面向滇中高原湖泊區(qū)地表覆蓋遙感探測的分類精度對比研究

易達 李院瞧 楊宇

摘? 要： 遙感圖像分類是遙感信息提取的重要技術(shù)手段，目前已有多種遙感圖像分類方法運用在地表覆被分類中，而分類精度的提升是遙感數(shù)據(jù)處理及其應(yīng)用的核心所在。因此，針對具體研究區(qū)環(huán)境特性，并通過比較分析各種遙感圖像分類方法的精度狀況，成為了如何選擇最合適遙感應(yīng)用方法的根本依據(jù)。本文選取具有云南省滇中高原湖泊區(qū)域典型代表性的星云湖及周邊湖濱帶徑流區(qū)域為研究試驗區(qū)，通過采用監(jiān)督分類、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類和面向?qū)ο蠓诸惖热N遙感分類方法，開展研究區(qū)地表覆被類型的遙感圖像信息提取，并對三種方法所獲取結(jié)果的精度狀況進行對比分析研究。結(jié)果顯示，面向?qū)ο蠓椒ㄏ鄬ζ溆鄡煞N方法更適用于星云湖流域土地利用分類。研究結(jié)果對于推進面向云南滇中高原湖濱帶地表覆蓋信息的遙感快速提取與動態(tài)監(jiān)測具有現(xiàn)實科技指導(dǎo)作用，同時對研究云南滇中高原湖泊區(qū)域的資源環(huán)境利用與保護管理等具有重要的科學(xué)意義。

關(guān)鍵詞： 遙感監(jiān)測;地表覆蓋;分類技術(shù);精度評價;高原湖泊

中圖分類號： P237 ???文獻標(biāo)識碼： A??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.009

本文著錄格式：易達，李院瞧，楊宇. 面向滇中高原湖泊區(qū)地表覆蓋遙感探測的分類精度對比研究[J]. 軟件，2020，41（07）：45-50

Comparison of Accuracy of Land Cover Classification by RemoteSensing Monitoring Methods in Yunnan Plataea Lake Area

YI Da¹， LI Yuan-qiao²， YANG Yu³

（1. Oxbridge College， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650106， China;2. Yunnan Honghe Hydropower Survey and Design Institute， Kunming 650200， China;3. Faculty of Land Resources Engineering， Honghe 661100， China）

【Abstract】： Remote sensing classification is an important technology used for the extraction of information， there are varieties of remote sensing methods used in the classification， accuracy is the represent of the effect of classification which makes the improvement of accuracy become the core of remote sensing data processing and applications. Therefore， the analyst of accuracy by comparing the different classification methods in the specific study area has become the fundamental basis of remote sensing application. The typical representative area of Central Yunnan Plateau lakes region， Xing Yun lake and the runoff area were selected as study area in this paper. Three methods of unsupervised classification， BP neural network classification and object-oriented classification were used for the extraction of land cover information in remote sensing image， and comparing the three classification methods by accuracy evaluation. The results show that the object-oriented method is more suitable for land use classification in the Xingyun Lake Basin than the other two methods. There is practical guidance for the results in promoting quickly extraction and dynamic monitoring of land cover information， and important scientific significance for the study of resource and environment management， utilization and protection in Central Yunnan plateau lake.

【Key words】： Remote sensing monitoring; Land cover; Classification technology; Accuracy evaluation; Plateau lakes

0? 引言

通過遙感圖像識別各種地面目標(biāo)是遙感技術(shù)發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)，無論是專題信息提取、動態(tài)變化監(jiān)測、專題制圖、還是遙感數(shù)據(jù)庫建設(shè)等都離不開遙感圖像分類技術(shù)^[1]。而我們所觀察到的地球表面生物物理覆蓋情況叫做地表覆蓋，它是由各種自然形成和人為建造所組成地表覆蓋的模式。遙感圖像分類實際上是將圖像中每個像元點或每塊區(qū)域根據(jù)其在不同譜段的光譜特征、空間結(jié)構(gòu)特征或其他信息，按照某種規(guī)劃分為不同類別^[2]。

