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        基于決策樹的洪河自然保護(hù)區(qū)遙感影像分類研究

        2014-03-13 09:23:56劉航林峰周艷
        經(jīng)緯天地 2014年4期
        關(guān)鍵詞:洪河決策樹自然保護(hù)區(qū)

        □ 劉航 林峰 周艷

        (國家測繪地理信息局黑龍江基礎(chǔ)地理信息中心,黑龍江哈爾濱150081)

        基于決策樹的洪河自然保護(hù)區(qū)遙感影像分類研究

        □ 劉航 林峰 周艷

        (國家測繪地理信息局黑龍江基礎(chǔ)地理信息中心,黑龍江哈爾濱150081)

        本文以黑龍江國家級洪河自然保護(hù)區(qū)濕地為研究區(qū)域,探討了提取濕地基礎(chǔ)信息的方法。采用Landsat-5TM遙感影像數(shù)據(jù),在已選擇的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)中,使用分類回歸樹(CART)算法挖掘分類規(guī)則,將遙感影像的光譜特征、地學(xué)輔助數(shù)據(jù)和紋理特征等進(jìn)行綜合考慮分析,并建立保護(hù)區(qū)濕地信息提取的決策樹模型。結(jié)合在野外實測GPS樣本點的基礎(chǔ)上,對分類結(jié)果進(jìn)行精度驗證,并與傳統(tǒng)的最大似然監(jiān)督分類方法(MLC)進(jìn)行比較分析。在研究成果中得到,總精度和Kappa系數(shù)在基于CART的決策樹分類方法結(jié)果中分別為82.14%和0.76,分類精度與MLC監(jiān)督分類方法相比較有明顯的提高,得到較好的分類效果。

        遙感影像;決策樹分類;濕地;信息提取;CART算法

        引言

        遙感技術(shù)領(lǐng)域的研究中遙感影像的分類是非常重要的一個組成部分。概率統(tǒng)計的模式識別分類方法是傳統(tǒng)的遙感影像分類方法,但是在依靠地物光譜特征進(jìn)行分類過程中存在“同物異譜”和“異物同譜”現(xiàn)象,就會容易導(dǎo)致錯分、漏分,從而會導(dǎo)致降低分類結(jié)果精度[1-3、8]。當(dāng)前多光譜遙感影像自身具有大量信息,例如地物的紋理特征和幾何知識以及地物間鄰近關(guān)系等。在相關(guān)的研究結(jié)果中,結(jié)合影像的光譜信息、紋理信息和其他地學(xué)輔助信息等可以對影像的分類精度結(jié)果有很大提高。本文主要采用了分類回歸樹的類方法,把影像的紋理、光譜和輔助地學(xué)這三種特征作為決策樹的測試變量,對洪河國家級自然保護(hù)區(qū)濕地2010年Landsat-5TM影像進(jìn)行分類,把分類結(jié)果與我們傳統(tǒng)的最大似然法分類結(jié)果進(jìn)行比對。探索基于CART算法的決策樹分類方法在濕地基礎(chǔ)地物信息分類方面的優(yōu)勢。

        1.研究區(qū)域與方法

        1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

        黑龍江洪河國家級自然保護(hù)區(qū)位于黑龍江省三江平原腹地,坐落在同江市與撫遠(yuǎn)縣境內(nèi),被三個國營農(nóng)場所包圍,保護(hù)區(qū)東南部為前鋒農(nóng)場,西北部為鴨綠河農(nóng)場,西南部為洪河農(nóng)場,被濃江中游、沃綠蘭河所環(huán)繞。其地理坐標(biāo)為東經(jīng)133°33′19′-133°47′35′,北緯47°41′58′-47°52′03′,總面積為21835.7公頃,地質(zhì)構(gòu)造屬于中生代同江內(nèi)陸斷陷的次級單位。撫遠(yuǎn)凹陷的中部西南部分,因為受構(gòu)造區(qū)長期的下降影響,使得保護(hù)區(qū)內(nèi)兩條河的分水線、河間階地發(fā)育特別明顯,河漫灘也特別的廣闊。保護(hù)區(qū)地勢相對平坦,由西南向東北表現(xiàn)微傾斜,西南端海拔高度為54.5m,東北處海拔51.5m,相對高度差為3m,地面坡降為1/5000-1/10000。

