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国土资源遥感  2018, Vol. 30 Issue (4): 20-27    DOI: 10.6046/gtzyyg.2018.04.04
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基于SVM+SFS策略的多时相紧致极化SAR水稻精细分类
国贤玉1, 李坤2(), 王志勇1, 李宏宇3, 杨知4
1. 山东科技大学测绘科学与工程学院,青岛 266590
2. 中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100101
3. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083
4. 中国电力科学研究院输变电工程研究所,北京 100055
Fine classification of rice with multi-temporal compact polarimetric SAR based on SVM+SFS strategy
Xianyu GUO1, Kun LI2(), Zhiyong WANG1, Hongyu LI3, Zhi YANG4
1. College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China
2. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
3. School of Earth Science and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China
4. Institute of Transmission and Transformation Engineering, China Electric Power Research Institute, Beijing 100055, China
全文: PDF(4445 KB)   HTML  
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摘要 

种类和种植方式的不同会导致水稻长势、产量的差异。精细区分不同水稻品种与种植方式,能够为水稻长势监测与估产提供更精准的信息。紧致极化SAR(compact polarimetry synthetic aperture Radar,CP-SAR)作为新一代对地观测SAR系统的重要发展趋势之一,同时兼具相对丰富的极化信息和较大的幅宽,为大范围水稻精细制图提供了可能。本研究首先利用RADARSAT-2全极化SAR数据模拟CP-SAR数据,并提取了22个CP-SAR特征参数; 然后,针对CP-SAR多维特征信息,引入基于支持向量机和序列前进搜寻策略(support vector machine + sequential forward selection,SVM + SFS)的特征选择方法,构建基于决策树和SVM的水稻精细分类方法,得到了水稻精细分类的最优特征子集。实验结果表明,基于决策树的水稻精细分类方法可以获得较好的分类结果,总体精度达92.57%,Kappa系数达0.896,与全部特征参数进行分类的结果相比,总体精度高1.2%,Kappa系数大0.016。

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国贤玉
李坤
王志勇
李宏宇
杨知
关键词 CP-SARSVM + SFS水稻田决策树分类多时相    
Abstract

Different types and planting methods can result in the discrepancy of rice growth and yield. It is of great importance to provide accurate growth vigor information for rice growth monitoring and estimation using fine distinction of different rice varieties and planting methods. As a new type of SAR sensor, compact polarimetry synthetic aperture Radar (CP-SAR) provides the possibility for the fine mapping of paddy land with abundant polarimetric information and large width. In this study, the authors firstly used RADARSAT-2 fully polarimetric SAR data to simulate CP-SAR data and extracted 22 types of feature parameters. In addition, on the basis of the multi-dimensional feature information CP - SAR data, the support vector machine and sequential forward selection (SVM + SFS) strategy were performed for feature selection, and the optimal feature subset of paddy land fine classification was obtained. Moreover, the decision tree and SVM method were used for paddy land fine classification based on feature subset. The results show that paddy land fine classification method based on decision tree can achieve better classification results. The overall classification precision and Kappa coefficient of optimal feature subset respectively are 92.57% and 0.896, which are higher than those of the set of all feature parameters by improving 1.2% in overall classification precision and 0.016 in Kappa coefficient.

Key wordsCP-SAR    SVM+SFS    paddy land    decision tree classification    multi-temporal
收稿日期: 2017-06-23      出版日期: 2018-12-07
:  TP79  
基金资助:国家自然科学基金青年基金项目“基于紧致极化SAR水稻物候期反演方法研究”(41401427);国家自然科学基金面上基金项目“复杂散射机制场景的SAR图像认知方法研究”(61471358);国家自然科学基金重点基金项目“可控环境下多层介质目标微波特性全要素测量与散射机理建模”共同资助(41431174)
通讯作者: 李坤
作者简介: 国贤玉(1991-),男,硕士研究生,主要从事雷达遥感、农业遥感等方面的研究。Email: guoxianyu1@126.com
引用本文:   
国贤玉, 李坤, 王志勇, 李宏宇, 杨知. 基于SVM+SFS策略的多时相紧致极化SAR水稻精细分类[J]. 国土资源遥感, 2018, 30(4): 20-27.
Xianyu GUO, Kun LI, Zhiyong WANG, Hongyu LI, Zhi YANG. Fine classification of rice with multi-temporal compact polarimetric SAR based on SVM+SFS strategy. Remote Sensing for Land & Resources, 2018, 30(4): 20-27.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2018.04.04      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2018/V30/I4/20
Fig.1  3类水稻在不同物候期的特征
Fig.2  CP-SAR模拟数据在不同极化通道的假彩色合成影像
(CP-SAR RR(R),RV(G),RH(B)假彩色合成)

