基于SNIC-CNN-SVM模型的京津風(fēng)沙源二期工程區(qū)土地利用/土地覆蓋遙感識別研究

李長龍,李增元,高志海,孫 斌,*,王絲絲

1 廣州商學(xué)院信息技術(shù)與工程學(xué)院, 廣州 511363 2 中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所, 北京 100091 3 國家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 4 國家遙感中心, 北京 100084

土地覆被信息不僅是單一地表類型的表達(dá),而且體現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境和人類活動等自然和非自然屬性的綜合特征[1]。因此,不同的土地覆蓋類型代表著地球表面豐富多樣的生態(tài)系統(tǒng)和自然人文景觀,它是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部長期動態(tài)演變的積累,也是量變到質(zhì)變的外部反映[2—3]。通過對土地覆被長時(shí)間序列變化研究能夠分析不同生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部生物和非生物的綜合生態(tài)效應(yīng),從而掌握生態(tài)系統(tǒng)的長期演變規(guī)律,為全球氣候變化及其人類活動影響等提供重要信息支撐[4—6]。

隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是深度學(xué)習(xí)算法的不斷優(yōu)化,依靠遙感技術(shù)自動半自動地提取土地覆被信息已然成為當(dāng)前的重要手段[7—9]。近年來,在國家和區(qū)域尺度,部分學(xué)者研發(fā)了多套地表覆蓋遙感產(chǎn)品,例如劉良云團(tuán)隊(duì)GLC_FCS30[10]、宮鵬團(tuán)隊(duì)FROM_GLC30[11]和FROM_GLC10[12]、國家自然資源部GlobeLand30[13]、歐空局全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)(ESA GlobCover)[14]等,這些都極大地提高了氣候變化和生態(tài)環(huán)境評估等綜合性、大尺度深度研究的效率,為地理國情監(jiān)測等提供了重要的基礎(chǔ)信息。

稀疏植被區(qū)主要是指植被覆蓋度在10%—50%的地表區(qū)域,包括草原、苔原、荒漠草原、荒漠、巖溶地區(qū)和部分高海拔植被區(qū)等。其中,零星的植被由草本和(或)木質(zhì)和半木質(zhì)植物組成,其余區(qū)域?yàn)樽匀宦愕豙15—16]。京津風(fēng)沙源治理二期工程區(qū)從東南向西北降水逐步減少,稀疏植被分布廣泛。由于稀疏植被區(qū)內(nèi)的自然裸地多為反射率較高的沙礫或巖石,而植被又零散分布在自然裸地內(nèi)部,這就造成稀疏植被的光譜信息易被淹沒,提取難度較大[17—18],而針對不同地類的有效性特征是提高地表覆蓋制圖精度的重要因素[19]。目前,全球或全國的地表覆蓋產(chǎn)品尺度較大,針對稀疏植被區(qū)的特異性較差,類型識別精度較低,而且缺乏對不同沙化土地類型的精細(xì)劃分[20—21]。這些都極大地限制了稀疏植被區(qū)生態(tài)效應(yīng)評價(jià)、系統(tǒng)管理和科學(xué)決策等方面的應(yīng)用需求,因此迫切需要建立基于大尺度的稀疏植被區(qū)土地覆被信息的遙感提取方法。

