基于隨機(jī)森林的遙感影像雪冰云信息檢測方法

陳海洋孟令奎周 元

1廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州，510200

2武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢，430079

冬、春季我國黃河寧夏、內(nèi)蒙和山東河段極易形成不同程度的冰凌或雪冰災(zāi)害，造成國家和人民的重大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。借助遙感影像時(shí)間和空間分辨率的優(yōu)勢，快速高效地檢測黃河冰凌、雪災(zāi)范圍、冰雪覆蓋范圍、雪水當(dāng)量等信息對(duì)管理和預(yù)防雪冰災(zāi)害具有重大意義。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)遙感影像中雪冰的識(shí)別和監(jiān)測進(jìn)行了廣泛而深入的研究。任朝輝［2］依據(jù)海冰和海水灰度特征的差異性，采用決策樹算法檢測遙感影像中的海冰信息。丁海燕等［3］通過研究云雪的紋理特征，提出基于分形維數(shù)來自動(dòng)識(shí)別和檢測全色影像中的云雪的方法。楊成林 等［4］以MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）為數(shù)據(jù)源通過分析雪冰光譜反射特征，借助輻射亮溫和歸一化植被指數(shù)理論，總結(jié)出基于數(shù)據(jù)挖掘的海冰信息反演方法。李成蹊等［5］將高分一號(hào)遙感影像3個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)作為多個(gè)視圖，基于旋轉(zhuǎn)森林算法構(gòu)建面向多時(shí)相的識(shí)別模型，設(shè)計(jì)出檢測多時(shí)相影像數(shù)據(jù)的積雪算法。Parajka等［6］針對(duì)MODIS雪冰覆蓋產(chǎn)品，依據(jù)云層覆蓋像素是否位于雪線區(qū)域范圍內(nèi)，提出Sonw-l算法。關(guān)于影像中雪、冰、云及其中兩者的監(jiān)測已經(jīng)有很多，但對(duì)同時(shí)存在雪、冰、云信息的影像進(jìn)行分類識(shí)別和檢測研究甚少。本文采用優(yōu)化后的隨機(jī)森林（random forest，RF）算法，以海量遙感影像作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合冰凌、雪、云的灰度、紋理和邊緣特征，實(shí)現(xiàn)高分辨率光學(xué)遙感影像雪、冰、云信息的精確快速識(shí)別檢測。

1 RF算法原理

RF算法是Breiman［7］提出的基于多棵決策樹對(duì)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，并根據(jù)訓(xùn)練得到的模型對(duì)待測樣本類別進(jìn)行預(yù)測的一種監(jiān)督學(xué)習(xí)分類算法。研究表明，RF可以快速處理高維屬性數(shù)據(jù)集和海量遙感影像，尤其是高維數(shù)據(jù)分類中，具有泛化能力強(qiáng)、魯棒性好、速度快、精度高等優(yōu)勢［8-12］。因此，本文將其應(yīng)用在遙感影像中雪、冰、云信息的分類監(jiān)測中。RF算法分類流程如圖1所示。其主要步驟如下：

圖1 隨機(jī)森林分類流程圖Fig.Flow Chart of Random Forest Classification

1）采用bootstrap采樣。從原始樣本集中進(jìn)行有放回的重復(fù)隨機(jī)采樣，生成n個(gè)與原始樣本大小相同的樣本子集，從每個(gè)樣本子集中計(jì)算某個(gè)特征統(tǒng)計(jì)量的bootstrap分布。

2）構(gòu)造CART（classification and regression tree）決策樹。先從n個(gè)樣本子集的所有屬性中，隨機(jī)地挑選k個(gè)屬性特征，然后計(jì)算這k個(gè)屬性特征的Gini指數(shù)，哪個(gè)屬性特征的Gini指數(shù)最小，就將其作為節(jié)點(diǎn)的最佳分裂屬性，依次來構(gòu)造每棵決策樹。

3）生成隨機(jī)森林。重復(fù)上述的步驟1）、步驟2）m次，即重復(fù)m次Bootstrap采樣和節(jié)點(diǎn)分裂，則最終構(gòu)造了m棵CART決策樹，這些樹的集合即組建為隨機(jī)森林。

4）獲取分類結(jié)果。當(dāng)新的待測數(shù)據(jù)進(jìn)入隨機(jī)森林分類器中時(shí)，森林中每一棵CART決策樹分別進(jìn)行類別判斷，判定這個(gè)樣本應(yīng)該屬于哪一類，最終該新數(shù)據(jù)的類別由所有CART決策樹投票來決定，投票類別數(shù)多的則屬于此類別。

