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自然资源遥感  2023, Vol. 35 Issue (4): 292-300    DOI: 10.6046/zrzyyg.2022272
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基于Sentinel-2数据多特征优选的农作物遥感识别研究
陈健1,3(), 李虎1,3, 刘玉锋2(), 常竹1,3, 韩伟杰1,3, 刘赛赛2
1.安徽师范大学地理与旅游学院,芜湖 241003
2.滁州学院计算机与信息工程学院,滁州 239000
3.资源环境与地理信息工程安徽省工程技术研究中心,芜湖 241003
Crops identification based on Sentinel-2 data with multi-feature optimization
CHEN Jian1,3(), LI Hu1,3, LIU Yufeng2(), CHANG Zhu1,3, HAN Weijie1,3, LIU Saisai2
1. College of Geography and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241003, China
2. College of Computer and Information Engineering, Chuzhou University, Chuzhou 239000, China
3. Engineering Technology Research Center of Resources Environment and GIS, Wuhu 241003, China
全文: PDF(3736 KB)   HTML  
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摘要 

本研究以滁州市全椒县为研究区,借助GEE平台,基于Sentinel-2卫星数据构建光谱特征、传统植被指数特征、红边植被指数特征、纹理特征等90个特征,选用基于随机森林的递归特征消除算法(random forest-recursive feature elimination,RF_RFE)、基于Relief拓展的Relief F算法、基于相似性的特征优选算法(correlation-based feature selection,CFS)结合随机森林分类器对农作物种植类型进行识别,探究不同的特征优选算法在农作物遥感识别中的效果优劣。在此基础上,进一步分析最佳特征优选算法在不同机器学习分类方法中的分类效果。研究表明: ①光谱特征在农作物识别中最为重要,其次是红边指数特征,纹理特征影响较小; ②基于RF_RFE特征优选方法的遥感识别结果精度最好,总体精度为92%,Kappa系数为0.89; ③在RF_RFE特征优选方法下,随机森林(random forest,RF)的Kappa系数比支持向量机分类(support vector machine,SVM)和最小距离分类(minimum distance classification,MDC)分别高0.01和0.41,说明基于多特征的RF_RFE特征优选方法结合RF算法可以有效提高农作物遥感识别精度和效率。

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陈健
李虎
刘玉锋
常竹
韩伟杰
刘赛赛
关键词 Google Earth EngineSentinel-2农作物识别特征优选随机森林    
Abstract

Focusing on Quanjiao County in Chuzhou City, this study determined 90 features, including spectral, traditional vegetation index, red-edge vegetation index, and texture features, from Sentinel-2 satellite data on the GEE platform. This study examined the effects of diverse feature optimization algorithms combined with a random forest classifier on identifying crop planting types in the study area. These algorithms included the random forest-recursive feature elimination (RF_RFE) algorithm, the Relief F algorithm based on Relief expansion, and the correlation-based feature selection (CFS) algorithm. On this basis, this study further analyzed the classification effects of the optimal feature optimization algorithm in various machine learning classification approaches. The study demonstrates that: ① Spectral features proved to be the most crucial for crop identification, followed by red-edge index features, and texture features manifested minimal effects; ② RF_RFE-based remote sensing identification results exhibited the highest accuracy, with overall accuracy of 92% and a Kappa coefficient of 0.89; ③ Under the RF_RFE feature optimization method, the RF’s Kappa coefficient was 0.01 and 0.41 higher than that of the support vector machine (SVM) and the minimum distance classification (MDC), respectively. This indicates that the RF_RFE feature optimization method based on multiple features, combined with the RF algorithm, can effectively enhance the accuracy and efficiency of remote sensing identification of crops.