根據(jù)遙感分類的影像基礎(chǔ)可以將土地覆蓋分類方法細(xì)化為基于像元、基于超像素和面向?qū)ο笕怺22]?；谙裨姆椒ㄝ^為傳統(tǒng),主要依靠影像的光譜信息對不同地物進(jìn)行監(jiān)督或非監(jiān)督的聚類,但是缺乏對幾何和周圍影像信息考慮[23—25]。面向?qū)ο蟮姆椒ㄖ饕蟹炙畮X變換算法[26]、均值漂移算法[27]、分形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化算法[28]和馬爾可夫隨機(jī)場分割算法[29]等,分類的基礎(chǔ)是對遙感圖像信息提取后分割成的對象,圖像分割優(yōu)劣直接影響分類精度,不同地物類型對應(yīng)不同分割尺度,計(jì)算量較大,效率較低,最優(yōu)分割尺度的選擇多以人工或人機(jī)交互方式進(jìn)行,不利于建立自動化提取模型[30—31]。超像素分割則彌補(bǔ)兩者缺點(diǎn),通過對像素進(jìn)行相似性分組,從而形成相對規(guī)則和均勻大小對象,以類似過分割的方式對圖像信息進(jìn)行解析[32],去掉了最優(yōu)尺度選擇和對象形狀特征提取等工作量,分析作用更強(qiáng),更有利于沙化土地類型中植被和沙地邊界模糊或漸變性邊界的提取和劃分,目前常用的算法包括基于圖論的算法和基于梯度下降的算法等[33]。以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Networks,CNN)為代表的深度學(xué)習(xí)方法解決了最鄰近、極大似然等傳統(tǒng)遙感分類方法在遙感圖像中隱藏的深層次語義信息缺乏的問題,能夠從本身的深層結(jié)構(gòu)中學(xué)習(xí)高度抽象的圖像語義區(qū)別特征[34—35],對于稀疏植被區(qū)土地覆蓋分類具有較強(qiáng)的適用性,能夠一定程度解決該區(qū)域類型復(fù)雜,變化多樣,植被分布很不均一,漸變型或混雜型地類較多等難題。

綜上,本研究以京津風(fēng)沙源治理二期工程區(qū)為研究區(qū),基于多源遙感數(shù)據(jù),通過建立懲罰性機(jī)制優(yōu)化超像素分割算法,研究構(gòu)建用于稀疏植被區(qū)典型土地利用/土地覆蓋分類識別的SCS模型,以期提高稀疏植被的遙感信息提取能力,獲取科學(xué)準(zhǔn)確的土地覆被類型信息,為研究區(qū)生態(tài)工程效應(yīng)評價(jià)奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

本研究以京津風(fēng)沙源治理二期工程區(qū)為研究區(qū),該區(qū)域東西距離約1300km,南北距離約1000km,總面積約為70.98萬km2,包括陜西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、北京市、天津市、山西省和河北省的共計(jì)138個(gè)縣(旗、市、區(qū)),地理坐標(biāo)為105°8′—120°59′E,36°48′—46°47′N,具體位置如圖1所示。

研究區(qū)地貌由平原、山地、高原三大部分組成,地形起伏較為復(fù)雜,最低處僅有幾十米,最高處超過了3000m。區(qū)域內(nèi)的沙化土地聚集分布,形成了“三沙地一沙漠”的格局(科爾沁沙地、渾善達(dá)克沙地、毛烏素沙地和庫布齊沙漠)。研究區(qū)受到降水、氣溫和太陽直射時(shí)間等自然條件的影響,從東南向西北的氣候分異明顯,依次包括有亞濕潤區(qū)、干旱亞濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū),植被則依次分布有森林草原、典型草原、荒漠草原、草原化荒漠和荒漠。由于降水和地形等自然因素的影響,研究區(qū)中部和西北部呈現(xiàn)明顯植被和荒漠交錯(cuò)的破碎化自然景觀,屬于典型的稀疏植被區(qū),其中植被沿低洼處或河流周圍聚集性分布,種類多樣且林灌草多混雜生長；裸露地表的差異性也較大,依次分布有栗鈣土、砂質(zhì)土、粗沙、礫石等。另外,再疊加人類活動和林農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)影響,多種地表類型在一定區(qū)域內(nèi)共存或多次更迭,光譜信息均一性較差,遙感信息提取難度較大[36—37]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究主要獲取的遙感數(shù)據(jù)為Landsat影像,其中,2000年和2010年采用的是Landsat 5影像,總景數(shù)分別為274景和255景；2020年采用的是Landsat 8影像,總景數(shù)為322景,數(shù)量分布如圖2所示。每一年影像均選取研究區(qū)6—9月生長季影像,然后基于像元的最小云量進(jìn)行影像合成,從而最大程度減少云對影像分類的干擾。影像的波段選擇為藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外和熱紅外,均采用經(jīng)過大氣校正和幾何校正等預(yù)處理后的數(shù)據(jù)。