RF算法是基于多棵決策樹對(duì)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，并根據(jù)訓(xùn)練得到的模型，對(duì)未知待測樣本類別進(jìn)行預(yù)測的一種監(jiān)督學(xué)習(xí)分類算法［13］。相比單棵決策樹，RF無需進(jìn)行繁瑣的剪枝，避免了過擬合的弊端，并且抗噪性能好、魯棒性強(qiáng)，訓(xùn)練樣本選取的隨機(jī)性和節(jié)點(diǎn)分裂特征集合選取的隨機(jī)性，保證了RF具有很強(qiáng)的泛化能力。相比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)，RF算法具有較少的訓(xùn)練參數(shù)和訓(xùn)練時(shí)間，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，即使部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，也仍然可維持總體精度，且隨機(jī)森林訓(xùn)練完成后，可排序特征變量的重要程度。相比于一般分類算法，RF算法放回抽樣是隨機(jī)的，每個(gè)訓(xùn)練樣本是隨機(jī)的，每棵決策樹是隨機(jī)的，樹中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的特征屬性集合是隨機(jī)選取的，在泛化能力、魯棒性方面更加優(yōu)越，并且具有非線性處理能力。因此，本文選用RF算法作為雪、冰凌、云信息的檢測方法。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹

隨著我國遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星數(shù)目日益增多，如高分一號(hào)、高分二號(hào)、資源一號(hào)02C星、天繪一號(hào)等，其高空間分辨率的優(yōu)勢滿足實(shí)驗(yàn)中提取有效紋理特征的需求，此外衛(wèi)星影像的全色和 多光譜數(shù)據(jù)，保證檢測方 法的普適性［14，15］。考慮到我國冬春季黃河上游寧夏到內(nèi)蒙的河套段及下游在山東段的入?？?，容易形成冰凌，因此實(shí)驗(yàn)區(qū)選為黃河在寧夏、內(nèi)蒙段和山東境內(nèi)的河段，選取的影像時(shí)間為每年11月中旬至次年3月中旬包含冰凌信息的遙感影像。數(shù)據(jù)來源于水利部水利高分產(chǎn)品服務(wù)與分發(fā)子系統(tǒng)網(wǎng)站、天繪衛(wèi)星產(chǎn)品查詢系統(tǒng)網(wǎng)站、中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站、資源三號(hào)衛(wèi)星影像云服務(wù)平臺(tái)網(wǎng)站。實(shí)驗(yàn)所用影像數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息如表1所示。

表1 遙感影像信息Tab.1 Remote Sensing Image Information

本實(shí)驗(yàn)主要使用的多光譜影像快視圖尺寸約為1 200×1 200像素，全色影像快視圖尺寸約為2 500像素，為了提高實(shí)驗(yàn)效率，分別將多光譜和全色影像塊切分成16×16像素和32×32像素，如圖2所示。

圖2 多光譜和全色影像塊樣本Fig.2 Multi-spectral and Panchromatic Image Samples

2.2 雪冰云特征提取

由于雪冰云在影像中表現(xiàn)的多樣性及復(fù)雜性，本文選擇灰度特征、紋理特征和邊緣特征等多種特征組成多維特征矢量來全面描述雪冰云的特征，通過構(gòu)建特征組合生成隨機(jī)森林分類器所需的特征矢量組合。

灰度可簡單理解為是色彩的深淺程度，也可表征亮度的深淺，實(shí)驗(yàn)選取的雪冰云的灰度特征包括灰度平均值、灰度均方差、直方圖信息熵、平均梯度、一階差分。

紋理特征是一種全局特征，對(duì)噪聲具有較強(qiáng)抵抗能力，能刻畫出圖像區(qū)域所對(duì)應(yīng)景物表面的性質(zhì)特性，也具有旋轉(zhuǎn)不變的特性。本實(shí)驗(yàn)主要通過灰度共生矩陣和分形維數(shù)提取影像紋理特征。灰度共生矩陣能反映圖像灰度關(guān)于方向、相鄰間隔、變化幅度的綜合信息，在利用影像的紋理特征改善影像的地學(xué)目標(biāo)分類效果上具有明顯優(yōu)勢［14］。灰度共生矩陣主要通過研究灰度的空間相關(guān)特性來表征紋理特性，利用灰度共生矩陣得到的特征統(tǒng)計(jì)量包括對(duì)比度、能量、相關(guān)性、逆差矩、熵。分形維數(shù)可描述圖像的自相似特征和粗糙度，度量圖像表面不規(guī)則度，表征圖像紋理整體與局部的相似度。計(jì)算分形維數(shù)計(jì)算方式有很多種，本文采用實(shí)用性強(qiáng)的盒維數(shù)得到特征統(tǒng)計(jì)量。

