自然资源遥感, 2025, 37(2): 265-273 doi: 10.6046/zrzyyg.2023345

海岸带空间资源及生态健康遥感监测专栏

基于GEE与多源遥感数据的黄河三角洲湿地植物群落分类

张念秋,1,2, 毛德华,1,3, 冯凯东1,2, 甄佳宁1, 相恒星1, 任永星1

1.中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春 130102

2.中国科学院大学,北京 100049

3.中国科学院湿地生态与环境重点实验室,长春 130102

Classification of wetland plant communities in the Yellow River Delta based on GEE and multisource remote sensing data

ZHANG Nianqiu,1,2, MAO Dehua,1,3, FENG Kaidong1,2, ZHEN Jianing1, XIANG Hengxing1, REN Yongxing1

1. Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China

2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

3. Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment, Northeast Institute of Geography and Agroecology, CAS, Changchun 130102, China

通讯作者: 毛德华(1987-)男,博士,研究员,研究方向为湿地遥感。Email:maodehua@iga.ac.cn。

责任编辑: 张仙

收稿日期: 2023-11-14   修回日期: 2024-03-6  

基金资助: 国家自然科学基金优秀青年科学基金项目“湿地景观格局与过程”(42222103)

Received: 2023-11-14   Revised: 2024-03-6  

作者简介 About authors

张念秋(1999-),女,硕士研究生,研究方向为滨海湿地遥感。Email: zhangnianqiu23@mails.ucas.ac.cn。

摘要

精确识别滨海湿地植物群落对加强滨海湿地生态质量监测、提升滨海湿地生态系统功能具有重要意义。该研究以黄河三角洲为研究区,基于Google Earth Engine(GEE)平台上的Sentinel-1/2影像,构建包含物候、传统光学、红边和雷达特征的特征向量集,采用随机森林算法对2021年黄河三角洲湿地植物群落进行分类,并进一步探讨物候特征在分类中发挥的作用。研究结果表明: ①分类的总体精度为97.91%,Kappa系数为0.97,2021年黄河三角洲湿地中芦苇、碱蓬、互花米草和柽柳的面积分别为49.91 km2,39.91 km2,79.36 km2和20.86 km2; ②基于归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)时间序列拟合曲线可有效提取黄河三角洲湿地典型植物群落的物候特征,其中可分性较强的特征有最大值日期、基准值、生长期振幅、季初增长率和季末衰减率; ③与其他特征变量相比,加入物候特征后总体精度提升幅度最大,物候特征在分类中的作用更为突出。研究结果能够为黄河三角洲滨海湿地植物群落监测与生态保护提供方法参考与科学依据。

关键词： GEE; Sentinel-1/2影像; 物候特征; 湿地植物群落; 黄河三角洲

Abstract

Accurately identifying plant communities in coastal wetlands is critical for strengthening the ecological quality monitoring and enhancing the ecosystem functions of coastal wetlands. With the Yellow River Delta as the study area, this study constructed a feature vector set including phenological, optical, red-edge, and radar features based on Sentinel-1/2 image data using the Google Earth Engine (GEE) platform. It classified the wetland plant communities in the Yellow River Delta in 2021 using the random forest algorithm. Moreover, it explored the effects of phenological features in classification. The results reveal an overall classification accuracy of 97.91 % and a Kappa coefficient of 0.97. In 2021, the distribution areas of Phragmites australis, Suaeda glauca, Spartina alterniflora, and Tamarix chinensis were 49.91 km2, 39.91 km2, 79.36 km2, and 20.86 km2, respectively. The phenological features of typical plant communities in the Yellow River Delta wetlands were effectively extracted based on the normalized difference vegetation index (NDVI) time-series fitting curves. The highly distinguishable features included the maximum value date, base value, growth amplitude, beginning-of-season growth rate, and end-of-season decline rate. Compared to other feature variables, phenological features contributed more significantly to the overall classification accuracy, suggesting their prominent role in classification. The results of this study provide a methodological reference and scientific basis for the plant community monitoring and ecological conservation of coastal wetlands in the Yellow River Delta.

