第一作者简介: 于菲菲(1987-),女,硕士研究生,主要从事遥感信息提取及土地利用变化模拟研究。Email:feifeiyu_2012@163.com。
为了有效地提取大范围地形复杂区域的土地利用/土地覆盖遥感信息,以位居青藏高原与黄土高原过渡地带的青海东部地区为研究区,研究基于蚁群智能优化算法(ant colony intelligent optimization algorithm,ACIOA)的土地利用/土地覆盖遥感智能分类。首先选用TM图像、DEM、坡度和坡向数据作为分类的特征波段; 然后利用归一化植被指数NDVI对实验区数据进行植被分区; 最后利用ACIOA算法进行分类规则挖掘,并依据分类规则进行土地利用/覆盖信息的提取。研究表明,基于植被分区的多特征蚁群智能分类的总体精度为88.85%, Kappa=0.86,优于传统的遥感图像分类方法,为大范围地形复杂区域的土地利用/土地覆盖遥感信息提取提供了有效的方法。
In order to effectively extract land use/land cover remote sensing information in a wide range of terrain complex area,the authors, taking the transition zone between Tibetan Plateau and the Loess Plateau in eastern Qinghai as the study area,studied the intelligent remote sensing classification of land use/land cover by using ant colony intelligent optimization algorithm(ACIOA)in this paper. Firstly,TM image,digital elevation model,slope and aspect data were selected as characteristic bands for classification. Secondly,the study area was divided into two parts using the normalized difference vegetation index(NDVI)so as to reduce the influence of different objects with the same spectrum. Finally,the classification rules were excavated using ACIOA,by which regional land use/cover information was extracted. The results show that the ACIOA classification of multi-character data based on vegetation partition is superior to the traditional remote sensing classification. The overall accuracy of the classification and the Kappa coefficient of ACIOA with multi-character data based on vegetation partition is 88.85% and 0.86 respectively. Therefore,this study provides an effective way for extracting land use/land cover information in large-area complex terrain.
土地利用/土地覆盖变化(land use and land cover change, LUCC)研究是全球变化研究的热点之一[1, 2, 3, 4]。中国西部地区是全球变化的敏感区域, 地形复杂, 水土流失和土地荒漠化严重, 生态环境极其脆弱[5, 6]。为有效治理西部地区的生态环境, 近年来开展了大规模“ 退耕还林还草” 工程。与此同时, 随着西部大开发战略的深入实施, 城镇化和工业化进程得到加速, 建设用地占用耕地情况较为突出。因此, 中国西部地区土地利用/覆盖发生了较为显著的变化[7, 8, 9, 10]。为了保证西部地区经济的可持续发展和土地资源的合理有效利用, 需要准确、快速地掌握和分析LUCC的信息。
