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自然资源遥感  2024, Vol. 36 Issue (1): 86-94    DOI: 10.6046/zrzyyg.2022489
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协同Sentinel-1/2多特征优选的甘蔗提取方法
卢献健(), 张焕铃, 晏红波(), 黎振宝, 郭子扬
桂林理工大学测绘地理信息学院,桂林 541006
A method for sugarcane information extraction based on multi-feature optimal selection of Sentinel-1/2 image data
LU Xianjian(), ZHANG Huanling, YAN Hongbo(), LI Zhenbao, GUO Ziyang
College of Geomatics and Geoinformation, Guilin University of Technology, Guilin 541006, China
全文: PDF(12067 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

协同多源遥感影像、融合多特征参数是目标地物精确识别的有效方法,但过多的特征参数会造成数据冗余,降低分类精度。该文以岩溶地貌甘蔗种植区为例,使用Sentinel-1,Sentinel-2影像数据以及SRTM数字高程数据提取研究区地物的光谱特征、指数特征、纹理特征、地形特征和极化特征,其中,指数特征考虑了众多遥感传感器少有的红边波段计算的红边指数,纹理特征加入了雷达影像纹理。在实验中设计了6种方案探讨不同影像特征以及基于随机森林优选的最佳特征组合对甘蔗提取的影响。结果表明: 在光谱特征叠加不同特征类型对研究区地物进行分类的情况下,不同特征类型重要性排序为光谱特征>指数特征>纹理特征>地形特征>极化特征; 6种方案中基于随机森林算法构建的优选特征方案融合了不同特征变量,其甘蔗提取效果最佳,用户精度和生产者精度都高于97%,总体精度为95.49%,Kappa系数为0.94。

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卢献健
张焕铃
晏红波
黎振宝
郭子扬
关键词 多源遥感精准识别随机森林特征优选红边波段极化特征    
Abstract

The integration of multi-source remote sensing images and multi-feature parameters is effective in the accurate identification of target ground objects. However, excess feature parameters can cause data redundancy, reducing classification accuracy. Focusing on a sugarcane planting area with Karst landforms, this study extracted the spectral, index, texture, topographic, and polarization features of the ground objects in the study area from Sentinel-1/2 images and SRTM digital elevation data. The index features involved the red edge index calculated based on the red-edge band, which was scarce in data derived from remote sensing sensors, and the texture features included the Radar image textures. In the experiment, six schemes were designed to explore the effects of different image features and the random forest-based optimal feature association on sugarcane information extraction. The results show that for the classification of ground objects in the study area using spectral features combined with other feature types, the importance of the feature types ranked in descending order of spectral features, index features, texture features, topographic features, and polarization features. Among the six schemes, the scheme based on the random forest algorithm, integrating different feature variables, yielded the optimal information extraction effect for sugarcane, with both user and producer accuracy higher than 97%, overall accuracy of 95.49%, and a Kappa coefficient of 0.94.