Keywords： GEE; Sentinel-1/2 images; phenological features; wetland plant community; Yellow River Delta

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本文引用格式

张念秋, 毛德华, 冯凯东, 甄佳宁, 相恒星, 任永星. 基于GEE与多源遥感数据的黄河三角洲湿地植物群落分类[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(2): 265-273 doi:10.6046/zrzyyg.2023345

ZHANG Nianqiu, MAO Dehua, FENG Kaidong, ZHEN Jianing, XIANG Hengxing, REN Yongxing. Classification of wetland plant communities in the Yellow River Delta based on GEE and multisource remote sensing data[J]. Remote Sensing for Land & Resources, 2025, 37(2): 265-273 doi:10.6046/zrzyyg.2023345

0 引言

滨海湿地位于陆地生态系统与海洋生态系统相互作用的过渡地带,一般由滨海植被和潮滩组成,是众多迁徙水鸟的重要栖息地[1-2]。滨海湿地植被在海岸线保护、抵御风暴及保护候鸟迁徙等方面发挥着关键作用[3],具有重要的生态和经济价值。然而,气候变化与人类活动对滨海湿地造成了严重破坏,尤其是近年来入侵生物的迅速扩张严重威胁了本地物种的生态结构及滨海湿地的生态功能[4]。20世纪80年代互花米草被引种到黄河三角洲,其分布范围迅速扩张,造成了生物多样性下降、泥沙淤积和河道阻塞等问题[5-6],严重破坏了黄河三角洲生态系统的稳定。因此,实现黄河三角洲湿地植物群落的精准监测,掌握不同类型植被的分布格局对当地的湿地资源管理和生态环境可持续发展具有重要意义。

卫星遥感具有数据来源广、数据量大和成本低等优点,已成为湿地植被监测的主要技术手段。有着5 d时间分辨率和10 m空间分辨率的Sentinel-2影像使得湿地植物群落精细分类成为可能。如刘瑞清等[7]使用Sentinel-2卫星影像实现了对盐城滨海湿地典型植物的有效分类。此外,Sentinel-1影像是高空间分辨率的合成孔径雷达(synthetic aperture Radar,SAR)影像,其后向散射系数能够反映湿地植物群落的表面粗糙度和介电特性,且不受云雨影响,具有全天候全天时的优点,因此Sentinel-1数据能够提供不同于光学特征的信息。随着遥感大数据时代的到来,以Google Earth Engine(GEE)为代表的云计算平台大大提高了数据处理的效率和速度。此外,GEE提供了许多预定义的算法,便于用户进行调用与修改,为湿地植物群落分类算法的使用提供了多种选择。

丰富的遥感卫星数据与高效的云计算平台一定程度上促进了滨海湿地植物群落分类研究从单一数据源向多源数据融合转变,小尺度研究向大尺度研究发展。滨海湿地植物群落分类研究呈现出分类方法多样化和分类特征综合化的发展趋势。目前,部分学者通过多时相遥感数据融合[8]、光学影像与雷达影像融合[9]等方式实现了对湿地植物群落的多维特征提取[10-11]。研究区域方面,主要涵盖市域[7]、省域[12]、流域[13]及国家[14]等尺度; 研究对象方面,黄河三角洲的互花米草监测成为学者们研究的热点[4,15 -17]。现有研究中,基于机器学习的遥感分类方法已普遍应用于滨海湿地植物群落分类,主要包括决策树(decision tree, DT)[18]、支持向量机(support vector machine, SVM)[19]和随机森林(random forest, RF)[20-21]等方法。在特征提取方面,除了基本的光谱波段、植被指数及水体指数外[13],有研究还考虑了纹理特征[15]、物候特征[17]以及综合多种遥感影像特征进行特征优选[16]等方式。学者们发现从密集时间序列遥感影像中提取的物候特征能明显增强入侵物种和其他本地物种之间的可分离性[22-23],但对物候特征在湿地植物群落分类中的有效性关注较少。因此本文借助GEE云平台,以黄河三角洲为研究区,利用Sentinel-1和Sentinel-2数据构建特征向量集,利用RF算法实现黄河三角洲湿地植物群落精细制图,从而提升黄河三角洲湿地植物群落监测精度并为相关生态保护政策的制定提供科学依据。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

