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基于高光谱数据的密云水库水生态空间地物精细分类

陈珠琳 李添雨 张耀方 薛万来 谢营 吴迪 赵晨强 马利 王思棋 贾坤

陈珠琳, 李添雨, 张耀方, 薛万来, 谢营, 吴迪, 赵晨强, 马利, 王思棋, 贾坤. 基于高光谱数据的密云水库水生态空间地物精细分类[J]. 空间科学学报, 2024, 44(1): 103-113. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0035
引用本文: 陈珠琳, 李添雨, 张耀方, 薛万来, 谢营, 吴迪, 赵晨强, 马利, 王思棋, 贾坤. 基于高光谱数据的密云水库水生态空间地物精细分类[J]. 空间科学学报, 2024, 44(1): 103-113. doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0035
CHEN Zhulin, LI Tianyu, ZHANG Yaofang, XUE Wanlai, XIE Ying, WU Di, ZHAO Chenqiang, MA Li, WANG Siqi, JIA Kun. Land Cover Classification from Hyperspectral Data in the Water Ecological Space of Miyun Reservoir (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(1): 103-113 doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0035
Citation: CHEN Zhulin, LI Tianyu, ZHANG Yaofang, XUE Wanlai, XIE Ying, WU Di, ZHAO Chenqiang, MA Li, WANG Siqi, JIA Kun. Land Cover Classification from Hyperspectral Data in the Water Ecological Space of Miyun Reservoir (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(1): 103-113 doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0035

基于高光谱数据的密云水库水生态空间地物精细分类

doi: 10.11728/cjss2024.01.2023-0035 cstr: 32142.14.cjss2024.01.2023-0035
基金项目: 国家自然科学基金项目(42192581, 42171318)和北京市科技计划课题项目(Z221100005222013)共同资助
详细信息
    作者简介:
    • 陈珠琳:女, 1994年7月出生于山东省德州市, 现为中国林业科学研究院资源信息研究所助理研究员, 主要研究方向为资源环境遥感. E-mail: chenzl@ifrit.ac.cn
    • 李添雨:男, 1991年8月出生于北京市. 现为北京市水科学技术研究院流域生态环境研究所工程师, 主要研究方向为水生态监测评价、水生态保护修复技术等. E-mail: lty0554@sina.com
    • 张耀方:女, 1991年2月出生于四川省宜宾市. 现为北京市水科学技术研究院高级工程师, 主要研究方向为水生态系统评价、水生态保护修复技术研究、流域面源污染研究等. E-mail: ucaszyf@163.com
    通讯作者:
    • 男, 1983年9月出生于河北省唐山市, 现为北京师范大学地理科学学部教授, 博士生导师, 主要研究方向为生态环境遥感、地理信息分析、植被遥感等. E-mail: jiakun@bnu.edu.cn
  • 中图分类号: P2

Land Cover Classification from Hyperspectral Data in the Water Ecological Space of Miyun Reservoir

  • 摘要: 重点水域水生态空间地物类型分布状况是其健康评估以及生态规划的重要基础. 基于高分五号(GF-5)卫星高光谱数据, 采用混合式特征选择算法开展北京市密云水库水生态空间地物精细分类研究. 采用随机森林算法获取波段重要性排序, 经过特征降维将总体分类精度最高的模型对应的特征集作为初始特征子集. 利用后向序列选择算法搜索地物精细分类的最佳特征子集, 进而开展密云水库水生态空间的地物精细分类. 结果表明, 高光谱数据可以实现较高精度的地物分类(总体分类精度为93.61%, Kappa系数为91.71%), 相比于哨兵二号(S-2)卫星多光谱数据, 在精细树种分类方面具有明显的优势.

     

  • 图  1  研究区地理位置以及GF-5卫星伪彩色合成影像(红为波段107, 绿为波段65, 蓝为波段41)

    Figure  1.  Study area location and false color image of GF-5 satellite hyperspectral data (Red: band 107. Green: band 65. Blue: band 41)

    图  2  随机森林分类算法

    Figure  2.  Random forest classification algorithm

    图  3  基于混合特征选择算法的分类模型构建流程

    Figure  3.  Classification model construction process based on hybrid feature selection algorithm

    图  4  典型地物光谱曲线(a)及其NDVI分布箱形图(b)

    Figure  4.  Spectral curve of typical surface features (a) and NDVI distribution boxplot (b)

    图  5  RF算法排序下的总体分类精度(OA)随变量个数递减的变化趋势

    Figure  5.  Trend of Overall Accuracy (OA) with decreasing number of variables under RF algorithm ranking

    图  6  GF-5波段选择结果

    Figure  6.  GF-5 bands selection result

    图  7  密云水库水生态空间典型地物类型分类结果

    Figure  7.  Classification results of typical surface features in Miyun reservoir

    表  1  训练集和验证集中的样本数量

    Table  1.   Number of samples in training and validation set

    数据集类别
    水体不透水面及裸土板栗林农田和草地其他林地
    训练集(GF-5)400600165400610
    测试集(GF-5)20029680195308
    训练集(S-2)1000100060010001000
    测试集(S-2)500500300500500
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    表  2  基于GF-5和S-2数据的地物类型间J-M距离

    Table  2.   J-M distance between different surface features based on GF-5 data

    类别 板栗林(GF-5/S-2) 农田和草地(GF-5/S-2) 不透水面(GF-5/S-2) 其他林地(GF-5/S-2) 水体(GF-5/S-2)
    板栗林(GF-5/S-2) 0/0 1.7260/1.7861 1.9405/1.9501 1.5003/0.8491 1.9667/1.9999
    农田及草地(GF-5/ S-2) 1.7260/1.7861 0/0 1.9022/1.9855 1.7470/1.7667 1.9662/1.9999
    不透水面及裸土
    (GF-5/ S-2)
    1.9405/1.9501 1.9022/1.9855 0/0 1.9484/1.9807 1.9644/1.9999
    其他林地(GF-5/ S-2) 1.5003/0.8491 1.7470/1.7667 1.9484/1.9807 0/0 1.9679/1.9999
    水体(GF-5/ S-2) 1.9667/1.9999 1.9662/1.9999 1.9644/1.9999 1.9679/1.9999 0/0
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    表  3  GF-5验证集分类混淆矩阵

    Table  3.   Confusion matrix of GF-5 verification set

    类别 水体 不透水面和裸土 板栗林 农田和草地 其他林地 PA/(%)
    水体 200 0 0 0 0 100
    不透水面及裸土 0 290 0 6 0 97.97
    板栗林 0 0 65 2 13 81.25
    农田和草地 0 10 3 175 7 89.74
    其他林地 0 0 21 7 280 90.91
    UA/(%) 100 96.67 73.03 92.11 93.33
     UA代表用户精度, PA代表生产者精度.
    下载: 导出CSV

    表  4  S-2验证集分类混淆矩阵

    Table  4.   Confusion matrix of S-2 verification set

    类别 水体 不透水面和裸土 板栗林 农田和草地 其他林地 PA/(%)
    水体 500 0 0 0 0 100.00
    不透水面及裸土 0 497 0 3 0 98.61
    板栗林 0 0 0 0 300 0.00
    农田和草地 0 7 0 484 9 98.37
    其他林地 0 0 0 5 495 61.57
    UA/(%) 100 99.40 0 96.80 99.00
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-07
  • 修回日期:  2023-05-10
  • 网络出版日期:  2023-08-31

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