最初的遙感圖像分類方法是通過目視解譯來實現(xiàn)的，即主要是根據(jù)人的經(jīng)驗和知識，通過解譯基本要素和具體解譯標(biāo)志來識別地物類型^[3]。如從遙感數(shù)據(jù)中提取土地利用信息的常見方法就是通過可視化解譯來實現(xiàn)的，但因可視化解譯受限于單一波段或三色合成波段，所以解譯過程往往具有強烈主觀性^[4]。利用計算機進行自動解譯方面，圍繞不同遙感監(jiān)測分類方法精度對比分析研究，張成才（2008）以昭平臺水庫為例，對比了監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類在提取不同地物信息中的精度，得到了最大似然法在此次分析中精度最優(yōu)^[5]。尹作霞，杜培軍（2007）運用面向?qū)ο髨D像分析理論與方法進行高光譜遙感圖像分類，在精度評價上得到傳統(tǒng)的分類方法較面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ň纫停绕潴w現(xiàn)在對陰影和水體的區(qū)分上，水體正確分類率達100%^[6]。此外，麥格，童新華應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行了石漠化遙感圖像分類，對比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法、ISODATA分類法、最大似然法，提出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法在石漠化信息的遙感分類精度上比傳統(tǒng)監(jiān)督和非監(jiān)督分類精度高^[7]。Arnon Karnieli以以色列的內(nèi)蓋夫為例，探究得到使用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法較單一使用其中一種方法精度更高的產(chǎn)品，同時使用基于專家知識以及輔助GIS數(shù)據(jù)的DSS更新地圖數(shù)據(jù)時，能夠明顯提升5%-10%的分類精度^[8]。

為了支撐星云湖高原湖泊區(qū)域環(huán)境演變綜合研究，借鑒有關(guān)地表覆蓋遙感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究成果，基于遙感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用以快速有效地獲取研究區(qū)地表覆蓋分類狀況成為必然選擇，為此首先需要確定的是科學(xué)有效且可行的遙感分類技術(shù)方法，由此明確了此次探討的主要研究工作是進行不同遙感分類監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的多方案試驗分析與精度比較研究。研究中將選擇具有滇中高原湖泊區(qū)域特色代表性的星云湖及湖濱帶為試驗區(qū)，選取遙感圖像分類中傳統(tǒng)監(jiān)督分類和發(fā)展后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類和面向?qū)ο蠓诸惾N分類方法，主要針對湖泊水體及其周邊湖濱帶不同地表覆蓋信息，開展遙感監(jiān)測分類技術(shù)應(yīng)用，對比不同方法得到的分類精度，從而分析得出面向云南高原湖泊區(qū)域的科學(xué)適用的地表覆蓋分類技術(shù)，為該區(qū)域的土地資源利用現(xiàn)狀調(diào)查、土地利用變化監(jiān)測、水資源宏觀監(jiān)測、土地開發(fā)及保護等資源環(huán)境監(jiān)測與管理方面提供技術(shù)方法體系支撐。

具體確定了本次研究的目標(biāo)為：（1）開展研究區(qū)的遙感圖像預(yù)處理，分別采用監(jiān)督分類、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類和面向?qū)ο蠓诸惖燃夹g(shù)處理，對研究區(qū)地表覆蓋進行遙感分類技術(shù)進行精度評估;（2）對所處理圖像創(chuàng)建混淆矩陣并計算精度指標(biāo)，比較評定不同分類方法得到的精度狀況，推薦優(yōu)選可行、可靠的面向滇中高原湖泊區(qū)域地表覆蓋的遙感監(jiān)測分類技術(shù)方法。

1 ?研究區(qū)概況

星云湖地理位置為東經(jīng)102°45′～102°48′，北緯24°17′～24°23′，是云南滇中的典型高原湖泊之一，本次研究選取地表覆被類型豐富的星云湖周邊部分徑流區(qū)域作為研究區(qū)。