黄河三角洲位于山东省东营市的东北部,介于118°33'~119°25'E,37°35'~38°12'N之间,总面积约为1 530 km2,北邻渤海湾,东邻莱州湾(图1)。研究区处于温带季风气候区,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,季节差异较大,年平均气温为11.7~12.3 ℃,年平均降水量为600~700 mm。土壤类型以盐渍土和潮土为主[14]。黄河三角洲湿地是东亚—澳大利亚候鸟迁徙廊道上重要的栖息地[4],并于2013年被列入国际重要湿地名录。研究区内典型的湿地植物群落类型有芦苇、碱蓬、柽柳和互花米草。

图1

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图1   研究区概况图

Fig.1   Location of study area


1.2 数据源与预处理

1.2.1 遥感数据

基于GEE平台获取Sentinel-1雷达数据和Sentinel-2多光谱数据(表1),GEE的内嵌算法已将遥感数据的空间分辨率统一为10 m,空间坐标系统一为WGS84坐标系。存储于GEE中的Sentinel-1数据已经完成了应用轨道文件、地距多视产品(ground range detected, GRD)边界噪声消除、热噪声消除、辐射定标和地形纠正等预处理。Sentinel-1数据选择干涉宽幅模式(interferometric wide, IW)的GRD产品,其空间分辨率为10 m,共获得2021年5—10月的Sentinel-1数据17景,并对其进行中值合成,以减小异常值的影响。Sentinel-2是高分辨率多光谱成像卫星,携带一枚多光谱成像仪(multispectral instrument, MSI),记录了可见光、近红外到短波红外在内的13个光谱波段的反射辐射值,空间分辨率最高可达10 m,重访周期为2~5 d。本研究使用GEE上的Sentinel-2 MSI Level-2A图像,共收集了2021年覆盖研究区域的197景Sentinel-2影像,其中2021年1—12月的影像用于构建归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)时间序列,2021年5—10月的影像进行中值合成后用于提取光学特征和红边特征。

表1   卫星遥感数据基本信息

Tab.1  Information of satellite remote sensing data

数据
名称		传感器
类型		影像获取时间空间分
辨率/m		重访
周期/d
Sentinel-1SAR-C2021-05-01—2021-10-31106
Sentinel-2MSI2021-01-01—2021-12-3110~602~5

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由于潮汐的周期性波动会对植物的光谱特征产生较大影响,因此有必要提取研究区的最低潮位。首先基于负改进归一化水体指数(modified normalized difference water index, mNDWI),使用GEE平台提供的 “ee.ImageCollection.qualityMosaic()”方法对全年图像进行合成,合成影像中的每个像素是全年中mNDWI指数最低的像素。其次使用OTSU算法对影像进行二值化分割,将研究区划分为水体和非水体区域,后续基于非水体范围进行分类。

1.2.2 样本数据

本研究对研究区的芦苇、碱蓬、互花米草和柽柳4种湿地植物群落进行分类,并进一步对非植被区域进行识别以提高分类精度。基于GEE和Google Earth高分辨率影像并结合实地样本点进行目视解译。最后采用随机抽样的方法抽取70%的样本作为训练样本用于建立分类器,其余30%的样本作为验证样本用于精度验证(表2)。

表2   各类植物和非植被的样本数量

Tab.2  Number of samples for each plant species and non-vegetation (个)

类型芦苇碱蓬互花米草柽柳非植被总计
训练样本111391313742360
验证样本3623531913144
合计147621845655504

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2 研究方法

2.1 物候特征提取

NDVI是研究植被物候变化和生物量变化最广泛接受的指标之一[5]。基于Sentinel-2数据,选取NDVI构建基于像元的时间序列。为降低异常值对分类精度的影响需对时间序列进行平滑处理,本文采用二项傅里叶函数[24]对原始NDVI时间序列进行拟合,公式为:

y=a0+a1cos(ωx)+b1sin(ωx)+ a2cos2ωx)+b2sin2ωx) ,

式中: x为一年中日期; ω为频率的系数,近似于0.017(即2π/365); a0为植被物候的总体变化; a1和b1为植被物候的大致变化; a2和b2为不同植物物候的微小波动。将6个系数[a0,a1,a2,b1,b2,ω]的初始估计值设置为[0,0,0,0,0,0.017],使用最小二乘法来获得最优系数。二项傅里叶函数构建的拟合曲线中(图2)横坐标为一年中日期(day of year, DOY)即一年中的第几天,纵坐标为该日对应的NDVI值。从中提取了生长季开始日期(start of the season, SOS)、生长季结束日期(end of the season, EOS)、生长季长度(medium of the season, LOS)、最大值日期(length of the season, MOS)、基准值(base value, BV)、生长期振幅(seasonal amplitude, SA)、季初增长率(increase rate at the beginning of the season, IRS)、季末衰减率(decrease rate at the end of the season, DRS)等8个物候指数。