Key wordsGoogle Earth Engine    Sentinel-2    crop identification    feature optimization    random forest
收稿日期: 2022-06-26      出版日期: 2023-12-21
ZTFLH:  TP79  
基金资助:高分辨率对地观测系统科技重大专项(76-Y50G14-0038-22/23);安徽省科技重大专项“现代农业遥感监测系统构建与产业化应用”(202003A06020002);滁州市科技计划项目“智慧农业遥感信息服务关键技术研究”(2021ZD013);滁州市科技计划项目“滁州市农业气象干旱灾害遥感监测与预警”(22021ZD015);安徽省重点研究与开发计划项目“国产陆地卫星星群图像智能处理关键技术及应用”(2021003);安徽高等学校自然科学研究重点项目“基于国产高分卫星遥感数据的农作物种植结构信息提取关键技术研究”(KJ2021A1063);安徽省特支计划(2019)
通讯作者: 刘玉锋(1981-),男,副教授,主要研究方向为资源遥感监测领域的应用研究。Email: Liuyufeng@chzu.edu.cn
作者简介: 陈健(1998-),男,硕士研究生,主要研究方向为现代农业遥感应用。Email: 599776160@qq.com
引用本文:   
陈健, 李虎, 刘玉锋, 常竹, 韩伟杰, 刘赛赛. 基于Sentinel-2数据多特征优选的农作物遥感识别研究[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 292-300.
CHEN Jian, LI Hu, LIU Yufeng, CHANG Zhu, HAN Weijie, LIU Saisai. Crops identification based on Sentinel-2 data with multi-feature optimization. Remote Sensing for Natural Resources, 2023, 35(4): 292-300.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2022272      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2023/V35/I4/292
Fig.1  研究区地理位置及其样本分布
时间 10月 11月 12月 来年1月 2月 3月 4月 5月 6月
小麦 播种 出苗 分藥 越冬 返青 拔节 孕穗 成熟
油菜 播种 移栽 越冬 现蕾 初花 中花 成熟
冬闲田 水稻成熟 空闲 水稻播种 移栽
Tab.1  全椒县午季农作物生长周期
Fig.2  研究区农作物信息提取的技术流程图
特征变量 指数 特征公式及说明 参考文献 特征数目
光谱特征 B* B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,B8A,B11,B12 30
传统植被指数 归一化植被指数(NDVI) NDVI=(B8-B4)/(B8+B4) Ni等[13] 18
陆地表面水分指数(LSWI) LSWI=(B8-B11)/(B8+B11) Ni等[13]
增强型植被指数(EVI) EVI=2.5(B8-B4)/(B8+6B4-7.5B2+1) Ni等[13]
土壤调整植被指数(SAVI) SAVI=(B7-B3)/(B7+B3-0.5)*(1+0.5) 王李娟等[14]
比值植被指数(RVI) RVI=B7/B3 王李娟等[14]
归一化差异耕作指数(NDTI) NDTI=(B11-B12)/(B11-B12) 熊皓丽等[15]
红边指数特征 归一化植被指数红边1(NDVIre1) NDVIre1=(B8A-B5)/(B8A+B5) 张磊等[16] 18
归一化植被指数红边2(NDVIre2) NDVIre2=(B8A-B6)/(B8A+B6) 张磊等[16]
归一化植被指数红边3(NDVIre3) NDVIre3=(B8A-B7)/(B8A+B7) 张磊等[16]
新型倒红边叶绿素指数(IRECI) IRECI=(B7-B4)/(B5/B6) 熊皓丽等[15]
红边叶绿素指数(Cire) Cire=B7/B5-1 王李娟等[14]
地面叶绿素指数(MTCI) MTCI=(B6-B5)/(B5-B4) 熊皓丽等[15]
纹理特征 Contrast 对比度 张磊等[16]、熊皓丽等[15] 24
Asm 角二阶矩
Corr 相关性
Idm 逆差距
Ent
Var 方差
Dvar 差方差
Diss 不相似性
总计 90
Tab.2  农作物遥感识别特征集
Fig.3  不同特征数目下的Kappa系数
特征 2022/02/25 2022/03/12 2022/04/21 特征个数
Relief F LSWI0225,NDTI0225,
pc1_dvar0225,pc1_diss0225,
pc1_contrast0225
NDTI0312,NDVIre30312,
LSWI031,pc1_dvar0312,
pc1_diss0312,pc1_contrast0312
B110421,NDVIre20421,
NDVI0421,NDTI0421,LSWI0421, pc1_diss0421,pc1_dvar0421,
pc1_cotrast0421
19
CFS B30225,EVI0225,LSWI0225,
pc1_var0225,pc1_corr0225,
MTCI0225
B30312, B40312,B50312,
