 可知蘆葦?shù)刈R別效果明顯提升，在開都河下游沿岸的蘆葦區(qū)也能夠清晰地被識別出來，并且與沙棗樹的區(qū)分性也有所提高，更易于分辨，經(jīng)CR 處理后，箭桿楊的光譜特征得以增強(qiáng)，能夠較大程度地識別出來，肯定了CR 處理能夠突出植被光譜細(xì)節(jié)特征，提高了研究區(qū)3種典型植被分類識別效果。由此可見，CR-SAM 對于箭桿楊、沙棗樹和蘆葦3 種典型植被的分類識別效果更好，能夠在更大程度上對研究區(qū)典型植被進(jìn)行識別。

2.3 分類精度評定

通過目視解譯結(jié)果對兩種方法分類結(jié)果進(jìn)行精度評定、計(jì)算Kappa系數(shù)，衡量分類結(jié)果的吻合度，具體精度評定結(jié)果見表3。

從表3 可知，CR 處理前，箭桿楊、沙棗樹和蘆葦3種典型植被的生產(chǎn)者精度和用戶精度都比較低，經(jīng)CR 處理后，3 種典型植被的生產(chǎn)者精度和用戶精度均在不同程度上得到了提升，其中對沙棗樹的分類識別效果最好，生產(chǎn)者精度增加了34.52%，用戶精度增加了23.16%，并且每種典型植被所識別出來的像元數(shù)也得以增加，識別出的總像元數(shù)由1 177 644 增加到1 566 597，總體分類精度由SAM 分類的53.00%上升到CR-SAM 分類的70.50%，Kappa 系數(shù)由0.32 增加到0.66。CRSAM 分類方法所得的分類結(jié)果與目視解譯結(jié)果更吻合，能夠更好地識別出3 種典型植被的分布現(xiàn)狀，增強(qiáng)了植被的可區(qū)分特征。SAM 分類的總體分類精度相對較低，原因可能是實(shí)測儀器和衛(wèi)星成像儀間所獲得的數(shù)據(jù)存在差異以及受到大氣干擾，因此，CR-SAM 分類方法更具有應(yīng)用前景，實(shí)用性更強(qiáng)。

表3 SAM與CR-SAM分類精度統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical classification accuracy table of SAM and CR-SAM

3 討 論

SAM 分類方法僅考慮了匹配光譜的形狀特征，而光譜特征擬合匹配方法能夠很好地對植被光譜進(jìn)行識別。本文采取CR-SAM 分類方法對研究區(qū)典型植被進(jìn)行分類識別，發(fā)現(xiàn)能夠提高分類精度，總體分類精度增加了17.5%，這一結(jié)論與明群杰［18］的研究結(jié)果相近；發(fā)現(xiàn)經(jīng)CR 處理后，植被光譜曲線特征差異明顯增加，能夠減弱環(huán)境背景的影響，提高信息利用率，這與周偉等［19］研究結(jié)果相似。在SAM 分類方法的基礎(chǔ)上選用CR 處理，未選用楊可明等［20］的研究中的諧波分析的方法，在其研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，是因?yàn)橹C波分析能夠消除部分原始光譜某些波段的噪聲影像，而CR 處理不僅能夠消除噪聲影像還能突出地物光譜細(xì)節(jié)特征，增加地物光譜曲線的可區(qū)分特征波段的差異性。在此基礎(chǔ)上對研究區(qū)典型植被進(jìn)行分類，探討CR-SAM 分類方法的應(yīng)用前景，并從定性和定量兩個方面對研究區(qū)典型植被分類特征加以分析。姬旭升等［21］通過基于像素與面向?qū)ο蟮倪b感數(shù)據(jù)分類方法研究，比較了SAM、SVM、DTs和RF算法在遙感影像分類中的作物識別精度，可知SAM 算法的分類總體精度最高為87.47%，最低為68.56%，對比可知其分類總體精度不高且變化較大。本文利用CR 處理對SAM 方法進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)CR 處理后能夠有效抑制光譜噪聲的影響，突出植被光譜的特征信息，改善SAM 分類效果，提高其分類精度，對于CR-SAM 分類方法提高植被分類精度的機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

1）SAM 分類方法對箭桿楊、沙棗樹、蘆葦?shù)淖R別百分比分別為49.25%、48.33%、59.84%，總識別百分比為58.47%；CR-SAM 分類方法對箭桿楊、沙棗樹、蘆葦?shù)淖R別百分比分別為65.08%、66.95%、80.82%，總識別百分比為79.12%，其相比較SAM 分類方法對3 種典型植被的識別百分比提高20.65%。

2） CR-SAM 分類結(jié)果的總體分類精度為70.50%，SAM 分類結(jié)果的總體分類精度僅為53.00%，較SAM 分類方法提高了17.5 個百分點(diǎn)，Kappa系數(shù)為0.66，因此，CR-SAM 分類方法對研究區(qū)3種典型植被分類識別的總體精度更高，效果更好。

3）箭桿楊占地面積為3.98 km2，主要分布區(qū)域?yàn)榕c部分蘆葦區(qū)相間分布的過渡帶和道路兩側(cè)，占研究區(qū)總面積的1.79%；沙棗樹占地面積為19.76 km2，主要分布于耕地與荒地之間的過渡區(qū)以及人為種植的片狀分布，占研究區(qū)總面積的8.89%；蘆葦占地面積為174.26 km2，主要分布于湖濱帶濕地以及開都河下游沿岸，占研究區(qū)總面積的78.43%。