图2

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图2   基于二项傅里叶函数的NDVI拟合曲线

Fig.2   Illustration of the NDVI fitted curve based on the two-term Fourier function


2.2 多源特征选择

2.2.1 特征向量集构建

为更全面地刻画黄河三角洲湿地植物群落的特征,将传统光学特征(光谱波段、植被指数、水体指数)、红边特征和雷达特征纳入特征向量集以提高湿地植物群落分类精度,其中由于Sentinel-2具有独特的红边波段,因此将3个红边波段和5个红边指数单独作为一类。最终构建的分类特征向量集共包括36个特征向量。具体特征描述如表3所示。

表3   特征集描述

Tab.3  Description of the feature set

特征变量特征简称特征说明
光谱波段BB1,B2,B3,B4,B8,B9,B11,B12
植被指数NDVI(B8-B4)/(B8+B4)
EVI2.5[(B8-B4)/(B8+6B4-7.5B2+1)]
RVIB8/B4
水体指数NDWI(B3-B8)/(B3+B8)
mNDWI(B3-B11)/(B3+B11)
LSWI(B8-B11)/(B8+B11)
红边特征BreB5,B6,B7,B8A
NDVIre1(B8A-B5)/(B8A+B5)
NDVIre2(B8A-B6)/(B8A+B6)
NDre1(B6-B5)/(B6+B5)
NDre2(B7-B5)/(B7+B5)
CIreB7/B5-1
雷达特征VV垂直发射和垂直接收的极化波
VH垂直发射和水平接收的极化波
SAR_sumVV+VH
SAR_diffVV-VH
SAR_NDVI(VV-VH)/(VV+VH)
物候特征SOSNDVI从左最小值向右增加到季节振幅的20%对应的日期
EOSNDVI从右最小值向左增加到季节振幅的20%对应的日期
LOS从生长季开始到生长季结束持续的时间
MOS拟合函数在季节中达到最大值对应的日期
BV拟合函数的最小值
SA拟合函数最大值与基准值之差
IRS(最大值-SOS对应的NDVI)/(MOS-SOS)
DRS(最大值-EOS对应的NDVI)/(EOS-MOS)

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2.2.2 特征优选

在分类研究中分类器的性能随着分类特征的增加而提高,然而当特征数量增加到一定水平后,分类精度不会有明显提升而且会导致数据冗余。因此需要筛选最优的特征组合,以提高分类制图的精度和效率。使用RF中的袋外数据(out of bag, OOB)评估特征重要性,基于GEE中提供的“ee.Classifier.explain()”函数可以计算分类特征重要性。将特征重要性进行降序排序,依次将前n个特征输入到RF分类器中进行分类,并记录每次实验的精度,绘制折线图,选取精度最大时的特征组合,进行最终的分类制图。

2.3 分类方法与精度评价

使用RF算法进行湿地植物群落分类。RF算法是一种将袋装集成学习理论与随机子空间理论相结合的机器学习算法,它使用多棵树来训练和预测样本,其本质是使用多个决策分类器来确定最终的分类结果。模型中的决策树数量N和每个决策树使用的特征的数量m是影响RF算法的分类结果的关键参数。构成RF算法的每一棵决策树中的特征数m选择总特征数M的算术平方根最为合适。

使用混淆矩阵进行精度评价,本研究选取广泛应用的生产者精度(producer’s accuracy, PA)、用户精度(user’s accuracy, UA)、总体精度(overall accuracy, OA)和Kappa系数作为精度评价指标[25]。

2.4 特征变量分类效果对比

为进一步探明物候特征在黄河三角洲湿地植物群落分类中发挥的作用,本研究设计了4种特征组合方式的分类模型(表4),通过对比不同模型精度的差异,以测试不同特征变量在湿地植物群落分类中的效果。