NDVIre30312,MTCI0312,
EVI0312,NDVIre20312,
pc1_corr0312,
pc1_contrast0312,pc1_var0312
B50421,B8A0421,B110421,
LSWI0421,MTCI0421, B40421,
NDTI0421,EVI0421,
NDVIre20421,pc1_corr0421,
NDVIre30421
27
RF_RFE B20225,B110225,LSWI0225,
NDTI0225
B20312, B30312,B50312,B60312,B110312, pc1_idm0312,NDTI0312, EVI0312 B20421,B30421,B50421,B60421,
B8A0421,B70421,B110421,
B120421,NDVIre20421
21
Tab.3  3种优选结果的特征分布
Fig.4  特征名称及其对应的重要性得分
不同的特征
优选方法
RF_RFE CFS Relief F
评价指标 PA/% UA/% PA/% UA/% PA/% UA/%
油菜 83.5 88.8 83.0 88.7 80.0 82.9
小麦 96.2 93.2 95.0 92.5 94.1 91.9
OA/% 91.7 91.5 87.71
Kappa 0.89 0.88 0.83
Tab.4  基于不同特征优选方法和随机森林的地物分类精度
数据 样地一 样地二 样地三
高分一号
Relief F
CFS
RF_RFE
Tab.5  不同特征优选方法的局部结果图
Fig.5  RF_RFE下基于不同机器学习方法的研究区农作物空间分布
机器学习方法 RF SVM MDC
评价指标 PA/% UA/% PA/% UA/% PA/% UA/%
油菜 83.5 88.8 84.7 83.0 80.3 63.5
小麦 96.2 93.2 91.1 91.3 70.8 65.4
OA/% 91.7 91.0 61.2
Kappa 0.89 0.88 0.48
Tab.6  RF_RFE特征优选下基于不同机器学习分类的农作物分类精度
[1] 黄健熙, 武思杰, 刘兴权, 等. 基于遥感信息与作物模型集合卡尔曼滤波同化的区域冬小麦产量预测[J]. 农业工程学报, 2012, 28(4):142-148.
Huang J X, Wu S J, Liu X Q, et al. Regional winter wheat yield forecasting based on assimilation of remote sensing data and crop growth model with Ensemble Kalman method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineeing, 2012, 28(4):142-148.
[2] 王利民, 刘佳, 季富华. 中国农业遥感技术应用现状及发展趋势[J]. 中国农学通报, 2021, 37(25):138-143.
doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb20190700361
Wang L M, Liu J, Ji F H. Application status and development trend of agriculture remote sensing technology application in China[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2021, 37(25):138-143.
[3] 贾坤, 李强子. 农作物遥感分类特征变量选择研究现状与展望[J]. 资源科学, 2013, 35(12):2507-2516.
Jia K, Li Q Z. Review of features selection in crop classification using remote sensing data[J]. Resources Science, 2013, 35(12):2507-2516.
[4] 程彬. 基于支持向量机的乾安县土地利用遥感分类研究[J]. 长春师范大学学报, 2017, 36(12):86-88.
Cheng B. Land use information extraction based on support vector machine using multitemporal remote sensing in Qian’an County[J]. Journal of Changchun Normal University, 2017, 36(12):86-88.
[5] 王德军, 姜琦刚, 李远华, 等. 基于Sentinel-2A/B时序数据与随机森林算法的农耕区土地利用分类[J]. 国土资源遥感, 2020, 32(4):236-243.doi:10.6046/gtzyyg.2020.04.29.
Wang D J, Jiang Q G, Li Y H, et al. Land use classification of farming areas based on time series Sentinel-2A/B data and random forest algorithm[J]. Remote Sensing of Land and Resources, 2020, 32(4):236-243.doi:10.6046/gtzyyg.2020.04.29.
