热带海洋学报 ›› 2023, Vol. 42 ›› Issue (2): 153-168.doi: 10.11978/2022096CSTR: 32234.14.2022096
张程飞1,2(), 任广波2, 吴培强2(), 胡亚斌2, 马毅2, 阎宇3, 张菁锐4
收稿日期:
2022-05-03
修回日期:
2022-07-05
出版日期:
2023-03-10
发布日期:
2022-07-11
通讯作者:
吴培强。email: 作者简介:
张程飞(1998—), 男, 硕士研究生, 主要从事红树林遥感监测研究。email: zcf199828@163.com
基金资助:
ZHANG Chengfei1,2(), REN Guangbo2, WU Peiqiang2(), HU Yabin2, MA Yi2, YAN Yu3, ZHANG Jingrui4
Received:
2022-05-03
Revised:
2022-07-05
Online:
2023-03-10
Published:
2022-07-11
Contact:
WU Peiqiang. email: Supported by:
摘要:
合理的红树种间组成结构是有效发挥红树林湿地生态价值的前提, 明确的红树林种间分布信息是开展红树林生态系统治理和规划工作的有效依据。针对海南八门湾红树林湿地, 基于高分三号(GF-3)全极化合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)和高分六号(GF-6)多光谱遥感数据, 本文提取了35个红树林遥感特征, 利用极端梯度提升树(eXtreme gradient boosting, XGBoost)算法开展了特征重要性排序、特征筛选和红树林种间分类实验, 将其与传统的支持向量机(support vector machine, SVM)、随机森林(random forest, RF)机器学习算法进行精度比较, 并基于XGBoost算法进行了3种特征组合方式(优选特征、多光谱特征、全极化SAR特征)的分类精度比较, 旨在探索XGBoost对红树林种间分类的适用性和光学与全极化SAR数据对红树林种间分类的能力。结果表明: 1) 识别红树林种类的优势特征依次为多光谱的光谱波段、极化分解参数、光谱植被指数, 且仅利用前8个优选特征(绿光波段反射率G、蓝光波段反射率B、Yamaguchi面散射分量Ys、近红外波段反射率NIR、增强型植被指数EVI、比值植被指数RVI、归一化植被指数NDVI、Freeman面散射分量Fs)即可达到较高分类精度。2) 对于八门湾红树林湿地, XGBoost算法的红树种间分类总体精度最高, 为86.16%, 卡帕系数为0.836, 比SVM和RF算法高3% ~ 8%; 优选特征的红树林种间分类精度比单独的多光谱特征或全极化SAR特征高10% ~ 12%。3) 八门湾红树林总面积约为797.58hm2, 共有白骨壤、海莲、红海榄、杯萼海桑、角果木、榄李、木榄、正红树、海漆9种优势真红树, 杯萼海桑和木榄的面积较大, 分别占全部红树林面积的45.46%、21.21%。
张程飞, 任广波, 吴培强, 胡亚斌, 马毅, 阎宇, 张菁锐. 基于高分光学与全极化SAR的海南八门湾红树林种间分类方法[J]. 热带海洋学报, 2023, 42(2): 153-168.
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表2
红树林类型及遥感影像解译描述"
红树种类 | 现场照片 | GF-6影像 | GF-3影像 | 红树属性及影像特征 |
---|---|---|---|---|
白骨壤(Avicennia marina) | | | | 小叶、耐盐、耐淹、常绿灌木或小乔木、常分布于淡水注入较少的海湾区域。影像纹理略粗糙, 色调较均一, GF-6影像为暗红色, GF-3影像为紫色 |
海莲(Bruguiera sexangula) | | | | 木榄属乔木或灌木, 生于滨海盐滩或潮水到达的沼泽地。影像纹理较平滑, 色调较均一, GF-6影像为亮红色, GF-3影像为白色 |
红海榄(Rhizophora stylosa Griff) | | | | 支柱根、常绿乔木或灌木、较耐盐、多分布于河口外侧盐度较高的红树林内滩。影像纹理粗糙, 色调略杂乱, GF-6影像为暗红色, GF-3影像为紫色 |
杯萼海桑(Sonneratia alba Sm) | | | | 海桑属灌木或乔木, 生于滨海泥滩和河流两侧而潮水到达的红树林群落中。影像纹理粗糙, 色调较均一, GF-6影像为暗红色中掺杂白色斑点, GF-3影像为灰绿色 |
角果木(Ceriops tagal) | | | | 灌木或乔木, 耐盐性较强, 生于潮涨时仅淹没树干基部的泥滩和海湾内的沼泽地。影像纹理平滑细腻, 色调均一, GF-6影像为暗红色, GF-3影像浅红色 |
木榄(Bruguiera gymnorrhiza) | | | | 常绿乔木或灌木, 耐淹能力较差、多分布于红树林内滩。影像纹理略粗糙, 色调较均一, GF-6影像为亮红色, GF-3影像为灰绿色 |
榄李(Lumnitzera racemosa Willd) | | | | 使君子科、榄李属常绿灌木或小乔木, 喜生于中潮滩或高潮滩。影像纹理较平滑, 色调均一, GF-6影像为暗红色, GF-3影像为浅紫色 |
正红树(Rhizophora apiculata Bl) | | | | 常绿小乔木或灌木, 分布于海浪平静、淤泥松软的浅海盐滩或海湾内的沼泽地。影像纹理平滑, 色调均一, GF-6影像为深红色, GF-3影像为蓝色 |
海漆(Excoecaria agallocha Linn) | | | | 大戟科海漆属植物, 常绿乔木, 生于海陆交错区的高潮带或超高潮带的盐碱地上。影像纹理略粗糙, 色调较均一, GF-6影像为浅红色, GF-3影像为蓝绿色 |
表3
GF-6多光谱特征"
遥感特征 | 名称 | 公式 | 出处 |