中国西部地区的自然条件复杂, 遥感技术作为快速提取LUCC信息的有效手段, 已在该区土地资源调查和测绘制图中发挥了重要作用[11, 12], MODIS和NOAA等中、低分辨率遥感数据已被成功应用于该地区土地荒漠化监测[13, 14, 15, 16]。然而, 目前在较大范围区域开展的资源与环境遥感应用中仍以目视解译为主, 费时费力, 且难以保证遥感图像解译的时效性。因此, 如何从海量遥感数据中快速、智能化地提取感兴趣信息是亟待解决的问题。随着群体智能理论的快速发展, 群体智能方法已被引入到遥感信息提取中, 并成为新的研究热点[17, 18, 19]。蚁群智能优化算法(ant colony intelligent optimization algorithm, ACIOA)是模仿自然界的蚂蚁群体觅食过程中沿最短路径行进的生物学行为发展起来的一种群体智能优化方法。ACIOA算法作为一种“ 自上而下” 的群体智能算法, 不需要统计分布的先验知识, 具有很强的自学习能力、鲁棒性、自适应性和正反馈机制等优点, 在海量遥感图像数据的信息提取方面表现出极大的优势。许多学者先后用ACIOA算法进行了遥感图像分类规则的挖掘研究[17, 18, 19, 20, 21, 22]。本文针对大范围复杂区域LUCC信息的提取问题, 采用基于植被分区的ACIOA算法挖掘遥感分类规则, 实现对LUCC信息的有效提取。
本文以平安县为实验区, 探索利用ACIOA算法的综合分类方法实现LUCC遥感信息的准确自动提取, 以期为大范围地形复杂地区的LUCC信息提取提供有效方法。
实验区选择地处青海东部湟水中游的平安县, 该区域位于青藏高原与黄土高原的过渡地带, 处于E101° 49'~102° 10', N36° 15'~36° 34'之间。全县东西长23 km, 南北宽33.6 km, 土地总面积742.89 km2。区内地形复杂, 沟壑纵横, 海拔在2 066~4 166.7 m之间。该区域属典型的干旱、半干旱地区, 人口密度较大, 经济相对发达, 是以西宁市为中心的青海东部城市群以及新型工业化发展的重点区域, 也是青海省重要的农业区[23]。有川水、浅山和脑山3大农业类型区; 土地利用类型以林地和牧草地为主, 耕地相对较少, 建设用地所占比例较低。其中, 建设用地与水浇地主要分布在重要交通沿线、湟水谷地及其主要支流河谷地带, 而旱地、林地、牧草地和未利用地主要分布在自然条件较差的浅山和脑山地区, 土地利用空间分布差异明显。
采用的遥感数据为TM图像, 来源于中国科学院对地观测与数字地球科学中心数据服务平台(www.ceode.cas.cn), 成像日期为2009年9月21日, 轨道号132/35, 空间分辨率30 m。 实验选用了TM1(0.45~0.52 μ m), TM2(0.52~0.60 μ m), TM3(0.63~0.69 μ m), TM4(0.76~0.90 μ m), TM5(1.55~1.75 μ m)和TM7(2.08~2.35 μ m)波段的图像。
此外, 采用DEM、坡度和坡向数据作为TM图像的辅助特征波段; 采用第二次全国土地利用调查数据(该数据是采用2007— 2009年的高分辨率遥感图像经解译、矢量化和野外调查获得的1︰1万比例尺数据, 具有较高精度), 以及接近同期的部分QuickBird高分辨率遥感数据, 作为遥感分类训练样本和分类结果精度验证的地面参考数据; 将实验区土地利用调查数据按本文分类系统进行地类合并; 采用分层随机采样方法选取了852个验证样本, 用于本文方法的精度验证。
TM图像的预处理包括: ①几何纠正, 首先以土地调查数据为参考, 在TM图像上选取地面控制点, 其次构建几何畸变纠正的数学关系, 并进行图像重采样; ②辐射校正, 采用FLAASH大气校正模型进行辐射校正; ③图像裁剪, 依据土地利用调查数据中的平安县行政区矢量数据对图像进行裁剪, 得到实验区范围内的TM5(R)4(G)3(B)假彩色合成图像(图1)。