[6] 杨欢, 邓帆, 张佳华, 等. 基于MODIS EVI的江汉平原油菜和冬小麦种植信息提取研究[J]. 国土资源遥感, 2020, 32(3):208-215.doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.27.
Yang H, Deng F, Zhang J H, et al. A study of information extraction of rape and winter wheat planting in Jianghan Plain based on MODIS EVI[J]. Remote Sensing of Land and Resources, 2020, 32(3):208-215.doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.27.
[7] 梁继, 郑镇炜, 夏诗婷, 等. 高分六号红边特征的农作物识别与评估[J]. 遥感学报, 2020, 24(10):1168-1179.
Liang J, Zheng Z W, Xia S T, et al. Crop recognition and evaluationusing red edge features of GF-6 satellite[J]. Journal of Remote Sensing, 2020, 24(10):1168-1179.
[8] 周小成, 郑磊, 黄洪宇. 基于多特征优选的无人机可见光遥感林分类型分类[J]. 林业科学, 2021, 57(6):24-36.
Zhou X C, Zheng L, Huang H Y. Classification of forest stand based on multi-feature optimization of UAV visible light remote sensing[J]. Forestry Science, 2021, 57(6):24-36.
[9] 刘家福, 李林峰, 任春颖, 等. 基于特征优选的随机森林模型的黄河口滨海湿地信息提取研究[J]. 湿地科学, 2018, 16(2):97-105.
Liu J F, Li L F, Ren C Y, et al. Information extraction of coastal wetlands in Yellow River Estuary by optimal feature-based random forest model[J]. Journal of Wetland Science, 2018, 16(2):97-105.
[10] 刘莹, 孟庆岩, 王永吉, 等. 基于特征优选与支持向量机的不透水面覆盖度估算方法[J]. 地理与地理信息科学, 2018, 34(1):24-31,3.
Liu Y, Meng Q Y, Wang Y J, et al. A method for estimating impervious surface percentage based on feature optimization and SVM[J]. Geography and Geoinformatics Science, 2018, 34(1):24-31,3.
[11] 张东彦, 杨玉莹, 黄林生, 等. 结合Sentinel-2影像和特征优选模型提取大豆种植区[J]. 农业工程学报, 2021, 37(9):110-119.
Zhang D Y, Yang Y Y, Huang L S, et al. Extraction of soybean planting areas combining Sentinel-2 images and optimized feature model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2021, 37(9):110-119.
[12] 张文博, 孔金玲, 杨园园, 等. 面向对象的旱区植被遥感精细分类研究[J]. 测绘科学, 2021, 46(1):136-140,183.
Zhang W B, Kong J L, Yang Y Y, et al. Fine vegetation classification of remote sensing in arid areas based on object-oriented method[J]. Science of Surveying and Mapping, 2021, 46(1):136-140,183.
[13] Ni R, Tian J, Li X, et al. An enhanced pixel-based phenological feature for accurate paddy rice mapping with Sentinel-2 imagery in Google Earth Engine[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2021,178,282-296.
[14] 王李娟, 孔钰如, 杨小冬, 等. 基于特征优选随机森林算法的农耕区土地利用分类[J]. 农业工程学报, 2020, 36(4):244-250.
Wang L J, Kong Y R, Yang X D, et al. Classification of land use in farming areas based on feature optimization random forest algorithm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(4):244-250.
[15] 熊皓丽, 周小成, 汪小钦, 等. 基于GEE云平台的福建省10 m茶园专题空间分布制图[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(7):1325-1337.
Xiong H L, Zhou X C, Wang X Q, et al. Mapping the spatial distribution of tea plantations with 10 m resolution in Fujian Province using google earth engine[J]. Journal of Geoinformatics Science, 2021, 23(7):1325-1337.
[16] 张磊, 宫兆宁, 王启为, 等. Sentinel-2影像多特征优选的黄河三角洲湿地信息提取[J]. 遥感学报, 2019, 23(2):313-326.