調(diào)查資料表明，星云湖周圍徑流區(qū)的土壤主要是由石灰?guī)r、砂巖、玄武巖等發(fā)育而成的紅壤，還有棕壤和非地帶性的石灰土和紫色土。在這些土壤上孕育著云南松、華山松、柏木、旱冬瓜和以櫟類為主的常綠闊葉林。研究區(qū)位置及遙感圖像如圖1所示。

2 ?地表覆蓋分類體系與精度評價方法確定

2.1? 地表覆蓋分類體系

為了開展研究區(qū)的遙感分類技術(shù)研究，首先需要明確有利于遙感監(jiān)測的地表覆蓋類型的分類體系。為此，分析對比各種地表覆蓋類型體系后，鑒于安德森分類系統(tǒng)主要針對遙感監(jiān)測技術(shù)專門設(shè)計，即只有土地利用和地表覆蓋類型能被遙感所識別才適合于使用這套系統(tǒng)，因此，本研究確定采用了國際通用的安德森分類系統(tǒng)的第一層次。具體在這項研究中使用的6個級別的不同的土地利用和地表覆蓋類型整理如表1。

2.2 ?精度評定方法

為了比較分析各種分類方法的應(yīng)用效果，明確選擇哪一類方法應(yīng)用更精確時，首先需要確定分類結(jié)果屬性正確性的精度評價方法。目前常使用構(gòu)建混淆矩陣作為地表覆蓋分類后處理的重要精度評價方法之一^[9]，具體又通過總體精度或Kappa統(tǒng)計量來判斷分類精度水平。

一般地，混淆矩陣構(gòu)建是以表格的形式呈現(xiàn)，混淆矩陣對角線上的元素值越大，表示分類結(jié)果的可靠性越高，反之則分類錯誤的現(xiàn)象嚴(yán)重?；诨煜仃嚇?gòu)建中的總體精度和Kappa系數(shù)定義如下：

式中：n為總的像元數(shù)量;為i類別正確分類像元數(shù)量;為參考數(shù)據(jù)中i類別的總像元數(shù);為所要評價的土地覆蓋分類數(shù)據(jù)i類別的總像 元數(shù)。

當(dāng)K值為0時，表示只存在隨機一致性，當(dāng)K值為1時，表示在人或測量工具之間完全一致性，若介于0和1之間則只有粗略的分別。表2是對Kappa在0和1之間的區(qū)分分類以及相應(yīng)的一致性高低的解釋。

3 ?地表覆被遙感探測分類技術(shù)應(yīng)用

3.1? 不同遙感分類方法選取

監(jiān)督分類方法是遙感分類技術(shù)發(fā)展最早且應(yīng)用最為廣泛的傳統(tǒng)經(jīng)典分類方法。其技術(shù)核心是在分類之前通過人們的實地抽樣調(diào)查，或配合人工目視判讀，對遙感圖像上某些抽樣區(qū)中圖像地物的類別屬性獲得先驗的知識，然后利用計算機按照這些已知類別的特征去“訓(xùn)練”判決函數(shù)，以此判別并歸類處理以完成對整個圖像的分類^[11]。

面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)以圖斑作為分類的處理對象，圖斑包含的語義信息比單個像元更加豐富，不僅包含光譜信息，還包括多種特征如形狀、大小、紋理、位置等信息^[12]。目前的已有研究成果表明，由于該方法中，面向圖斑對象綜合利用了遙感圖像的光譜、形狀、紋理等信息，因此使得其分類效果更為客觀與精確可靠^[13]。

近年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于遙感圖像分類，分類精度也明顯得到了提升^[14]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用非線性可微分函數(shù)進行權(quán)值訓(xùn)練的多層網(wǎng)絡(luò)，包括輸入層、中間層和輸出層，它具有收斂速度快和自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能強的特點，能最大限度地利用樣本集的先驗知識，自動提取合理的模型，因此BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的精度^[15]。