蚁群智能优化算法(ACIOA)具体过程如图2所示, 它是一种基于群体智能的启发式仿生学优化算法, 该算法模拟了自然界中蚂蚁觅食时的路径选择行为[18]。研究发现, 蚂蚁总能在食物源和蚁穴间选择一条最短的路径, 这是因为蚂蚁在已走过的路径上释放了一种特殊的挥发性物质— — 信息素, 信息素浓度的高低能够引导蚂蚁的路径选择; 当某路径上的信息素浓度高于其他路径时, 蚂蚁更倾向于选择此路径。当蚂蚁开始觅食时, 在未走过的交叉路口处会随机选择一条路径; 随着路径上信息素的不断挥发和积累, 较短路径上的信息素浓度不断增
加, 而较长路径上的信息素不断消失。这样, 更多的蚂蚁选择较短的路径; 与此同时, 短路径的信息素浓度继续上升, 于是形成一种正反馈机制; 最终, 所有的蚂蚁都会选择距离最短的路径。
假设蚂蚁在觅食过程中存在2条距离不等的路径ABD和ACD, 各有30只蚂蚁从蚁穴和食物源出发。在t=0时刻, 到达路口A和D时分别有15只蚂蚁从2条路径经过; 因ACD路径比ABD路径短, 故ACD路径上的蚂蚁先到达目的地, 此时, ACD路径的信息素浓度高于ABD路径; 经过t+1时刻, 越来越多的蚂蚁选择路径ACD, 同时该路径信息素的浓度不断增加; 最终, 所有的蚂蚁都选择蚁穴— ACD— 食物源这条较短的路径。
将蚂蚁觅食的这种寻优过程应用于群体智能优化领域, 即产生了ACIOA算法。
参考土地利用调查数据的土地利用分类, 同时考虑实验区遥感图像的实际可解译能力、环境条件及土地利用现状等因素, 根据“ 全国遥感监测土地利用/覆盖分类体系” , 构建了适合于实验区的LUCC遥感信息提取的分类体系(表1)。
![]() | 表1 实验区的土地利用/土地覆盖分类体系 Tab.1 Land use / cover classification system of the study area |
3.3.1 多特征数据
遥感数据与非遥感数据的复合利用能弥补单一遥感数据的不足, 发挥非遥感数据的辅助作用, 有效地提高遥感数据的分类精度。本文的实验区域位于地形复杂、海拔差异大的中国西部, DEM数据以及由DEM数据生成的坡度和坡向数据能有效地反映植被垂直分带情况与局地生长环境, 是提高遥感分类精度的有效辅助数据[24]。因此, 本文以TM图像、DEM、坡度和坡向数据作为分类的特征波段。
3.3.2 植被分区
根据干旱、半干旱地区的植被特征, 将实验区分为以植被为主的区域和以非植被为主的区域, 以减少整体分类中异物同谱现象的影响。归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)作为植物生长状态和植被空间分布密度的最佳指示因子, 与植被分布密度呈线性关系, 是遥感估算植被覆盖度研究中常用的植被指数。为此, 采用NDVI进行植被分区。利用预处理后的TM图像生成NDVI, 统计分析训练样本的NDVI值, 确定植被或非植被的划分阈值NDVI=0.18, 以此将实验区划分为以植被为主的区域和以非植被为主的区域。同时, 以土地利用调查数据为参照, 采用分层随机采样的方法采集训练样本, 以植被和非植被为主的实验区域分别选取了872个和432个训练样本。
3.3.3 分类规则智能挖掘
采用ACIOA算法分别对上述2个区域挖掘遥感分类规则。该算法以训练样本的各波段离散值为属性节点, 以各目标地类为类节点, 通过寻优搜索属性节点和类节点的连线, 挖掘相应的遥感分类规则。规则挖掘的步骤包括:
1)波段离散化。在挖掘分类规则前, 采用基于信息熵的离散化方法, 对训练样本的数据进行离散处理[25]。
2)初始规则构造。为缩短蚂蚁搜索的时间, 构造与问题相关的启发式函数, 引导蚁群的搜索。规则构造时采用赌轮机制选择属性节点, 直到该路径中包含了所有属性; 然后选择1个类节点而且只能有1个类节点, 至此1条完整初始分类规则形成。
3)规则剪枝。完成初始分类规则构造后, 每一个属性节点都被选为规则的1个条件项; 通过规则剪枝, 移除降低分类规则有效性的属性节点, 简化分类规则, 最大化地提高分类规则的有效性。
4)信息素更新。当所有蚂蚁构造的初始规则经过规则剪枝后, 更新所有属性节点的信息素浓度, 直至剩余的训练样本数小于预设样本数。以上分类规则的自动挖掘是在C#环境下, 通过编程实现的。
1)分别采用ACIOA算法、支持向量机(SVM)和最大似然(ML)方法进行土地利用/覆盖分类, 结果如图4所示。