        本研究區(qū)域所選取能夠覆蓋洪河自然保護(hù)區(qū)分辨率為30m,2010年Landsat-5TM遙感影像的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在幾何校正過程中,參考數(shù)據(jù)使用1∶5萬地形圖作為參考,糾正方法為二次多項式方法,校正后誤差不大于0.5個像元。因為研究區(qū)域范圍已經(jīng)超出單幅TM影像的覆蓋范圍,需要對影像進(jìn)行鑲嵌與裁剪。首先選用直方圖匹配法實現(xiàn)兩幅圖像的亮度值匹配,然后洪河國家級自然保護(hù)區(qū)濕地的矢量邊界數(shù)據(jù)對影像進(jìn)行裁剪。

        1.2 實地考察

        分別于2012年6月和2013年8月對洪河自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行了實地考察,利用GPS定位,在保護(hù)區(qū)內(nèi)選取了100個測試樣本進(jìn)行數(shù)碼拍照,用于實驗室內(nèi)分類精度的驗證。同時考察了保護(hù)區(qū)內(nèi)的實際覆被類型分布情況,并結(jié)合保護(hù)區(qū)實際狀況本文將保護(hù)區(qū)劃分為:沼澤、林地、耕地、草甸4種土地覆被類型。

        2.研究方法

        2.1 分類回歸樹

        決策樹(Decision tree)是通過對訓(xùn)練樣本進(jìn)行歸納學(xué)習(xí)生成決策樹或決策規(guī)則,然后用決策樹或決策規(guī)則對新數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的一種數(shù)學(xué)方法[1]。在決策樹的樹狀圖中,某屬性的測試在其內(nèi)部對應(yīng)一個結(jié)點(Internal Node),此屬性的一個可能值或多個可能值的集合組成決策樹下的每個分支(Branch),每個樹葉結(jié)點對應(yīng)的是一個目標(biāo)類別(Target Class)。Breiman在1984年提出的分類回歸樹是一種比較成熟的決策樹構(gòu)建方法。它的基本原理是:通過對由測試變量和目標(biāo)變量構(gòu)成的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的循環(huán)二分形成二叉樹形式的決策樹結(jié)構(gòu)。這種算法既可用于分類又可用于連續(xù)變量的預(yù)測,當(dāng)目標(biāo)變量為離散值時稱為分類樹,當(dāng)目標(biāo)變量為連續(xù)值時稱為回歸樹。在遙感分類過程中,目標(biāo)變量是地物類型值,測試變量為所利用的分類特征。該算法的優(yōu)點為:結(jié)構(gòu)清晰,易于理解,實現(xiàn)簡單,運(yùn)行速度快,準(zhǔn)確性高,可有效地處理大量高維數(shù)據(jù)和非線性關(guān)系;對輸入數(shù)據(jù)無任何統(tǒng)計分布要求,輸入數(shù)據(jù)可以是連續(xù)變量也可以是離散值;包容數(shù)據(jù)缺失和錯誤,可給出測試變量的重要性[4,5]。

        2.2 訓(xùn)練樣本選取

        在影像分類過程中,分類精度結(jié)果的好與壞和訓(xùn)練樣本如何選取有很大的關(guān)系。為了更好的影像判讀,我們經(jīng)過實驗,用4、3、2波段進(jìn)行組合(圖1),能夠更好的區(qū)分遙感影像中的林地、草甸、耕地、沼澤四種類型。利用ENVI 5.0軟件畫出ROI范圍??偣策x取了近350個訓(xùn)練樣本來分析保護(hù)區(qū)中地物的紋理信息和光譜信息。