為了能夠更好地識別沙化土地,需要去除表層植被的干擾和影響,因此本研究采用SAR數(shù)據(jù)穿透表層植被,強(qiáng)化沙化土地的識別能力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析,極化方式為VV+VH組合的雙極化影像對沙化土地的敏感性更強(qiáng),因此數(shù)據(jù)選擇Sentinel- 1A中的GRD一級產(chǎn)品,極化方式為VV+VH組合的雙極化,成像時(shí)間為2020年7月15日。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來自NASA的地球觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng),空間分辨率30m,成像時(shí)間為2010年,包含高程、坡度、坡向三類數(shù)據(jù)。為了與Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,SAR數(shù)據(jù)經(jīng)正射校正和重采樣,DEM數(shù)據(jù)經(jīng)過尺度轉(zhuǎn)換,均統(tǒng)一到空間分辨率為30m。真值數(shù)據(jù)的來源主要分為兩部分：野外調(diào)查和高分辨率遙感影像判讀,各數(shù)據(jù)的數(shù)量和年份分布如表1所示,空間分布如圖1所示。每年份的野外調(diào)查數(shù)據(jù)采樣時(shí)間均為植被的生長季(7月或8月),影像判讀數(shù)據(jù)則是基于Google Earth上更高分辨率遙感影像進(jìn)行。

表1 真值數(shù)據(jù)來源和年份分布

2.2 研究方法

本研究在原有超像素分割算法——簡單非迭代聚類(Simple Non-Iterative Clustering,SNIC)的基礎(chǔ)上,通過建立懲罰性機(jī)制,將更多的植被光譜信息引入影像分割中,增強(qiáng)稀疏植被遙感信息提取能力,然后利用SAR數(shù)據(jù)本身的穿透能力建立不同紋理特征對沙化土地進(jìn)行識別,最后基于CNN機(jī)器學(xué)習(xí)方法和SVM分類器對整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行不同類別的確定,這樣就形成了SCS稀疏植被區(qū)遙感分類模型,系統(tǒng)地將(稀疏)植被、沙化土地和其他類別進(jìn)行精準(zhǔn)劃分。具體主要分為五步：分類體系的建立,特征選擇,超像素分割,影像分類和精度評價(jià)。

第一,分類體系的建立。參考自然資源部《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)和《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》(TD/T 1055—2019)分類標(biāo)準(zhǔn),綜合Landsat遙感影像土地覆蓋信息提取能力,研究區(qū)分類體系定為8大類,分別是：喬木林、灌木林、草地、沙地、耕地、水體、戈壁和其他,含義如表2所示：

表2 土地覆蓋分類體系及含義

第二,特征選擇。主要分為光譜特征、指數(shù)特征和紋理特征,其中光譜特征為影像數(shù)據(jù)的波段信息；指數(shù)特征除了歸一化水體指數(shù)(NDWI)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)外,增加了土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(SAVI),其目的是去除稀疏植被區(qū)(特別是戈壁)背景土壤亮度較高的影響,三者的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中,NIR、Red和Green分別為近紅外、紅光和綠光波段的光譜值；L為植被密度參數(shù)。紋理特征是基于SAR數(shù)據(jù)(Sentinel- 1A)形成的七種,分別為差異性、對比度、方差、角二階矩、逆差矩、熵和相關(guān)性,示意圖如圖3所示。

圖3 SAR影像的7種紋理特征示意圖Fig.3 The seven texture features of SAR imageSAR：合成孔徑雷達(dá) Synthetic Aperture Radar

第三,超像素分割。SNIC算法是將影像轉(zhuǎn)化為CIELAB顏色空間的五維特征向量,表征空間距離,即位置信息X、Y的兩維數(shù)據(jù)；表征顏色距離,即色彩信息的三維數(shù)據(jù),最后基于這五維特征向量建立距離度量標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而對圖像進(jìn)行局部聚類的過程。算法的實(shí)現(xiàn)過程主要有四步：生成種子點(diǎn)；種子點(diǎn)優(yōu)化；最優(yōu)距離的求解；優(yōu)先隊(duì)列算法像元聚類。其中最優(yōu)距離的求解如公式4—6所示,優(yōu)先隊(duì)列算法則是基于K個(gè)種子點(diǎn)建立K個(gè)元素ei={(xi,yi),(li,ai,bi),k,Di,k},這K個(gè)元素建立最原始的優(yōu)先隊(duì)列Q,然后Q每次返回隊(duì)列中到第k個(gè)種子點(diǎn)的距離Di,k最小的元素ei,這樣可以將多次迭代優(yōu)化成一次迭代,極大地提高運(yùn)行效率。

(4)

(5)

(6)

