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国土资源遥感  2018, Vol. 30 Issue (3): 96-105    DOI: 10.6046/gtzyyg.2018.03.14
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基于Landsat8数据的近海养殖区自动提取方法研究
武易天1,2, 陈甫1(), 马勇1, 刘建波1, 李信鹏1
1. 中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100101
2. 中国科学院大学,北京 100049
Research on automatic extraction method for coastal aquaculture area using Landsat8 data
Yitian WU1,2, Fu CHEN1(), Yong MA1, Jianbo LIU1, Xinpeng LI1
1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, CAS, Beijing 100101, China
2. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China
全文: PDF(7763 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

利用遥感影像进行近海养殖区提取,是近海渔业资源监管的一种有效手段。然而由于近海养殖区受海水叶绿素和悬浮泥沙浓度差异分布的影响,海域水色背景往往较为复杂,使得传统近海养殖区提取方法很难取得理想效果。为了准确提取复杂水色背景下的近海养殖区,提出一种结合光谱和纹理信息的养殖区自动提取方法。首先,利用基于正交子空间投影的约束能量最小化(orthogonal subspace projection-weighted constrained energy minimization,OWCEM)方法增强近海养殖区信息; 然后,利用近海养殖区的空间纹理信息,使用局部标准差自适应分割法(standard deviation adaptive segmentation,SDAS)对影像进行划分; 最后,基于分割图像对近海养殖区进行自动提取。选取山东桑沟湾养殖海域和福建三都澳养殖海域为实验区,采用Landsat8数据对所提方法进行近海养殖区提取实验,结果表明: 在复杂水色背景下,该方法能够准确快速地识别出近海养殖区的分布情况,在2个实验区都能达到93%以上的准确率,为近海养殖区自动提取提供了一种新的有效方法。

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武易天
陈甫
马勇
刘建波
李信鹏
关键词 近海养殖区提取标准差自适应分割(SDAS)复杂背景基于正交子空间投影的约束能量最小化(OWCEM)    
Abstract

During coastal resource monitoring, it is an effective way to extract aquaculture region using remote sensing data, whereas the water color in coastal region is complexly influenced by the distribution difference of chlorophyll-a and total suspended sediment concentration. And it would be difficult to accurately extract the aquaculture region with complex background using traditional methods. In view of the above problem, the authors proposed an algorithm for automatic coastal aquaculture area extraction combined with spectral and spatial information of aquaculture. Firstly, orthogonal subspace projection-weighted constrained energy minization method (OWCEM) was used to enhance the information of coastal aquaculture area. Secondly, by using the spatial texture information of the coastal aquaculture area, standard deviation adaptive segmentation (SDAS) method was used to automatically extract the cultivation area. In order to verify the accuracy of the proposed algorithm, the authors selected Sanggou Bay in Shandong and Sanduao Bay in Fujian as test regions and conducted the area extraction using Landsat8 data. The experimental results show that the proposed method can rapidly and accurately identify the distribution of coastal aquaculture area in complex background color and can reach about 93% accuracy rate with a low missing rate. The method could provide a new and effective means for automatic extraction of offshore aquaculture area.

Key wordscoastal aquaculture region extraction    standard deviation adaptive segmentation(SDAS)    complex background    orthogonal subspace projection-weighted constrained energy minization(OWCEM)
收稿日期: 2017-01-19      出版日期: 2018-09-10
:  TP751.1  
基金资助:中国科学院135突破项目资助
通讯作者: 陈甫
作者简介: 武易天(1993-),男,硕士研究生,主要研究方向为遥感图像处理、目标提取和分类。Email: wuyt@radi.ac.cn。
引用本文:   
武易天, 陈甫, 马勇, 刘建波, 李信鹏. 基于Landsat8数据的近海养殖区自动提取方法研究[J]. 国土资源遥感, 2018, 30(3): 96-105.
Yitian WU, Fu CHEN, Yong MA, Jianbo LIU, Xinpeng LI. Research on automatic extraction method for coastal aquaculture area using Landsat8 data. Remote Sensing for Land & Resources, 2018, 30(3): 96-105.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2018.03.14      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2018/V30/I3/96
Fig.1  实验区覆盖范围示意图
Fig.2  水产养殖区不同的养殖方式
Fig.3  水产养殖区提取方法(OWCEM-SDAS)流程图
特征信息 特征指数 数学表达式
光谱特征 MNDWI MNDWI=(band3-band6)/(band3+band6)
AWEInsh(归一化) AWEInsh=4(band3-band6)-(0.25band5+2.75band7)band3+band5+band6+band7
AWEIsh(归一化) AWEIsh=band2+2.5band3-1.5(band5+band6)-0.25band7band2+band3+band5+band6+band7
CHL CHL=8.48band4/band1
TSM TSM=0.028band2+0.019band3-5.31band3/band2+0.537
特征信息 特征指数 数学表达式
相关性特征 SAD SAD=cos-1(xTyxy)
corr corr=x-x-Ty-y-x-x-y-y-
s s=x-y
SID SID=D(xy)+D(yx) Dxy=l=1Lpllnpl/qlDyx=l=1Lqllnql/pl
pl=xl/j=1Lxjql=yl/j=1Lyj
Tab.1  波段扩展中所包含的特征指数
Fig.4  OWCEM算法流程图
Fig.5  山东桑沟湾水产养殖区提取结果
Fig.6  福建三都澳水产养殖区提取结果
Fig.7  验证样本点在实验区参考影像中的分布
数据类别 面向对象方法 本文方法 总像元
水产养
殖区
非养殖
水域
水产养
殖区
非养殖
水域
水产养
殖区
1 060 668 1 624 104 1 728
非养殖
水域
134 784 32 886 918
合计 1 194 1 452 1 656 990 2 676
Tab.2  山东桑沟湾区域提取结果混淆矩阵
数据类别 面向对象方法 本文方法 总像元
水产养
殖区
非养殖
水域
水产养
殖区
非养殖
水域
水产养
殖区
1 878 762 2 436 204 2 640
非养殖
水域
348 2 054 137 2 265 2 402
合计 2 226 2 816 2 573 2 469 5 042
Tab.3  
实验描述 山东桑沟湾实验区 福建三都澳实验区
面向对象 本文方法 面向对象 本文方法
用户精度 88.78 98.07 84.37 94.68
制图精度 61.34 93.98 71.14 92.27
Kappa系数 57.03 91.31 71.37 90.77
总体精度 69.69 94.86 77.98 93.24
Tab.4  
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