Zhang L, Gong Z N, Wang Q W, et al. Wetland mapping of Yellow River Delta wetlands based on multi-feature optimization of Sentinel-2 images[J]. Journal of Remote Sensing, 2019, 23(2):313-326.
[17] Haralick R M, Shanmugam K, Dinstiein I H. Textural features for image classification[J]. IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics, 1973, 3(6):610-621.
[18] 王庚泽, 靳海亮, 顾晓鹤, 等. 基于改进分离阈值特征优选的秋季作物遥感分类[J]. 农业机械学报, 2021, 52(2):199-210.
Wang G Z, Jin H L, Gu X H, et al. Remote sensing classification of autumn crops based on hybrid feature selection model combining with relief F and improved separability and thresholds[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(2):199-210.
[19] 高国龙, 杜华强, 韩凝, 等. 基于特征优选的面向对象毛竹林分布信息提取[J]. 林业科学, 2016, 52(9):77-85.
Gao G L, Du H Q, Han N, et al. Mapping of moso bamboo forest using object-based approach based on the optimal features[J]. Forestry Sciences, 2016, 52(9):77-85.
[20] Millard K, Richardson M. On the importance of training data sample selection in random forest image classification:A case study in peatland ecosystem mapping[J]. Remote Sensing, 2015, 7(7):8489-8515.
doi: 10.3390/rs70708489
[1] 杜晓川, 娄德波, 徐林刚, 范莹琳, 张琳, 李婉悦. 基于GF-2影像和随机森林算法的花岗伟晶岩提取[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 53-60.
[2] 余绍淮, 徐乔, 余飞. 联合光学和SAR遥感影像的山区公路滑坡易发性评价方法[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 81-89.
[3] 钟骁勇, 李洪义, 郭冬艳, 谢模典, 赵婉如, 胡碧峰. 基于多源环境变量和随机森林模型的江西省耕地土壤pH值空间预测[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 178-185.
[4] 何苏玲, 贺增红, 潘继亚, 王金亮. 基于多模型的县域土地利用/土地覆盖模拟[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 201-213.
[5] 李光哲, 王浩, 曹银璇, 张晓宇, 宁晓刚. 长株潭城市群生态环境质量时空演变及影响因素分析[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 244-254.
[6] 席磊, 舒清态, 孙杨, 黄金君, 宋涵玥. 基于ICESat2的西南山地森林LAI遥感估测模型优化[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(3): 160-169.
[7] 排日海·合力力, 昝梅. 干旱区绿洲城市生态环境时空格局变化及影响因子研究[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(3): 201-211.
[8] 梁锦涛, 陈超, 张自力, 刘志松. 一种融合指数与主成分分量的随机森林遥感图像分类方法[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(3): 35-42.
[9] 伍炜超, 叶发旺. 面向多背景环境的Sentinel-2云检测[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(3): 124-133.
[10] 侯英卓, 纪灵, 邢前国, 盛德志. 卫星遥感辅助的大型海藻养殖动态对比监测——以威海市为例[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2): 34-41.
[11] 于森, 贾明明, 陈高, 鲁莹莹, 李毅, 张博淳, 路春燕, 李慧颖. 基于LandTrendr算法海南东寨港红树林扰动研究[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2): 42-49.
[12] 朱琳, 黄玉玲, 杨刚, 孙伟伟, 陈超, 黄可. 基于GEE的杭州湾海岸线遥感提取与时空演变分析[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2): 50-60.
[13] 吴玉鑫, 王卷乐, 韩保民, 严欣荣. 基于时空谱特征的墨脱县森林分类方法与实现[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(1): 180-188.
[14] 田晨, 张金龙, 金义蓉, 董世元, 王彬, 张乃祥. 一种利用贝叶斯优化的蓝藻遥感分类方法[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(1): 49-56.
[15] 张昊, 高小红, 史飞飞, 李润祥. 基于Sentinel-2 MSI与Sentinel-1 SAR相结合的黄土高原西部撂荒地提取——以青海民和县为例[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 144-154.
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