式中,Ds、Dc和D分別代表顏色距離、空間距離和最優(yōu)距離,s和m為顏色距離和空間距離的歸一化參數(shù)。

原有SNIC算法將空間距離和顏色距離作為同等重要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,更易形成較為規(guī)則的分割圖像,這樣在稀疏植被區(qū)土壤和植被的交界處,高亮的背景土壤會淹沒稀疏植被本身的光譜信息,造成影像分割誤差。因此,本研究在原有算法后增加第五步,懲罰性機(jī)制和連通性檢查。即對于某個(gè)屬于種子點(diǎn)a的像元jk,假設(shè)它的空間距離參數(shù)屬于種子點(diǎn)a,而顏色距離參數(shù)屬于種子點(diǎn)b,且滿足下面公式：

Da≥ε1,Db≤ε2

(7)

式中,Da和Db分別為jk屬于種子點(diǎn)a和種子點(diǎn)b的類內(nèi)距離,ε1和ε2為最大類內(nèi)距離。經(jīng)連通性檢查,如果像元jk與種子點(diǎn)b的類內(nèi)像元相連接,那么該像元jk將被標(biāo)簽為種子點(diǎn)b的類內(nèi)元素。

第四,影像分類。運(yùn)用CNN算法挖掘深層特征,支持向量機(jī)(Support Vector Machine,SVM)進(jìn)行精確分類,分類過程如圖4所示。CNN算法通過兩次卷積,兩次采樣和一次全連接算法,獲得卷積層權(quán)重參數(shù),將一維特征影像轉(zhuǎn)換成256維。假設(shè)在CNN的卷積層中,輸入的一維特征向量表示為xk-1,則其經(jīng)過卷積計(jì)算加上偏置參數(shù)的非線性變換,輸出特征向量為xk,計(jì)算過程可以表示為：

xk=f(wk×xk-1+bk)

(8)

式中,wk和bk表示卷積層k的卷積核參數(shù)(5×5)和偏置參數(shù)；*表示卷積計(jì)算符號,f()表示激活函數(shù),本研究采用ReLU函數(shù)f(x)=max(0,x)進(jìn)行非線性計(jì)算。

圖4 CNN-SVM算法分類過程示意圖Fig.4 The classification process of CNN+SVM algorithmCNN：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) convolutional neural networks；SVM：支持向量機(jī) support vector machine

第五,精度評價(jià)。采用混淆矩陣(Confusion matrix),包括生產(chǎn)者精度(Producer accuracy)、用戶者精度(User accuracy)、總體精度(Overall accuracy)和Kappa系數(shù)(Kappa coefficient)。

3 結(jié)果與分析

3.1 超像素分割結(jié)果

為了呈現(xiàn)超像素分割過程優(yōu)化效果,選取渾善達(dá)克沙地腹地部分區(qū)域,對比了原始影像、SNIC算法優(yōu)化前后的分割結(jié)果(圖5)。結(jié)果顯示,優(yōu)化的SNIC算法在地類內(nèi)部分割效果與未優(yōu)化前相比,變化不大。但在不同地類間,特別是在稀疏植被和沙化土地類別的邊界(圖5的紅圈部分)區(qū)域,原有算法區(qū)分度不夠,在多個(gè)位置的地類界限具有明顯的混雜現(xiàn)象,而優(yōu)化算法有效解決了這一問題,使分割效果更加清晰,能夠準(zhǔn)確細(xì)致地對稀疏植被和沙化土地的邊界進(jìn)行刻畫,有利于稀疏植被和沙化土地信息的區(qū)分。

整體而言,對于整個(gè)工程區(qū)中諸如沙地和草地、沙地和戈壁、草地和灌木林地、草地和森林等易混分的土地覆蓋類型,優(yōu)化算法的遙感信息提取能力更強(qiáng),分割效果更好,特別是各易混類別的邊界區(qū)分度更高,這樣更有利于下一步影像分類,進(jìn)而提升最終的信息提取精度。

圖5 SNIC算法優(yōu)化前后的影像分割對比Fig.5 Comparison of image segmentation before and after SNIC algorithm optimizationSNIC：簡單非迭代聚類 Simple non-iterative clustering

3.2 分類精度評價(jià)