3.2? 圖像預(yù)處理與監(jiān)督分類技術(shù)應(yīng)用

圖像數(shù)據(jù)選自于包含星云湖流域的地帶，遙感探測成像于2014年2月5日的Landsat TM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。為了便于分類技術(shù)處理研究，首先對遙感圖像進行幾何精校正，并結(jié)合研究區(qū)地表覆蓋圖像特性進行了有關(guān)預(yù)處理，使得地表覆蓋類型輪廓更加明顯，從而利于按照安德森土地利用分類（表1）標(biāo)準(zhǔn)體系進行進一步光譜分析。

在傳統(tǒng)方法技術(shù)中，選擇了監(jiān)督分類中分類錯誤最小、精度最高的最大似然法。根據(jù)不同地物在TM圖像上表現(xiàn)出的不同顏色、亮度和光譜建立解譯標(biāo)志，并以此劃出訓(xùn)練區(qū)。采用了所有地表覆蓋類型訓(xùn)練樣本的樣本像元對圖像分類。分類后為提高精度，對圖像進行圖斑融合、相同屬性歸并、過濾處理等分類后處理。

3.3 ?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)分兩步完成，即正向傳播和反向傳播。本文選擇基于光譜特征的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法。研究中選擇ENVI5.1為平臺，并首先對遙感圖像進行預(yù)處理，即對其做光譜增強、降噪、去條帶、幾何、輻射校正等處理。具體對BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各參數(shù)設(shè)置如下：初始權(quán)值a=0.1，學(xué)習(xí)速率因子η=0.9，動量因子a=0.01，給定網(wǎng)絡(luò)全局誤差E=0.01，經(jīng)過了≤1000次的學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)模型收斂，獲得較好的分類結(jié)果。將上述訓(xùn)練參數(shù)對研究區(qū)的訓(xùn)練樣本進行BP 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。從中推斷出，所構(gòu)建的基于光譜數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和各相關(guān)參數(shù)設(shè)定較為合理，可以進行快速有效的 BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，并能夠得到較準(zhǔn)確的分類結(jié)果。

研究中對于面向?qū)ο蠓椒夹g(shù)處理采用了ENVI5.1中基于樣本的分類方法進行。具體運用ENVI5.0EX模塊作為數(shù)據(jù)處理平臺，分割閾值設(shè)為30，合并分塊閾值設(shè)為70，以表1作為地表覆蓋分類依據(jù)，選取具有典型性和代表性的訓(xùn)練樣區(qū)，最終得到6種類型的圖像分布。即分類過程中需要嘗試幾種不同的分割參數(shù)，分別選擇分割尺度50，聚合尺度50;分割尺度40，聚合尺度60;分割尺度30，聚合尺度70。具體效果如下圖2所示。

可以看出，當(dāng)分割尺度為最小30時，地物斑塊較為零碎，但各地物分割較為準(zhǔn)確;同時將聚合尺度參數(shù)調(diào)高至70，使得細小零碎斑塊與相近光譜值的斑塊合并，分類結(jié)果更為合理。最后確定分割尺度參數(shù)為30，聚合尺度參數(shù)為70。

4 ?遙感監(jiān)測分類結(jié)果精度對比分析

4.1 ?目視解析比較分析

通過最大似然法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和面向?qū)ο蠓诸惒⑦M行分類后處理所得到的研究區(qū)地表覆蓋遙感分類監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。此外，為進一步在遙感圖像中反映出三種分類方法產(chǎn)生的差別，選取地物類型較為全面的區(qū)域并對該區(qū)域進行了局部放大，如圖4所示。

通過以上對比圖可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)督分類以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法存在零碎圖斑過多、分類不準(zhǔn)確

圖2? 不同尺度下分割示意圖：（A） 543波段組合原始圖像;（B）分割尺度50，聚合尺度50;（C）分割尺度40，聚合尺度60;（D）分割尺度30，聚合尺度70的情況，而相較之，面向?qū)ο蟮膱D斑規(guī)整性良好;在監(jiān)督分類中，存在明顯的錯分、漏分現(xiàn)象（紅框部分）。而面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄓ捎诓捎煤侠淼膶ο蠓指詈秃喜⒊叨?，在最終的處理結(jié)果畫面干凈程度以及準(zhǔn)確度上都有更好的表現(xiàn)。