Fig.3  技术路线
符号 参数名称 参数物理意义 公式
g=[g0,g1,g2,g3]T Stokes矢量 表征散射回波强度和极化状态 文献[19]公式2
σ0RH
σ0RV
σ0RL
σ0RR
RH,RV,RL,RR极化后向散射系数 表征目标在RH,RV,RL,RR极化的回波强度 σ0RH=[1,1,0,0]·g
σ0RV=[1,-1,0,0]·g
σ0RL=[1,0,0,1]·g
σ0RR=[1,0,0,-1]·g
δ RH和RV相位角 RH和RV极化散射回波之间的相对相位角 δ=arctan(g3/g2)
m-δ_db
m-δ_vol
m-δ_s
m-δ分解二次散射、体散射和面散射 表征地物二次散射、体散射和面散射 文献[20]公式7
m-χ_db
m-χ_vol
m-χ_s
m-χ分解二次散射体散射和面散射 表征地物二次散射、体散射和面散射 文献[19]公式5
μC 圆极化比 Stokes向量派生参数 μC=(g0-g3)/(g0+g3)
μ 一致性系数 与目标散射机理有关 μ=2Im<sRHs*RV><sRHs*RV>+<sRHs*RV>,
式中:sRHsRV分别为极化散射矩阵元素; Im
表示取复数的虚部; <>表示内积运算; *表示
复共轭
m 极化度 表征目标散射回波去相关程度 m=g12+g22+g32g0,0&lt;m&lt;1
ρ RH-RV相关系数 表征散射矩阵元素sRHsRV的相关性 ρ=&lt;|sRHs*RV|&gt;&lt;sRHs*RV&gt;+&lt;|sRHs*RV|&gt;
α 平均散射角 与目标散射机理有关 α=12arctan[g12+g22/(±g3)]
Hi 香农熵 表征相干矩阵的强度 Hi=3lgπetr[T]3,
式中:T为3×3相干矩阵;
tr[T]表示相干矩阵T的迹
符号 参数名称 参数物理意义 公式
Hp 香农极化度 表征Bakarat(pT)的极化度,
pT=1-27det[T]tr[T]3
式中det[T]表示T的行列式值
Hp=lg27det[T]tr[T]3
Tab.1  提取的22个CP特征参数
影像日期 CP-SAR特征参数
2012年6月27日 μ,δ,α,m-δ_db,g0,g3,σ0RL,σ0RV,σ0RH,σ0RR,m-δ_vol,m-χ_vol
2012年7月11日 m-χ_s,σ0RL,σ0RV,σ0RH,m-δ_vol,Hi,g1,m-χ_vol
2012年7月21日 δ,σ0RL,σ0RV,σ0RH,σ0RR,g0,m-χ_s,μC
Tab.2  利用SVM + SFS方法优选的CP-SAR特征参数
Fig.4  3种水稻强度和非强度极化特征参数
Fig.5  3类水稻田的分类决策树
Fig.6  不同地物极化特征参数
方法 分类参数 TH TJ DJ 水体 城镇建筑 总体精
度/%
Kappa系数
生产者精
度/%
用户精
度/%
生产者精
度/%
用户精
度/%
生产者精
度/%
用户精
度/%
生产者精
度/%
用户精
度/%
生产者精
度/%
用户精
度/%
SVM T1-12-3 99.42 41.90 1.18 58.23 64.56 78.38 99.82 99.87 92.08 99.75 83.72 0.778
T1-22-3 89.90 49.78 0.57 100 78.74 66.32 100 100 93.72 99.84 85.30 0.798
T3-28-3 100 59.63 24.16 95.20 91.44 85.66 100 100 95.13 100 91.39 0.880
T3-66-3 98.85 61.40 46.48 73.58 73.98 89.18 100 100 95.69 100 91.38 0.880
决策树 T3-28-2 94.73 87.89 95.44 92.43 100 100 95.89 99.62 97.44 0.962
T3-28-3 96.25 69.57 45.74 68.06 86.39 88.53 100 100 95.30 99.03 92.57 0.896
Tab.3  2种分类方法的分类精度比较
Fig.7  3个时相28个参数分类结果
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