僅通過灰度特征和紋理特征檢測影像上的雪、冰、云效果會(huì)較差，雪、冰的邊緣特征較明顯，邊緣灰度梯度變化較大，而一般地物的邊緣較模糊，邊緣灰度梯度變化較緩慢，因此可利用邊緣特性提高檢測精度。Canny邊緣檢測能較精確估算出圖像邊緣的強(qiáng)度、梯度方向，具有定位準(zhǔn)確、單邊響應(yīng)和信噪比高等優(yōu)勢［15］，可選用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測。

2.3 雪冰云二次檢測

實(shí)驗(yàn)檢測的是影像中的黃河冰凌和雪，由于雪和云在影像具有相似的特征，極其容易混淆，因此在檢測雪的同時(shí)也一并對(duì)云進(jìn)行檢測，以提高檢測雪的精度?？紤]到遙感影像中冰凌、雪、云與某些高亮地物存在“異物同譜”的現(xiàn)象，為了提高冰凌和雪的分類精度，將檢測影像雪、冰信息的實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段。

第一階段如圖3所示，主要是進(jìn)行RF模型訓(xùn)練，然后再進(jìn)行分類預(yù)測，其過程可大致分為以下幾個(gè)步驟：

圖3 雪冰云檢測流程圖Fig.3 Snow Ice Cloud Detection Flow Chart

1）選擇訓(xùn)練影像數(shù)據(jù)集。本文選用高分一號(hào)、高分二號(hào)、資源一號(hào)02C星、天繪一號(hào)衛(wèi)星影像快視圖，包括全色和多光譜影像。

2）挑選冰凌、雪、云和地物樣本。為提高分類檢測準(zhǔn)確度，選取的樣本要盡可能包含各個(gè)類別的各種不同類型特征，且單個(gè)樣本盡量只包含單個(gè)類別，減少后續(xù)實(shí)驗(yàn)提取特征的誤差。

3）裁剪樣本。將步驟2）選取的樣本裁剪成規(guī)則的正方形影像塊，用于訓(xùn)練隨機(jī)森林模型，從而極大降低了計(jì)算的復(fù)雜性。

4）特征提取。采用特征提取方法提取每個(gè)影像塊的灰度、紋理和邊緣特征，得到對(duì)應(yīng)的特征矩陣，通過對(duì)其所屬類別進(jìn)行標(biāo)記組成該樣本的特征矢量集。

5）訓(xùn)練隨機(jī)森林分類模型。根據(jù)步驟4）得出的樣本特征矢量集訓(xùn)練隨機(jī)森林模型分類器，得到用于區(qū)分影像中黃河冰凌、雪、云和地物的隨機(jī)森林分類模型。

6）檢測待分類影像。將待分類影像進(jìn)行切分，提取每個(gè)小影像塊的特征。根據(jù)步驟5）得到的隨機(jī)森林分類模型，以影像塊為基本單元對(duì)每一幅影像進(jìn)行檢測，初步得出影像上黃河冰凌、雪、云。

7）形態(tài)學(xué)操作。對(duì)步驟6）得到的結(jié)果進(jìn)行膨脹操作，將孤立區(qū)域連成一片，再進(jìn)行腐蝕操作，消除影像中冰凌、雪、云的“孤立”噪聲區(qū)域，得到影像中的冰凌、雪、云的分布區(qū)域。

8）邊緣分析。對(duì)合并后的各類別區(qū)域邊緣進(jìn)行分析，如果兩種類別區(qū)域范圍有相交的情況，將該相交區(qū)域劃分為范圍區(qū)域較大的那一方，并根據(jù)預(yù)設(shè)的先驗(yàn)知識(shí)規(guī)則，排除小于預(yù)設(shè)閾值的孤立小區(qū)域，如零星冰或只占幾個(gè)影像塊的冰區(qū)域。最終得到黃河冰凌、雪、云的初分類結(jié)果。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中冰凌、雪、云和有效區(qū)域地物之間的錯(cuò)檢，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，增加“二次檢測”流程來減少錯(cuò)檢。“二次檢測”指在第一次分類檢測結(jié)果基礎(chǔ)上，將錯(cuò)檢的冰凌、雪、云和地物區(qū)域與第一次的樣本一起作為訓(xùn)練樣本，通過影像切分、特征提取和隨機(jī)森林訓(xùn)練，得到冰凌、雪、云與地物的RF分類器模型，利用這3個(gè)分類器模型對(duì)影像中冰凌、雪和云信息進(jìn)行再次檢測。只有對(duì)影像塊第二次檢測結(jié)果和第一次檢測結(jié)果一致，才能判定它為冰凌、雪或云，否則均判定為地物。二次檢測實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。

