一種紅樹林亞種分類的無人機(jī)高光譜遙感方法

紅樹林是生長在熱帶和亞熱帶地區(qū)，陸地和海洋交界的海岸潮間帶灘涂上生長的由木本植物組成的喬木和灌木林群落。紅樹林作為一種獨(dú)特的實(shí)地植被類型，為鳥類、魚類以及海洋生物提供了豐富的食物和良好的棲息環(huán)境，在抵御海洋自然災(zāi)害，維護(hù)海灣、河口生態(tài)環(huán)境，保護(hù)沿海實(shí)地多樣性方面具有不可替代的重要作用。

傳統(tǒng)的實(shí)地調(diào)查方法獲取紅樹林物種信費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且調(diào)查工作往往難以深入根系繁茂的紅樹林內(nèi)部。相比而言，遙感技術(shù)更加經(jīng)濟(jì)高效，能夠?qū)崿F(xiàn)多時(shí)相且空間連續(xù)監(jiān)測(cè)植被物種的構(gòu)成。目前，已有大量研究利用遙感技術(shù)對(duì)紅樹林物種進(jìn)行識(shí)別或分類，中等空間分辨率的多光譜遙感衛(wèi)星影像。

1 研究方法

1.1數(shù)據(jù)獲取

用無人機(jī)搭載納米高光譜成像儀獲取的南沙濕地公園高空間分辨率、高光譜分辨率影像，用作濕地公園局部區(qū)域的紅樹林亞種分類的源數(shù)據(jù)。

在南沙濕地公園內(nèi)，開展實(shí)地調(diào)查，詳細(xì)記錄紅樹林基本分布情況，作為紅樹林分類結(jié)果的對(duì)照。使用手持地物光譜儀獲取的南沙濕地公園實(shí)地采樣點(diǎn)位數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)作為采樣點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)庫。根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況，選擇一處紅樹林物種相對(duì)較多，環(huán)境影響較為復(fù)雜的典型區(qū)域，對(duì)該區(qū)域開展基于無人機(jī)高光譜影像的紅樹林樹種分類工作。

航高200ｍ，地面分辨率0.1ｍ，光譜分辨率2.23ｎｍ，覆蓋光譜范圍400～1000ｎｍ，包含有269個(gè)波段。實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)據(jù)格式為像素按行存儲(chǔ)（bandinterleavedbyline，BIL）。截取其大小為2000×2000像素的影像作為試驗(yàn)區(qū)（圖１）。南沙濕地公園共二期工程，選取一期進(jìn)行航飛，面積大約2ｋｍ２。影像主體部分位于一期中心，地物種類主要是蘆葦、木欖、秋茄、水黃皮、鐵冬青和水面。

1.2 波譜庫的建立和編輯

在實(shí)地調(diào)查中，在光照充足的情況下，采用手持光譜儀采集樹種的光譜曲線信息，考慮到其他植物、水體、土壤等周圍環(huán)境對(duì)光譜曲線的影響，同時(shí)采集周圍環(huán)境的光譜信息，為端元光譜提供參考。

根據(jù)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)該區(qū)域每一個(gè)樹種采集樣本，并將采集到的樹種樣本對(duì)應(yīng)到無人機(jī)影像中的對(duì)應(yīng)區(qū)域，作為各樹種的參考樣本，并以參考樣本的光譜作為參考在全幅影像上均勻地選取一定數(shù)量的端元，得到各樹種的候選端元集合，如圖2所示。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于水域不是本文關(guān)注重點(diǎn)，采用掩膜法手工去除塊圖中的水域部分。

由于無人機(jī)拍攝時(shí)環(huán)境條件存在差異、拍攝時(shí)機(jī)身的擺動(dòng)造成不同條帶光譜存在差異、條帶拼接時(shí)存在偏移等問題，對(duì)高光譜影像進(jìn)行預(yù)處理，包括亮度轉(zhuǎn)換，反射率校正，幾何校正，再使用遙感圖像處理系統(tǒng)的專業(yè)鑲嵌模塊對(duì)校正結(jié)果進(jìn)行拼接，根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)和影像各波段質(zhì)量情況，去除部分波段后得到試驗(yàn)區(qū)的完整塊圖。塊圖包含的波段信息如表１所示。

1.4 樹種分類技術(shù)方法

本實(shí)驗(yàn)用到了以下技術(shù)方法：

支持向量機(jī)是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。它通過解算最優(yōu)化問題，在高維特征空間中尋找最優(yōu)分類超平面，從而解決復(fù)雜數(shù)據(jù)的分類及回歸問題。支持向量機(jī)屬于一般化線性分類器，這種分類器的特點(diǎn)是他們能夠同時(shí)最小化經(jīng)驗(yàn)誤差與最大化幾何邊緣區(qū)，因此支持向量機(jī)也被稱為最大邊緣區(qū)分類器。

光譜解混。受高光譜成像儀空間分辨率限制，以及紅樹林區(qū)域樹種混雜原因，一個(gè)像元內(nèi)往往包含多個(gè)樹種，高光譜遙感圖像存在大量混合像元，對(duì)高光譜圖像的混合像元分解得到端元及豐度的過程，一般稱為像元的光譜解混。其中，端元代表圖像中存在的純物質(zhì)，豐度代表某個(gè)像素中的每個(gè)端元所點(diǎn)的百分比。