優(yōu)化前后SCS分類結(jié)果的混淆矩陣分別如表3和表4所示。結(jié)果表明,基于原有SCS模型的工程區(qū)典型土地利用/土地覆蓋的分類識別總體精度為78.24%,Kappa系數(shù)為0.7452,而經(jīng)過優(yōu)化,模型的總體分類精度顯著提高,達(dá)到89.41%,Kappa系數(shù)為0.8760,總體提高了11.17%,Kappa系數(shù)提高了0.1308。其中對于工程區(qū)面積最大的兩種土地利用/土地覆蓋類型——草地和沙地,兩者的用戶者精度分別提高了14%和9%。綜合整體分類精度和典型地類單一識別精度結(jié)果發(fā)現(xiàn),本研究提出的SCS模型優(yōu)化方案能夠有效提高稀疏植被區(qū)域的植被與沙地信息提取精度,能夠滿足大區(qū)域尺度對稀疏植被區(qū)生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境變化和人類活動等深入研究的需要。

表3 2020年原有模型土地覆蓋分類結(jié)果混淆矩陣

表4 2020年優(yōu)化模型土地覆蓋分類結(jié)果混淆矩陣

3.3 2020年工程區(qū)典型土地利用/土地覆蓋空間分布

采用優(yōu)化的SCS模型,獲得了2020年工程區(qū)典型土地利用/土地覆蓋的空間分布情況(圖6)。結(jié)果表明,總體上,研究區(qū)多以草地、林地和沙地為主,其中草地面積最大,占研究區(qū)總面積的51.52%,廣布于研究區(qū)的大部,東北部的烏珠穆沁草原區(qū)域是最重要的分布范圍；林地范圍次之,喬木林和灌木林分別占研究區(qū)總面積的19.55%和7.23%,分布范圍上來說主要位于河北省北部和內(nèi)蒙古錫林郭勒盟南部以及零星分布于沙地和草地周邊；沙地則主要集中于一個(gè)沙漠三個(gè)沙地區(qū)域(庫布齊沙漠、毛烏素沙地、渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地),總面積占研究區(qū)總面積的11.96%；耕地主要分布于黃河沿岸和北京市、天津市以及河北山西的平原上,約占研究區(qū)總面積的1.54%；戈壁則在研究區(qū)的西北部烏拉特后旗,約占研究區(qū)總面積的5.20%。稀疏植被覆蓋(草地、沙地、戈壁)區(qū)域面積占比約為68.68%,研究區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆诖嗳跎鷳B(tài)區(qū)。

圖6 研究區(qū)2020年土地利用/土地覆蓋類型分布Fig.6 The distribution of land use/land cover types in 2020

3.4 近20年工程區(qū)典型土地利用/土地覆蓋類型空間變化格局

自2000年以來,研究區(qū)相繼實(shí)施了退耕還林還草工程、野生動植物保護(hù)及自然保護(hù)區(qū)建設(shè)工程、天然林保護(hù)工程、京津風(fēng)沙源治理工程等生態(tài)保護(hù)重大工程[38],在森林面積增加,沙化土地減少,區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面取得了豐碩的成果,充分發(fā)揮了生態(tài)修復(fù)和改善,維護(hù)國家生態(tài)安全等方面的重要作用。由于京津風(fēng)沙源治理工程(一期)實(shí)施時(shí)間為(2001—2010年),二期工程實(shí)施時(shí)間為(2013—2022年),因此本研究選擇2000年和2010年作為對比時(shí)間節(jié)點(diǎn),深入分析近20年京津風(fēng)沙源治理二期工程區(qū)土地利用/土地覆蓋類型變化情況。圖7所示為2000年和2010年土地利用/土地覆蓋類型分布,圖8所示為近20年工程區(qū)典型土地利用/土地覆蓋類型的變化情況。結(jié)果表明,整體上,近20年來喬木林、灌木林和草地的面積增加最多,其中,喬木林占研究區(qū)的比例由2000年的10.17%增加到2010年的19.22%,再到2020年的19.55%,增加了9.38%；灌木林的面積則從1.43%(2000年)增加到6.65%(2010年)再到2020年的7.23%,增加了5.79%；草地的面積由46.05%(2000年)下降到44.26%(2010年)再增加到51.52%(2020年),增加了5.47%。與之相應(yīng)的是,耕地和沙地的面積明顯減少,兩者占工程區(qū)總面積的比例分別由2000年的13.33%和16.54%,減少到2020年2.43%和11.96%,分別減少了10.89%和4.58%。