![]() | 图4 基于植被分区的多特征数据土地利用/覆盖分类结果Fig.4 Land use/cover classification results of multi-character data based on vegetation partition |
2)在不进行植被分区的情况下, 利用多特征数据, 采用不同算法得到土地利用/覆盖分类结果(图5)。
3)在不进行植被分区的情况下, 仅使用TM图像, 采用不同算法得到土地利用/覆盖分类结果(图6)。
本文选用混淆矩阵作为上述3种不同情况下分类结果的精度评价方法。该方法是国内外广泛使用的遥感分类精度评价方法, 具体评价指标有总体精度、Kappa等, 分别从不同的分析角度评价分类结果的精度。其中, Kappa不随类别样本点数量的不同而改变, 能够更加客观地评价分类精度。
1)在不进行植被分区的情况下, 仅用TM图像, 采用ACIOA算法的总体分类精度为83.22%, Kappa=0.79, 比SVM和ML方法的总体分类精度分别提高了0.59%和2.82%, Kappa分别提高了0.02和0.04(表2)。由此可见, 与SVM和ML方法相比, 基于遥感图像的ACIOA分类方法有一定的优势。
![]() | 表2 基于TM图像分类精度 Tab.2 Classification accuracy based on TM image |
2)在不进行植被分区的情况下, 利用多特征数据图像, 采用ACIOA算法的分类总体精度为85.09%, Kappa=0.81(表3), 比SVM和ML方法的分类总体精度分别提高了1.99%和3.17%, Kappa
![]() | 表3 多特征数据图像分类精度 Tab.3 Classification accuracy based on multi-character data image |
分别提高了0.03和0.04; 比仅用TM图像的分类总体精度提高了1.87%, Kappa提高了0.02。由此可见, 在地形复杂的大范围区域, 多特征数据能够有效地提高遥感数据的分类精度, 并且基于多特征数据的ACIOA分类方法优于SVM和ML方法。
3)在植被分区的情况下, 利用多特征数据图像, 采用ACIOA算法分类的总体精度88.85%, Kappa=0.86, 比SVM和ML方法的分类总体精度分别提高了2%和5.52%, Kappa分别提高了0.03和0.08(表4); 比仅用TM图像和多特征数据图像分类总体精度分别提高了5.63%和3.76%, Kappa分别提高了0.07和0.05。由此可见, 在地形复杂的大范围区域, 基于植被分区的多特征数据遥感分类方法更为有效地提高了土地利用/覆盖遥感信息提取精度, 而且基于植被分区的多特征ACIOA分类方法明显优于SVM和ML方法。
![]() | 表4 基于植被分区多特征图像分类精度 Tab.4 Classification accuracy based on multi-character data in vegetation partition |
为有效提取大范围地形复杂地区的土地利用/覆盖遥感信息, 以青藏高原与黄土高原过渡地带的青海东部地区为研究区, 进行了ACIOA分类方法的研究。结果表明:
1)利用遥感图像、DEM、坡度和坡向复合的多特征数据, ACIOA分类的总体精度达到85.09%, 比仅用TM图像ACIOA分类的总体精度提高了1.87%, 并优于基于多特征数据的SVM和ML分类结果。
2)为减小异物同谱现象对整体分类的影响, 根据干旱、半干旱地区的植被特征, 采用植被分区的多特征ACIOA分类的总体精度达到88.85%, 比不分区的ACIOA分类的总体精度提高了3.76%, 并优于基于植被分区的多特征SVM和ML分类结果。
3)本文提出的基于植被分区的多特征数据ACIOA智能分类方法与策略, 能有效地提高大范围地形复杂地区土地利用/覆盖遥感信息提取的精度, 在大范围地形复杂的区域土地利用/覆盖遥感信息提取中具有较大的应用潜力。
The authors have declared that no competing interests exist.
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