圖4 二次檢測流程圖Fig.4 Secondary Detection Flow Chart

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及精度分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

RF中決策樹的數(shù)量Ntree和節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分裂特征子集候選特征數(shù)Mtry（即候選特征子集數(shù)）是影響RF模型分類性能和效率的主要因素［16］。本文設(shè)置決策樹最大數(shù)量Ntree為100，取候選特征子集數(shù)Mtry為1～8（本文實(shí)驗(yàn)特征維數(shù)最大值為8），對(duì)同一訓(xùn)練樣本反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到模型的OOB（out-ofbag）誤差和創(chuàng)建隨機(jī)森林模型所需時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。設(shè)置候選特征子集數(shù)Mtry為3，從小到大改變Ntree的取值，對(duì)同一訓(xùn)練樣本反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到一系列RF模型的OOB誤差和創(chuàng)建RF模型所需時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖5（a）可知，OOB誤差隨著Mtry的增大整體呈現(xiàn)減小趨勢，當(dāng)Mtry大于3時(shí)，OOB誤差趨于穩(wěn)定，在1%以下；由圖5（b）可知，創(chuàng)建模型時(shí)間隨著Mtry的增大而增大，增長幅度不大。因此可以得出，分類誤差對(duì)于參數(shù)Mtry的設(shè)置并不敏感。一般情況下，Mtry為特征維數(shù)的平方根時(shí)效果較好。由圖6（a）可知，OOB誤差隨著Ntree增大呈指數(shù)型下降，當(dāng)Ntree＞100時(shí)，OOB誤差穩(wěn)定在1%左右；由圖6（b）可知，隨著Ntree的增大，創(chuàng)建模型耗時(shí)也一直增大，且當(dāng)Ntree＞100時(shí)，構(gòu)建RF模型時(shí)間增長很多，此時(shí)的RF模型也會(huì)變得龐雜難懂。因此當(dāng)Ntree取值100時(shí)，RF的分類準(zhǔn)確率和運(yùn)算效率最優(yōu)。

圖5 Mtry與OOB誤差和模型創(chuàng)建時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship of Mtry and OOB Error and Model Creation Time

圖6 Ntree與OOB誤差和模型創(chuàng)建時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relationship of Ntree and OOB Error and Model Creation Time

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)，本文實(shí)驗(yàn)參數(shù)為決策樹最大數(shù)量為100，決策樹最大深度為50，最大聚類數(shù)為8，節(jié)點(diǎn)最小樣本數(shù)為10，節(jié)點(diǎn)分裂特征子集候選特征數(shù)為8，OOB終止誤差率為0.01。

3.2 優(yōu)化前后分類精度定性評(píng)價(jià)

使用RF算法檢測寧夏、內(nèi)蒙段和山東境內(nèi)河段的遙感影像冰凌、雪云（圖略），從優(yōu)化前后冰凌檢測結(jié)果可以看出，全色和多光譜影像經(jīng)過二次檢測后，冰凌的檢測結(jié)果更加精確，明顯減少了周圍白色高亮地物錯(cuò)檢為冰凌的區(qū)域。雪云邊緣輪廓更加準(zhǔn)確，減少了因形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算導(dǎo)致地物錯(cuò)檢為雪云的區(qū)域。因此可以得出，二次檢測結(jié)果精度比第一次檢測結(jié)果精度有較大的提升。

將目視判讀結(jié)果與本文分類檢測方法所得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，誤差在±10%以內(nèi)，則表示該景影像檢測結(jié)果合格，否則代表不合格。本文對(duì)優(yōu)化前后的檢測結(jié)果先進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，得到如表2所示的各衛(wèi)星一檢和二檢冰凌、雪、云分類檢測 精度。

表2 算法優(yōu)化前后檢測精度對(duì)比Tab.2 Comparison of Detection Accuracy Before and After Algorithm Optimization