表4   分类模型信息

Tab.4  Information of classification model

方案特征组合
方案1传统光学特征
方案2传统光学特征+红边特征
方案3传统光学特征+红边特征+雷达特征
方案4传统光学特征+红边特征+雷达特征+物候特征

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3 结果与分析

3.1 物候特征提取结果

基于二项傅里叶函数拟合的NDVI时间序列曲线可以较好地提取黄河三角洲湿地典型群落的物候特征。图3反映了各类植物在生长季内的NDVI变化幅度及生长季的时间,图4为各类植物物候特征的箱线图。

图3

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图3   各类植物生长季内NDVI及时间对比

Fig.3   Comparison of growth season NDVI and time of different plant species


图4

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图4   不同湿地植物群落物候特征的箱线图

Fig.4   Comparison of phenological features index of different plant species


由图3(b)和图4(a)可知芦苇和柽柳的SOS集中在4月上旬,碱蓬和互花米草于3—5月开始陆续生长。4类植物的EOS相差较小,各类植物于10—12月逐渐枯萎(图4(b))。碱蓬的LOS最长,约为9个月; 芦苇、互花米草和柽柳的LOS较为相近(图4(c))。由图4(d)可知3类植物的MOS的差异较大,芦苇和碱蓬的MOS箱体重叠部分较少,互花米草的MOS箱体与芦苇和柽柳的箱体重叠部分较少。碱蓬的BV明显小于其他3类植物,在0.02~0.07之间(图3(a)); 芦苇、互花米草和柽柳的BV差异较小(图4(e)),因此BV对碱蓬的区分效果较好。图4(f)和图4(g)表明4类植物的SA和IRS差异较大,从大到小依次为芦苇、互花米草、柽柳和碱蓬,因此SA和IRS可作为区分4类植物的重要指标。4类植物的DRS同样呈现出较好的可分性,DRS从大到小依次为互花米草、芦苇、柽柳和碱蓬(图4(h))。

3.2 特征重要性评价

特征重要性排序如图5所示,当特征数量由1增加到5时OA与Kappa系数大幅增加,加入第6个特征后OA和Kappa系数变小,之后OA与Kappa系数随特征数量增加而增加,当特征数量达到9时总体精度与Kappa系数的变化幅度变小。当特征数量达到13个时,OA和Kappa系数达到最大值,分别为97.92%和0.97,此后OA与Kappa系数逐渐稳定。因此,选择重要性排在前13的特征进行最终的黄河三角洲植被分类制图,具体包括IRS,NDVI,NDWI,VV,B6,LSWI,EVI,NDVIre2,MOS,DRS,mNDWI,SA和BV。其中物候特征、传统光学特征、红边特征和雷达特征的数量分别占总数量的38.5%,38.5%,15.4%和7.7%(表5)。对该13个特征指数的重要性按特征变量的类型分别进行求和统计(表5),发现各类特征变量的重要性占比从高到低依次为传统光学特征(40.3%)、物候特征(35.9%)、红边特征(14.7%)和雷达特征(9.0%)。

图5

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图5   分类精度与特征组合关系

Fig.5   Relationship between classification accuracy and number of feature combinations


表5   特征变量重要性对比

Tab.5  Comparison of importance of different features (%)

比例物候特征传统光
学特征		红边特征雷达特征
特征变量数量占比38.538.515.47.7
特征变量重要性总
和占比		35.940.314.79.0

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3.3 分类结果与精度评价

黄河三角洲湿地植物群落分类图(图6)较好地展示了研究区内典型植被的分布状态。4类植物的总面积达190.04 km2,占研究区总面积的18.27%。分布面积上看(图6(f)),互花米草的面积最广,为79.36 km2,占植被总面积的41.76%。互花米草主要成片分布于研究区东北部的靠海一侧以及南部的小块潮间带(图6(a))。芦苇的分布面积次之,为49.91 km2,占植被总面积的26.26%。由图6(a)可知,芦苇主要分布于研究区西部大部分地区、现行黄河河道两旁约1~1.5 km范围内以及南部旧河道两旁约500 m范围内。碱蓬的面积为39.91 km2,占总体的21.00%,主要分布于潮间带区域。柽柳的面积为20.86 km2,占总体的10.98%。柽柳零散分布于芦苇和碱蓬之间,呈狭窄的带状分布,分布面积最为稀少。在植被与水体交界处以及不同植物群落过渡区域存在大量错分像元。芦苇的错分像元主要位于河流两侧(图6(b)),易被错分为柽柳。原因是越靠近河流芦苇的淹水程度越高,其近红外波段的反射率较低,红边波段的分类效果不显著。碱蓬容易被错分为柽柳(图6(c)),因为两者的NDVI值较低且分布均较为稀疏,因此在潮间带区域会出现错分现象。互花米草容易被错分为碱蓬和柽柳(图6(d)),错分像元主要分布于水体边缘。大量混合像元分布于植物群落的过渡地带(图6(e)),从而影响了分类效果。