4.2 ?統(tǒng)計評價對比分析

為了比較分析各種分類方法的應(yīng)用效果，以明確選擇哪一類方法應(yīng)用更精確時，本文還使用了通過分類器產(chǎn)生的混淆矩陣來進行整體精度或Kappa統(tǒng)計量判斷的統(tǒng)計評價分析。研究中，分別針對最大似然分類、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和面向?qū)ο笕N不同分類技術(shù)方法的分類結(jié)果進行混淆矩陣構(gòu)建與精度統(tǒng)計檢驗，結(jié)果整理如表3、4、5所列。

基于監(jiān)督分類、面向?qū)ο笈cBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的誤差混淆矩陣對比得出了三種不同分類技術(shù)應(yīng)用的分類結(jié)果精度狀況為：（1）監(jiān)督分類總體精度83.46%，整體卡巴統(tǒng)計量0.79;（2）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類總體精度88.97%，整體卡巴統(tǒng)計量0.86;（3）面向?qū)ο蠓诸惪傮w精度91.45%，整體卡巴統(tǒng)計量0.8879。

通過對比分析還可以較為直觀地得出：在研究區(qū)中采用的基于監(jiān)督分類、面向?qū)ο笈cBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等三種地表覆被遙感監(jiān)測分類技術(shù)方法應(yīng)用中，面向?qū)ο蠛虰P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法的分類精度總體都比傳統(tǒng)的監(jiān)督分類方法精度有較大提高，且面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄏ啾容^于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法而言，其分類精度效果更好，但是由于研究區(qū)較小，分類精度提升較小。

5 ?結(jié)論

以星云湖流域為研究區(qū)，基于研究區(qū)的TM遙感圖像，分別采用最大似然法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與面向?qū)ο蟮热N不同的遙感監(jiān)測分類技術(shù)方法，針對研究區(qū)地表覆蓋狀況進行遙感分類技術(shù)應(yīng)用試驗分析研究，初步可得到以下結(jié)果：

（1）監(jiān)督分類中的最大似然法這種傳統(tǒng)的分類方式，在解譯過程中需要對研究區(qū)地表覆蓋情況有充分了解，當(dāng)對大型的、復(fù)雜的以及地表多樣性的地區(qū)缺乏認知時，這種方法呈現(xiàn)出較大的局限性，需要與其他方法結(jié)合進行混合分類，從解譯圖中也可清晰的識別出，對于同譜異物這種狀況，監(jiān)督分類誤差很大，難以精確運用;

（2）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法由于在分類初期就 需要對樣本進行多次網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，因此，相對于最大似然法這種傳統(tǒng)的分類方法，該技術(shù)應(yīng)用結(jié)果可以較好地提升分類精度;

（3）相對而言，面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄒ虿煌趥鹘y(tǒng)基于像元的識別模式與自下而上分類歸并機制，很大程度上規(guī)避了訓(xùn)練樣本的個體誤差，因而也可使分類精度得到較好提高。此外需要特別指出的是，在本研究區(qū)中，使用面向分類的技術(shù)總體可以明顯提升分類精度，但是在光譜特征區(qū)別較為明顯的區(qū)域，精度提升程度的優(yōu)勢并不明顯。

總之，在本研究面向滇中高原湖泊區(qū)域地表覆蓋遙感監(jiān)測分類技術(shù)應(yīng)用試驗中，總體上，從遙感分類解譯精度評價中可以得出，面向?qū)ο蠛虰P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類方法精度較為接近，原因在于研究區(qū)的地物類別光譜特征較為明顯，除去草地與林地以及旱地的同譜異物現(xiàn)象外，各地物之間的區(qū)別較大，

容易區(qū)分，因此分類精度較高，效果較好。而在一般應(yīng)用中，對于分類技術(shù)方法的選擇與使用，仍然有待針對不同的研究區(qū)域具體地表覆蓋狀況的復(fù)雜性，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H狀況進行深化分析研究以確定。

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