Key wordsmulti-source remote sensing    accurate identification    random forest    optimal feature selection    red-edge band    polarization feature
收稿日期: 2022-12-26      出版日期: 2024-03-13
ZTFLH:  TP79  
基金资助:广西自然科学基金项目“基于高分影像的喀斯特地区土壤水分反演关键问题研究”(2022GXNSFBA035639);国家自然科学基金项目“地基和星载GNSS-R融合的花岗岩滑坡高时空分辨率土壤湿度反演研究”(42064003);广西空间信息与测绘重点实验室开放基金项目“广西地区农业干旱遥感监测及预警方法研究”(桂科能19-050-11-23)
通讯作者: 晏红波(1983-),女,博士,教授,研究方向为遥感数据智能处理及地表参数变化监测。Email: 2009019@glut.edu.cn
作者简介: 卢献健(1982-),男,硕士,副教授,研究方向为遥感影像智能处理与应用。Email: 285922956@qq.com
引用本文:   
卢献健, 张焕铃, 晏红波, 黎振宝, 郭子扬. 协同Sentinel-1/2多特征优选的甘蔗提取方法[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(1): 86-94.
LU Xianjian, ZHANG Huanling, YAN Hongbo, LI Zhenbao, GUO Ziyang. A method for sugarcane information extraction based on multi-feature optimal selection of Sentinel-1/2 image data. Remote Sensing for Natural Resources, 2024, 36(1): 86-94.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2022489      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2024/V36/I1/86
Fig.1  研究区地理位置图
地物
类别
建设
用地
林地 水域 甘蔗 水稻 香蕉 裸地
数量 576 762 513 1 012 218 236 242
Tab.1  Sample data statistics (个)
Fig.2  技术流程图
特征
类型
变量名称 变量符号 变量描述/公式
光谱
特征
波段 B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,B8A,B11,B12 蓝、绿、红、红边、近红外、短波红外
指数
特征
归一化植被指数 NDVI (B8-B4)/(B8+B4)
增强植被指数 EVI 2.5(B8A-B4)/(B8A+6B4-
7.5B2+1)
归一化水体指数 NDWI (B3-B8)/(B3+B8)
叶绿素指数—红边 CIre B7/B5-1
归一化差异红色边缘指数 NDre1
NDre2
(B6-B5)/(B6+B5)
(B7-B5)/(B7+B5)
红边归一化差值植被指数 NDVIre1
NDVIre2
NDVIre3
(B8A-B5)/(B8A+B5)
(B8A-B6)/(B8A+B6)
(B8A-B7)/(B8A+B7)
纹理
特征
二阶矩 B8_asm,VV_asm,VH_asm
对比度 B8_cont,VV_cont,VH_cont
相关性 B8_corr,VV_corr,VH_corr
方差 B8_var,VV_var,VH_var
逆差距 B8_idm,VV_idm,VH_idm
B8_ent,VV_ent,VH_ent
极化
特征
VV极化后向散射系数 δ V V
VH极化后向散射系数 δ V H
地形
特征
高程 DEM
坡度 Slope
Tab.2  特征变量
Fig.3  不同影像特征地物可区分性
Fig.4  特征波段重要性
Fig.5  不同方案甘蔗提取图
地物类型 方案1 方案2 方案3 方案4 方案5 方案6
UA/% PA/% UA/% PA/% UA/% PA/% UA/% PA/% UA/% PA/% UA/% PA/%
香蕉 86.36 80.28 96.96 82.05 93.24 76.66 92.98 79.10 94.52 88.46 94.44 98.55
水稻 98.38 88.40 98.55 94.44 97.22 94.59 98.24 93.33 98.11 91.22 100.00 96.15
甘蔗 90.15 93.42 90.54 95.80 91.45 97.96 91.88 96.94 94.75 97.15 97.59 98.61
裸地 86.11 93.93 95.77 94.44 97.05 91.66 96.47 88.17 93.75 93.75 92.50 97.36
林地 83.91 82.47 80.45 86.34 85.65 88.64 86.84 89.59 88.28 88.97 92.48 89.95
水体 97.88 99.28 98.63 97.29 98.61 97.26 98.70 98.06 100.00 97.93 100.00 97.45
建设用地 88.41 86.82 93.82 85.87 92.90 90.00 90.37 88.94 92.46 93.40 91.71 93.25
OA/% 89.53 91.33 92.21 92.27 93.61 95.49
Kappa 0.87 0.89 0.90 0.90 0.92 0.94
Tab.3  甘蔗种植区地物分类精度统计
地物
类型
香蕉 水稻 甘蔗 裸地 林地 水体 建设
用地
香蕉 76 1 2 0 4 0 1
水稻 0 55 2 0 0 0 1
甘蔗 0 0 286 0 4 0 0
裸地 0 0 0 70 0 0 4
林地 1 0 17 2 210 0 9
水体 0 0 0 0 2 173 1
建设
用地
0 0 0 3 9 0 158
Tab.4  方案6混淆矩阵
Fig.6  方案6甘蔗提取局部图
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