圖7 研究區(qū)2000年和2010年土地利用/土地覆蓋類型分布Fig.7 The distribution of land use/land cover types in 2000 and 2010

圖8 研究區(qū)2000—2020年土地利用/土地覆蓋類型變化統(tǒng)計(jì)Fig.8 The statistics of land use/land cover changes in the study area from 2000 to 2020

在自然條件下,土地覆蓋類型的變化是量變到質(zhì)變的過程。植被逐步退化最終變?yōu)榛牡鼗蛏车?而沙化土地隨著植被的逐步改善,最終變?yōu)椴菰蚬嗄玖諿39]。因此,本研究進(jìn)一步從喬灌草植被覆蓋區(qū)和沙化土地兩方面的相互轉(zhuǎn)化情況來反映近20年來工程區(qū)的實(shí)施效果。變化情況如圖9所示。從2000年到2020年,位于渾善達(dá)克沙地、毛烏素沙地和科爾沁沙地的腹地的沙化土地相對穩(wěn)定,而沙地邊緣植被恢復(fù)明顯,特別是杭錦旗、達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗等沙地邊緣地帶,沙地轉(zhuǎn)換區(qū)域中的86.45%轉(zhuǎn)換為喬灌草植被覆蓋區(qū)；由其他土地利用/土地覆蓋類型轉(zhuǎn)為沙地的區(qū)域主要集中在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗和蘇尼特右旗等地,轉(zhuǎn)換為沙地的區(qū)域中76.14%來自于原有喬灌草植被類型覆蓋區(qū)。植被方面,喬灌草土地覆蓋類型不變區(qū)域主要位于研究區(qū)北部和東部大部分區(qū)域；喬灌草土地覆蓋類型減少區(qū)域主要位于渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地邊緣地帶,減少區(qū)域中的33.41%轉(zhuǎn)換成沙化土地；喬灌草土地覆蓋類型增加區(qū)域主要位于毛烏素沙地、庫布齊沙漠區(qū)域,增加區(qū)域的25.62%來源于沙化土地?？傮w來說,京津風(fēng)沙源治理工程實(shí)施的十多年時(shí)間內(nèi),沙化土地面積大幅度降低,喬灌草總面積大幅度上升,土地退化的趨勢得到遏制,草地質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境改善明顯,表明研究區(qū)植被狀況不斷改善,實(shí)施的各項(xiàng)生態(tài)工程作用顯著,能夠更有效地服務(wù)于多維度生態(tài)功能的發(fā)揮和評價(jià)。

圖9 2000—2020年研究區(qū)植被類型(喬灌草) 和沙化土地變化分布Fig.9 The change distribution of vegetation types (arbor, shrub, grass) and desertification land in the study area from 2000 to 2020

4 討論

前人的研究結(jié)果[40—41]表明,京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)土地利用/土地覆蓋變化在2000—2010年主要表現(xiàn)為沙地、耕地和林地的增加,草地的減少,2010—2018年則表現(xiàn)為耕地、沙地的減少,草地和林地的增加,恢復(fù)區(qū)域中以鄂爾多斯高原、渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地為主,這些結(jié)論都基本與本研究獲得的結(jié)果一致。只是部分認(rèn)為2018年研究區(qū)內(nèi)草地的分布占比為55.25%,略高于本研究51.52%(2020年)而沙地的占比略低。可能的原因是本研究利用SAR數(shù)據(jù)(Sentinel- 1A)的穿透能力,將研究區(qū)內(nèi)表層具有稀疏植被,但土壤為沙礫的土地覆蓋類型劃分為沙化土地,一定程度上減少了草地占比而增加了沙地占比,但本研究的提取結(jié)果能夠更準(zhǔn)確地表征沙化土地,具有更強(qiáng)的科學(xué)性和實(shí)際意義。

全球尺度方面,根據(jù)與劉良云、宮鵬和陳軍等人研究的結(jié)果[10—13]對比來看,在各類別的區(qū)域分布上與本研究的結(jié)果基本一致,但因三人的研究成果均基于全球尺度,在區(qū)域尺度上并未細(xì)致研究各類別的特異性特征,因此也缺乏對京津風(fēng)沙源區(qū)域復(fù)雜的植被土壤環(huán)境的深入研究,易出現(xiàn)植被和沙化土地錯(cuò)分的情況,特別是在稀疏植被覆蓋的沙化土地區(qū)域,而本研究在該方面有較為明顯的改善。