多端元線性混合光譜分解。混合像元是高光譜圖像目標(biāo)分類準(zhǔn)確率降低的主要原因之一，因此不能直接進(jìn)行基于像元的監(jiān)督分類。本文使用多端元線性混合光譜分解的方法，即光譜解混時(shí)對(duì)塊圖的每個(gè)像素進(jìn)行像素級(jí)分類，從而得到反映每個(gè)像素內(nèi)具有的樹種及其對(duì)應(yīng)的比例的豐度圖。該豐度圖得到了單個(gè)像素內(nèi)所具有的樹種及其對(duì)應(yīng)的比例，在亞像元級(jí)別反映各樹種的分布，更符合真實(shí)的樹種分布。在此基礎(chǔ)上，考慮每個(gè)像素的最大豐度樹種和相鄰像素的情況，處理形成最終合理的分類結(jié)果。

混淆矩陣算法?；煜仃囁惴ㄊ乾F(xiàn)在國際上比較通用的遙感影像分類精度評(píng)價(jià)方法，在圖像精度評(píng)價(jià)中，通過將每個(gè)實(shí)測(cè)像元的類別與分類成果圖像中的同一位置的像元類別相比較計(jì)算得到。

2實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

對(duì)于支持向量機(jī)分類部分，本文將端元光譜庫的樣本直接采用為監(jiān)督分類的樣本，具體包括蘆葦、木欖、秋茄、水黃皮、鐵冬青。再根據(jù)傳統(tǒng)的支持向量機(jī)分類模型對(duì)預(yù)處理后的塊圖執(zhí)行監(jiān)督分類，使用傳統(tǒng)的分類方法直接對(duì)每個(gè)像元賦予了樹種類別，得到支持向量機(jī)分類結(jié)果。分類結(jié)果如圖3所示。

由于傳統(tǒng)的分類方法直接對(duì)每個(gè)像元賦予特定的類別，但在紅樹林區(qū)域是不合理的。在前面的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過多端元線性混合光譜分解得到各樹種類別的豐度圖，再進(jìn)一步處理形成分類結(jié)果，如圖4所示。

在進(jìn)行精度評(píng)價(jià)前，本文根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況，制作了樹種總體分布概況示意圖（圖５），作為分類結(jié)果的對(duì)照。由于試驗(yàn)區(qū)紅樹林空間分布復(fù)雜，局部區(qū)域不存在只有單一植被的情況，且混雜程度不一，分布圖僅描繪了不同區(qū)域的優(yōu)勢(shì)樹種，不排除存在其他植被的可能性。因此，不能直接使用分布圖進(jìn)行精度評(píng)定。

考慮到分布圖的局限性，實(shí)驗(yàn)在充分參考樹種分布概況的前提下，根據(jù)紋理、色彩、大小、陰影等特征、直接在影像上采集樣本，作為像元類別實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，再分別統(tǒng)計(jì)支持向量機(jī)分類結(jié)果和解混分類結(jié)果，形成混淆矩陣，如表３、表４所示。

根據(jù)支持向量機(jī)分類結(jié)果和解混分類結(jié)的混淆矩陣，計(jì)算兩種分類方法的總體分類精度，結(jié)果如表５所示。

3實(shí)驗(yàn)分析

將分類結(jié)果與實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)比，除去個(gè)別區(qū)域植被繁雜、周圍環(huán)境干擾使產(chǎn)生的混合像元難以解混，以及“同物異譜”或“同譜異物”的現(xiàn)象存在，造成部分樹種分類與實(shí)際有出入之外，兩種分類結(jié)果總體上與實(shí)地調(diào)查中紅樹林樹種分布的情況基本一致。其中，支持向量機(jī)分類總體精度達(dá)到80.88％，光譜解混后分類精度進(jìn)一步達(dá)到83.93％。可以看到，在基于無人機(jī)高光譜影像的樹種識(shí)別中，解混和支持向量機(jī)方法都能較好地識(shí)別出紅樹林的樹種，總體精度都達(dá)到了80％以上。相比于支持向量機(jī)分類方法，在近水形成的紅樹林混交區(qū)域，解混方法在紅樹林混交區(qū)域總體上表現(xiàn)更好，能夠在一定程度上提高紅樹林的分類精度。

在本實(shí)驗(yàn)中，存在不少未能識(shí)別成功的區(qū)域，經(jīng)分析影像質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)域除了少數(shù)是其他植被之外，大部分為陰影、水體附近等影像特征信息較少的區(qū)域。光譜解混方法明顯提升了木欖、蘆葦、鐵冬青的分類精度，但在水黃皮、秋茄分類中不占優(yōu)勢(shì)，究其原因：①秋茄和水黃皮之間的波形及反射率值十分相近，在分類時(shí)容易錯(cuò)分；②秋茄本身植株矮小，光譜特征受其他植株影響較大，干擾光譜解混的豐度計(jì)算，影響最終分類。

4結(jié)束語

本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大量的紅樹林高光譜數(shù)據(jù)獲取和處理工作，積累了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1.紅樹林生長區(qū)域樹種空間混雜，混合像元眾多，為保證分類準(zhǔn)確性，樹種的光譜信息宜優(yōu)先實(shí)地采樣獲取。

2.對(duì)紅樹林樹種分類時(shí)不能直接根據(jù)像元?jiǎng)澐謽浞N，必須對(duì)像元進(jìn)行光譜解混，才能得到更接近于真實(shí)的分類結(jié)果。

3.高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分類不可忽視的重要前提條件。

4.高光譜影像具有超高的光譜分辨率，能夠反映出不同樹種間的光譜差異，為不同樹種分類提供可能，但仍有部分樹種間的光譜差異十分細(xì)微，它們的波形及反射率值都很相近，像元解混存在困難，容易造成錯(cuò)分，需要進(jìn)一步研究更有效的分類方法。

總的來說，像元解混是一項(xiàng)行之有效的技術(shù)方法，能夠明顯提高目標(biāo)分類精度，基于高光譜影像進(jìn)行樹種監(jiān)督分類的技術(shù)手段較為成熟，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

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審核編輯 黃昊宇