        圖1 基于TM 4、3、2波段洪河自然保護(hù)區(qū)假彩色影像

        2.3 測試變量的選取

        采用CART算法進(jìn)行計算分析訓(xùn)練樣本,第一主成分PCA1;TM影像的6個波段灰度值作為測試變量;纓帽變換后的綠度指數(shù)、濕度指數(shù)和亮度指數(shù)。根據(jù)8個紋理特征值,選用33為紋理特征窗口,0為移動方向,1為移動步長,共選取18個測試變量,離散變量定義為坡向,其他的變量均定義為連續(xù)變量。采用ENVI5.0CART的算法補(bǔ)丁已經(jīng)決策樹的分類[6-7,11],這種算法已經(jīng)通過了自動閾值的處理,得到了最優(yōu)的二叉樹(如圖2所示)。為了和CART分類精度比對,本文運(yùn)用了監(jiān)督分類的最大似然飯對紅河自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行分類。最后得到的分類結(jié)果(如圖3、4所示)。

        圖2 決策樹的生成

        圖3 決策樹分類結(jié)果

        圖4 最大似然法分類結(jié)果

        3.精度評價

        本文對MLC和CART兩種方法進(jìn)行精度評價,包括KAPPA系數(shù)還有總體精度,本文參考了外業(yè)實測的GPS樣本點,高分影像和1∶5萬地形圖,獲取了120個驗證樣本。

        表1 決策樹分類與監(jiān)督分類兩種方法的總體精度及Kappa系數(shù)比較

        4.結(jié)論

        通過以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)采用CART決策樹分類要比最大似然法要好很多。利用灰度共生矩陣提取的影像紋理信息以及加入的NDVI,也可以幫助我們能更好的提高決策樹分類的精度。但是本研究也存在了一些不足之處,比如對陰影的處理可以放在分類之前進(jìn)行會更好些,如果能更好的完成對決策樹的修剪工作,就可以避免產(chǎn)生過度分類的情況發(fā)生。此外,如何利用其它特征構(gòu)建決策樹進(jìn)行分類,提高分類精度,是后續(xù)需要解決的問題。

        【1】申文明,王文杰,羅海江等.基于決策樹分類技術(shù)的遙感影像分類方法[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2007,22(3):333-338.

        【2】劉勇洪,牛錚,王長耀.基于MODIS數(shù)據(jù)的決策樹分類方法研究與應(yīng)用[J].遙感學(xué)報,2005,9(4):405-412.

        【3】李爽,丁圣彥,錢樂祥.決策樹分類法及其在土地覆蓋分類中的應(yīng)用[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2002,17(1):6-11.

        【4】BreimanL,F(xiàn)riedmanJH,OlshenRA,etal.ClassificationandRegressionTrees[M].Monterey,California,U.S.A.WadsworthnternationalGroup,1984.

        【5】YohannesY,HoddinottJ.ClassificationandRegressionTree:AnIntroduction[M].Washington,D. C.,U.S.A.:InternationalFoodPolicyResearchInstitute,1999.

        【6】翁中銀,何政偉,于歡.基于決策樹分類的地表覆蓋遙感信息提取[J].

        地理空間信息,2012,10(2):110-112.

        【7】李楊,江南,呂恒等.基于水稻特征波段的決策樹分類研究[J].地理與地理信息科學(xué),2010,26(2):11-14.

        【8】賈坤,李強(qiáng)子,田亦陳等.遙感影像分類方法研究進(jìn)展[J].SpectroscopyandSpectral Analysis,2011.

        【9】楊曦光,黃海軍,嚴(yán)立文等.基于決策樹方法的海島土地利用分類研究[J]國土資源遙感,2012,24(2):116-120.

        【10】齊樂,岳彩榮.基于CART決策樹方法的遙感影像分類[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2011,36(2): 62-66.

        【11】張樹清,于歡.基于QUEST決策樹兼容多源數(shù)據(jù)的淡水沼澤濕地信息提取[J].生態(tài)學(xué)雜志,2009,28(2):357-365.

        【12】王柳,段英.利用遙感影像進(jìn)行植被分布分析[J].測繪與空間地理信息,2012,35(3):140-142.

        劉航(1982年——),女,黑龍江牡丹江人,工程師,碩士,2009年畢業(yè)于哈爾濱師范大學(xué)自然地理學(xué)專業(yè),主要從事遙感影像的應(yīng)用研究工作。

        P237

        B

        2095-7319(2014)04-0080-04

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