由于大尺度、長時(shí)間序列工程措施生態(tài)效應(yīng)評價(jià)的需要,本研究采用的超像素分割算法一方面可以增加像元分類中缺少的對象信息,另外一方面又減少面向?qū)ο蠓指钪凶顑?yōu)尺度等人工參與,實(shí)現(xiàn)稀疏植被區(qū)沙化土地類型識別和土地覆蓋分類的自動化、全流程的快速提取,以SAR數(shù)據(jù)表征沙化土地為基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法能夠更加細(xì)致刻畫稀疏植被區(qū)中沙化土地和稀疏植被的邊界。但由于驗(yàn)證樣本不足,本研究在部分區(qū)域的精度還需進(jìn)一步進(jìn)行論證,特別是本研究主要聚焦于稀疏植被和沙化土地等自然地表類型,對于建筑物、道路等人工地表類型的識別能力還需深入研究。此外,可以拓展研究該區(qū)域外非工程區(qū)土地覆蓋類型的變化,從而與本研究的結(jié)果進(jìn)行對比分析,進(jìn)一步論證生態(tài)工程措施的積極作用。下一步,通過融合更多時(shí)序信息、專題信息等對研究區(qū)的土地利用/土地覆蓋類型進(jìn)行更深入的分析,進(jìn)一步提高該區(qū)域的遙感識別精度。

5 結(jié)論

本研究以典型大尺度稀疏植被區(qū)——京津風(fēng)沙源治理二期工程區(qū)為研究區(qū),通過構(gòu)建懲罰性機(jī)制優(yōu)化超像素分割算法,研建了SCS模型方案,實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)典型林草沙要素信息提取和主要土地利用/土地覆蓋識別。研究結(jié)果表明：

1)引入懲罰性機(jī)制優(yōu)化后的SNIC分割算法,有效提升了稀疏植被區(qū)與沙地區(qū)的邊界區(qū)分度,有助于分類精度的提升；

2)基于改進(jìn)SNIC-CNN-SVM模型方案的研究區(qū)總體分類精度達(dá)89.41%,較優(yōu)化前提高了11.17%,特別是針對草地和沙地這兩種工程區(qū)核心類型的識別精度分別提高了14%和9%,表明該模型具有較好的沙化土地和稀疏植被識別能力,該優(yōu)化方案在以研究區(qū)為代表的稀疏植被區(qū)域分類中具有較好的應(yīng)用效果和推廣價(jià)值；

3)2020年工程區(qū)中以草地面積最大,占研究區(qū)總面積的51.52%；沙地主要集中于一個(gè)沙漠三個(gè)沙地區(qū)域(庫布齊沙漠、毛烏素沙地、渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地),總面積占工程區(qū)總面積的11.96%；稀疏植被覆蓋(草地、沙地、戈壁)區(qū)域面積占比約為68.68%,表明工程區(qū)處在林地-稀疏植被-沙地的過渡地帶,生態(tài)環(huán)境保護(hù)壓力與防沙治沙形勢依然嚴(yán)峻。

4)通過對比近20年來的典型土地利用/土地覆蓋類型空間分布格局發(fā)現(xiàn),喬灌草等植被增加面積約占工程區(qū)20.64%,主要由沙化土地轉(zhuǎn)化,沙化土地減少面積約占研究區(qū)的4.58%,沙地減少的區(qū)域中86.45%轉(zhuǎn)換為喬灌草等植被類型。植被覆蓋范圍增加,質(zhì)量提升,沙化土地面積降低,特別是在毛烏素沙地和庫布齊沙漠等區(qū)域改善效果突出,表明經(jīng)過20余年的治理,研究區(qū)土地退化趨勢得到遏制,草地質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境改善明顯,實(shí)施的各項(xiàng)生態(tài)工程作用顯著,能夠更有效地服務(wù)于多維度生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮。該研究以期能夠?yàn)榫┙蝻L(fēng)沙源二期工程區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律研究及生態(tài)工程評價(jià)等工作提供重要科學(xué)支撐。