---|---|---|---|
光谱波段反射率 | B1 ~ B4 | — | |
植被指数 | 归一化植被指数(NDVI) | Rouse等( | |
增强型植被指数(enhanced vegetation index, EVI) | Liu等( | ||
比值植被指数(ratio vegetation index, RVI) | Pearson等( | ||
纹理参数 | 相关性(correlation) | Haralick等( | |
同质性(homogeneity) | |||
对比度(contrast) | |||
标准偏差(standard deviation) | |||
二阶矩阵(second moment) | |||
相异性(dissimilarity) | |||
均值(mean) | |||
信息熵(entropy) |
表4
GF-3全极化SAR特征"
遥感特征 | 名称 | 公式 | 出处 | |
---|---|---|---|---|
极化图像波段特征 | HH/HV/VH/VV | / / / | Souyris等( | |
极化相关特征 | 共极化相干因子(polcoe) | Henderson等( | ||
HH与HV相关系数 (ρHH-HV) | Souyris等( | |||
VV与HV相关系数 (ρVV-HV) | Souyris等( | |||
归一化圆极化基相关系数(NCCC) | 杨杰等( | |||
极化分解特征 | Freeman分解 | 体散射分量 (Freeman_vol, Fv) | Freeman等( | |
二次散射分量(Freeman_dbl, Fd) | ||||
面散射分量 (Freeman_surf, Fs) | ||||
雷达植被指数(RVI_Freeman) | ||||
Yamaguchi分解 | 体散射分量(Yamaguchi_vol, Yv) | Yamaguchi等( | ||
二次散射分量(Yamaguchi_dbl, Yd) | ||||
面散射分量(Yamaguchi_surf, Ys) | ||||
螺旋散射分量(Yamaguchi_cir, Yc) | ||||
H/A/ 分解 | 极化熵H (entropy) | Cloude等( | ||
极化各向异性A (anisotropy) | ||||
极化散射角 (alpha) | ||||
Van雷达植被指数(RVI_Van) | Zyl等( |
表5
分类精度评价"
支持向量机 | 随机森林 | 极端梯度提升树 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
优选特征 | 优选特征 | 优选特征 | 多光谱特征 | 全极化SAR特征 | ||||||
PA/% | UA/% | PA/% | UA/% | PA/% | UA/% | PA/% | UA/% | PA/% | UA/% | |
白骨壤 | 76.47 | 65.00 | 100.00 | 83.33 | 94.74 | 90.00 | 66.67 | 50.00 | 85.71 | 85.71 |
海莲 | 84.93 | 69.66 | 86.25 | 75.82 | 82.47 | 89.89 | 87.38 | 63.22 | 79.01 | 74.42 |
红海榄 | 64.86 | 63.16 | 83.33 | 65.79 | 84.38 | 71.05 | 76.67 | 50.00 | 71.05 | 62.79 |
杯萼海桑 | 85.71 | 80.95 | 86.51 | 85.83 | 90.60 | 84.13 | 83.78 | 80.17 | 64.23 | 69.91 |
角果木 | 82.19 | 88.24 | 95.00 | 98.70 | 95.59 | 95.59 | 88.16 | 89.33 | 83.16 | 90.80 |
榄李 | 72.73 | 74.32 | 80.55 | 83.82 | 85.48 | 86.89 | 68.06 | 77.84 | 74.25 | 76.54 |
木榄 | 72.67 | 78.99 | 72.39 | 82.27 | 77.30 | 78.99 | 67.84 | 81.69 | 69.28 | 65.84 |
正红树 | 90.20 | 97.87 | 94.87 | 90.24 | 94.00 | 100.00 | 91.67 | 89.80 | 90.00 | 91.84 |
海漆 | 81.08 | 85.71 | 76.66 | 74.19 | 88.24 | 85.71 | 73.33 | 64.71 | 81.82 | 69.23 |
总体精度/% | 78.23 | 83.04 | 86.16 | 76.22 | 74.77 | |||||
Kappa系数 | 0.7417 | 0.9800 | 0.8359 | 0.7174 | 0.7033 |
表6
各组实验的算法参数"
实验组别 | 算法参数 |
---|---|
SVM+优选特征 | Kernel Type: 'RBF' Penalty=185; gamma=0.0001 |
RF+优选特征 | n_estimators=120; max_depth=15; max_features=8 |
XGBoost+优选特征 | learning_rate=0.06; n_estimators=252; max_depth=5; gamma=0.2 |
XGBoost+多光谱特征 | learning_rate=0.09; n_estimators=10; max_depth=5; gamma=0.8 |
XGBoost+全极化SAR特征 | learning_rate=0.09; n_estimators=10; max_depth=6; gamma=0.9 |
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