图6

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图6   2021年黄河三角洲湿地植物群落分类结果与面积统计

Fig.6   Classification and area of wetland plant communities in the Yellow River Delta in 2021


将筛选得到的13个重要性较高的特征应用于RF分类器,使用混淆矩阵对分类结果进行精度评价,可知基于RF分类器结合物候特征、传统光学特征、红边特征和雷达特征的分类方法可有效地对黄河三角洲湿地植物群落进行分类,并达到较高的分类精度。由混淆矩阵(表6)可知,分类结果的OA为97.91%,Kappa系数为0.97。从单一类别的分类结果看,芦苇、碱蓬和柽柳的UA较高,均达到了100.00%,互花米草的UA为98.11%。芦苇和互花米草的PA均为100.00%,碱蓬和柽柳的PA分别达到了92.00%和95.00%。

表6   黄河三角洲湿地植物分类混淆矩阵

Tab.6  The confusion matrix of classification of YRD wetland plant species

类型芦苇碱蓬互花米草柽柳非植被UA/%
芦苇360000100.00
碱蓬023000100.00
互花米草00521098.11
柽柳000190100.00
非植被02001184.62
PA/%100.0092.00100.0095.00100.00—
OA: 97.91%Kappa系数: 0.972 2

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3.4 不同特征组合精度对比

图7为4种方案中每种植物的PA及OA。由图可知,当仅有传统光学特征变量时,所有种类的精度均达到了80%以上。加入红边特征后,互花米草、柽柳和OA分别提升了4.8,12.5和2.8百分点,但芦苇和碱蓬的精度分别下降了2.6和2.8百分点。加入雷达特征后,碱蓬的精度大幅提升了10.6百分点; 柽柳的精度下降了4.9百分点,芦苇和互花米草的精度略有下降。加入物候特征后,除碱蓬的精度略有下降外,其余类别精度均达到了4种方案里的最大值,其中芦苇、互花米草、柽柳的PA和OA分别提升了5.7,7.3,11.1和4.2百分点。总体而言,以传统光学特征为基础的植物分类可达到较好的分类效果; 红边特征对互花米草和柽柳的提升效果较好; 雷达特征对精度提升的作用有限,但有助于碱蓬的分类; 纳入物候特征后黄河三角洲湿地植被分类OA提升幅度最大,分类效果较好,但不利于提升碱蓬的分类精度。

图7

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图7   4种实验方案精度对比

Fig.7   Accuracy comparisons of classification results of each scheme


4 讨论

物候特征能够有效提高黄河三角洲湿地植物群落分类的精度,但对不同植物的分类效果略有差异。首先,物候特征相比传统光学特征、红边特征和雷达特征能更好地反映植物生长的季节变化规律。其中IRS在13个特征中的重要性得分最高(图5),这是由于芦苇的NDVI时间序列曲线在生长季内的变化较快,而碱蓬的NDVI时间序列曲线在生长季内较为平缓,这与Ai等[26]的研究可以相互印证。且已有研究证明IRS,MOS,DRS,SA和BV等物候特征在江苏中部海岸[7]、长江三角洲[24]和莫莫格湿地[27]等其他地区的植物分类中同样体现出较大的差异,进一步说明以上物候特征是湿地植物群落分类需考虑的重要参数。

其次,物候特征可以明显提升湿地植物分类的精度(图7)。这与前人研究可以相互印证,如薛朝辉等[28]利用物候信息对以恒河三角洲孙德尔本斯地区的红树林进行提取,发现基于数据融合、物候信息提取和指数特征级联的分类方法可有效提高红树林制图的精度; Tian等[22]提出了基于像素的物候特征复合方法(pixel-based phenological feature composite method, PpfCM)并发现整合了PpfCM方法提取的新的物候特征对互花米草的识别有显著改善。以上研究进一步证明了物候特征在滨海湿地植被监测中的巨大潜力。