一般當(dāng)分類檢測方法精度達(dá)到85%以上時(shí)，就可認(rèn)為此方法具備工程實(shí)踐應(yīng)用的價(jià)值。由表2可知，GF1和GF2影像第一次檢測的影像結(jié)果精度就達(dá)到了85%以上，說明本文基于隨機(jī)森林算法可有效地檢測出GF1和GF2影像上的冰凌、雪、云，具備實(shí)用意義；而“二次檢測”顯著提高了檢測精度，各衛(wèi)星影像檢測結(jié)果精度均超過了85%，其中精度最高的GF1影像檢測精度達(dá)到93.1%。同時(shí)，二次檢測相比于第一次檢測，檢測時(shí)間增加不到20%，說明經(jīng)過改進(jìn)優(yōu)化后的二次檢測方法檢測精度和效率均較高，可以在遙感影像災(zāi)害監(jiān)測、影像質(zhì)檢等方面使用。

3.3 優(yōu)化前后分類精度定量評(píng)價(jià)

以表2中GF1多光譜遙感影像檢測結(jié)果為例，對(duì)第一次檢測和優(yōu)化后的二次檢測結(jié)果使用總體分類精度和Kappa系數(shù)進(jìn)行定量的精度評(píng)價(jià)。表3為第一次分類檢測結(jié)果所得的混淆矩陣。由表3可知，優(yōu)化前檢測結(jié)果總體分類精度為87.10%，Kappa系數(shù)為0.7186，檢測效果較好。但也存在較多地物錯(cuò)檢為冰凌、雪、云的像元，各個(gè)類別之間的誤檢也較多，因此可在第一次隨機(jī)森林分類檢測方法基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

表4為第二次分類檢測結(jié)果所得的混淆矩陣。由表4可知，優(yōu)化后二次檢測的總體分類精度達(dá)到91.18%，Kappa系數(shù)達(dá)到了0.8以上，表明在第一次檢測結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化后，分類精度有了較大的提升。從表3和表4中的混淆矩陣可知，二次檢測后，各類別被正確分類的像元數(shù)均增多，地物誤檢為冰凌、雪、云的像元數(shù)減少，表明檢測的各類別區(qū)域與實(shí)際參考影像的各類別分布區(qū)域較吻合。因此可以得出結(jié)論，優(yōu)化后的二次檢測方法可有效提升冰凌、雪、云的檢測精度和效率。

通過對(duì)比表3和表4可知，優(yōu)化后的算法正確檢測地物的像素個(gè)數(shù)明顯提升，基本上類別錯(cuò)分情況明顯下降。重點(diǎn)分析表4可以看出，錯(cuò)分為雪的像素個(gè)數(shù)明顯高于錯(cuò)分為其他地物的個(gè)數(shù)，這主要由于地勢復(fù)雜，積雪厚度不同，海拔較高的地方，積雪厚，海拔較低的地方，積雪薄，并且地面積雪交錯(cuò)覆蓋，積雪呈塊狀不連續(xù)分布，與冰凌和云等分布不同，積雪分布更加多變，有些零碎分布，有些大片分布。對(duì)于小片零碎分布的較薄的雪，與地物相連較密切，容易將這類地物錯(cuò)分為雪。同時(shí)，對(duì)于平坦地面，當(dāng)積雪呈現(xiàn)大片分布，且厚度較薄時(shí)，易錯(cuò)分為薄云，當(dāng)積雪較厚，不管是大面積分布或是小面積分布，易錯(cuò)分為厚云。由于研究區(qū)域?yàn)辄S河，增加了雪冰同時(shí)存在的概率，兩者錯(cuò)分為另外一方的像素個(gè)數(shù)均較多。

表3 優(yōu)化前檢測結(jié)果混淆矩陣Tab.3 Pre-Optimization Detection Result Confusion Matrix

表4 優(yōu)化后的結(jié)果混淆矩陣Tab.4 Optimized Detection Result Confusion Matrix

4 結(jié)束語

本文建立有效區(qū)分影像中冰凌、雪、云的特征組合，采用RF算法檢測影像中的雪冰云信息，并對(duì)分類的各區(qū)域進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作，得到初步的分類檢測結(jié)果，針對(duì)第一次分類錯(cuò)檢結(jié)果，結(jié)合檢測樣本對(duì)分類檢測流程進(jìn)行優(yōu)化，增加對(duì)冰凌、雪、云的二次檢測。該算法實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感影像中冰凌、雪、云信息的自動(dòng)識(shí)別檢測，滿足自動(dòng)化、高精度、高效率監(jiān)測冰凌災(zāi)害和雪冰災(zāi)害監(jiān)測要求。本文仍然存在誤檢結(jié)果，因此可以考慮結(jié)合地形及河流區(qū)域等輔助信息進(jìn)一步提高檢測精度。