5 结论

本文基于Sentinel-1/2卫星影像数据,提取黄河三角洲湿地典型植物的传统光学特征、物候特征、红边特征和雷达特征以构建特征向量集,使用RF算法进行特征优选,对研究区植物进行分类,并探讨了物候特征在滨海湿地分类中的可分性与适用性,主要结论如下:

1)基于Sentinel-2影像构建逐像元的NDVI时间序列拟合曲线,可有效获取黄河三角洲湿地植物的SOS,EOS,LOS,MOS,BV,SA,IRS,DRS等物候指数。其中,MOS,BV,SA,IRS和DRS在黄河三角洲湿地植物分类中对湿地植物群落的区分效果较好。

2)特征重要性的结果表明当特征数量达13个时,分类效果最好。各类特征变量重要性总和从高到低依次为传统光学特征、物候特征、红边特征和雷达特征。对比不同方案下分类精度发现,加入物候特征之后OA提高了4.2百分点,在4种方案中精度提高幅度最大,说明物候特征在黄河三角洲湿地植物分类中具有较强的适用性。

3)基于RF算法使用特征优选的13个特征对2021年黄河三角洲湿地植物群落进行分类,分类效果较好,OA为97.91%,Kappa系数为0.972 2。2021年黄河三角洲湿地的芦苇面积为49.91 km2,柽柳面积为20.86 km2,碱蓬面积为39.91 km2,互花米草面积为79.36 km2,4种湿地植物群落从河流沿岸至潮滩再至海岸渐次分布。

参考文献

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滨海湿地是具有重要功能的特殊海陆过渡带生态系统,精准获取滨海湿地植被时空分布信息具有重要意义。传统的湿地遥感观测研究集中于高空间、高光谱分辨率影像分类,往往受限于数据成本和覆盖范围,仅适用于小区域湿地监测。Sentinel-2A/B卫星影像时空分辨率高且免费共享,为大区域滨海湿地动态监测提供了可能。本文采用2018年Sentinel-2影像,提出像元级SAVI时间序列及双Logistic植被物候特征拟合重构模型,采用随机森林算法进行盐城滨海湿地植被分类,探讨Sentinel-2遥感时间序列植被物候特征分类方法的适用性。结果显示,分类总体精度达87.61%,Kappa系数为0.8358,分类结果与湿地实况相吻合,比常规单一时相分类精度总体提高19.57%。植被判别物候特征参数可为影像数据缺失或不足的滨海湿地分类提供不同植被的判别依据。研究表明,基于像元级时间序列植被物候特征的分类方法能实现植被群落混生带的精准分类以及对“异物同谱”植被的有效区分,对大区域滨海湿地植被分类具有很好的适用性,有效提高了滨海湿地植被分类精度。

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Coastal wetlands are special land-sea transitional ecosystems with important functions. It is of great significance to obtain the spatiotemporal distribution data of coastal wetland vegetation accurately. Previous wetland mapping studies focusing mainly on high spatial and spectral resolution images often have difficulties such as high data acquisition costs and limited coverage, so these methods are only suitable for small regions. Sentinel-2A/B satellite images with high spatial and temporal resolution and free sharing, make it possible for us to dynamically monitor large-area coastal wetlands. Based on Sentinel-2 images in 2018, this study proposed the pixel-level SAVI time series and double logistic vegetation phenological feature fitting reconstruction model, used a random forest algorithm to classify Yancheng coastal wetland vegetation in Jiangsu, East China, and then discussed the applicability of vegetation phenological characteristics (VPC) classification method. The results show that the overall accuracy of mapping based on VPC was 87.61%, which was 19.57% higher than that of the conventional single image classification, and the results were consistent with the actual distribution of wetlands. The vegetation discriminant phenological parameters can provide the basis for differentiating various types of vegetation, which can be applied to coastal wetland classification in the case of missing or insufficient image data. The phenological parameters have improved the method based on VPC, which can be applied to the rapid and accurate extraction of coastal vegetation and also provides new ideas to solve the problem of insufficient data in coastal wetland classification research. The method based on VPC in the pixel-level time series can achieve the accurate classification of the mixed zone of vegetation communities and the effective differentiation of "the same spectrum with different objects", which is applicable to the coastal wetland classification in large regions and improves the mapping accuracy of coastal wetland vegetation effectively.

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