基于网格搜索随机森林算法的工矿复垦区土地利用分类

为提高工矿复垦区遥感影像土地利用分类精度,为土地复垦监测工作提供数据支持,该文探讨了基于网格搜索(Grid-Search)的随机森林(random forest)复垦区土地利用分类方法。研究利用GF-1影像、DEM(digital elevation model)和野外调查等数据,以随机森林分类算法为框架,采用基于OOB(Out-of-Bag)误差的网格搜索法对算法进行参数寻优,结合影像光谱、地形、纹理、空间信息,计算选取了33个特征变量,构建了4种变量组合模型开展随机森林分类试验,4个组合模型的分类精度分别达到82.79%、84.91%、86.75%、88.16%。为去除33个特征变量中的冗余信息、降低影像波段变量维度、缩短分类执行时间并保证影像分类精度,试验分别利用变量重要性估计和Relief F方法进行特征选择后再次执行随机森林分类,将分类结果与不同组合模型、不同分类方法进行比较,结果表明:基于网格搜索参数寻优的随机森林算法在多特征变量的影像分类中可以达到88.16%的分类精度,在利用不同方法降维后依然可以将分类精度保持在85%以上,精度优于相同特征变量下的SVM(support vector machine)和MLC(maximum likelihood classification)分类方法;在效率方面,随机森林分类方法执行时间优于SVM,并且在处理多维特征变量时能力更强。由此可见,采用基于网格搜索的随机森林方法对工矿复垦区土地利用信息进行分类提取可以得到较高的精度,基于该方法开展遥感影像解译可为土地复垦监测工作提供技术支持和理论参考。     

基于Landsat 8 OLI影像纹理特征的面向对象土地利用/覆盖分类

针对如何提高中低分辨率遥感影像分类精度,该研究以河北省石家庄市Landsat 8 OLI遥感影像为研究对象,对灰度共生矩阵(gray-level co-occurrence matrix,GLCM)纹理与伽博(Gabor)滤波器下的Gist纹理特征进行对比,应用J-M(Jeffries-Matusita)距离可分离性分析GLCM最优纹理特征,并利用最佳指数法(optimum index factor,OIF)获取GLCM与Gist纹理特征的最佳特征组合;其次对面向对象分类的分割尺度进行研究,提出整体最优分割尺度计算方法;最后进行基于纹理特征的面向对象分类识别与精度评价,并与基于原始数据的面向对象分类结果进行对比。研究表明:Gist纹理特征使分类精度有了一定的提高,基于纹理数据的面向对象支持向量机(support vector machine,SVM)分类及面向对象K邻近法(K-nearest neighbor,KNN)分类的总体分类精度(overall accuracy,OA)分别比基于原始数据的2种方法分类精度提高3.67和3.33个百分点,基于纹理的面向对象SVM方法具有最高的精度,OA达到85.67%。不管是基于原始数据还是纹理数据,面向对象分类精度远高于最大似然分类(maximum likelihood classification,MLC)、马氏距离分类(mahalanobis distance classification,MDC)和SVM分类精度,且面向对象分类方法对纹理数据更为敏感。该文提出的基于纹理的面向对象分类方法有效提高了遥感影像分类精度,为区域土地利用/覆盖信息提取提供了有效的途径。     

基于无人机遥感可见光影像的北疆主要农作物分类方法

作物类型准确分类是大田作业和管理的基础。该文通过无人机遥感试验获取的可见光影像,利用色彩空间转换和纹理滤波构建了色调、饱和度和亮度的27项纹理和低通滤波特征;然后采用Relief F-Pearson特征降维方法,剔除分类能力弱且相关性高的冗余特征;最后,基于优选特征训练分类模型,并结合人工分类结果对各模型进行精度比较和效果验证。结果表明:特征选择得到的H-CLP、H-Ent、I-Cor、I-CLP、I-Ent、S-CLP和I-Var是利用可见光影像进行北疆主要农作物分类的最佳特征,可在充分表征影像特征的同时降低数据冗余。支持向量机(support vector machine,SVM)分类方法精度最高,整体分类准确率达83.77%,ANN和KNN分类精度次之。通过在验证区进行像素级别作物分类,发现SVM分类方法效果最好,棉花、玉米、苜蓿和西葫芦作物分类精度均达到了80%以上。该研究可为基于无人机可见光影像的农作物种植信息普查提供参考。     

滨海光谱混淆区面向对象的土地利用遥感分类

滨海光谱混淆区土地利用/覆盖信息获取是遥感信息提取的难点之一,该研究选择黄河三角洲垦利县为研究区,采用2007年3月11日陆地卫星TM遥感影像数据,利用面向对象的土地利用遥感分类技术,通过影像分割和采用支持向量机分类方法对研究区土地利用/覆盖信息进行提取,并将分类结果与传统的基于像元的分类方法进行对比分析。结果表明:面向对象支持向量机的分类精度达到84.83%,比基于像元的最大似然法和波谱角法分别提高了5.94%和19.53%,且有效避免了椒盐现象。说明面向对象的图像分类方法明显提高了遥感影像的分类精度和分类效率,为滨海光谱混淆区土地利用信息的快速、准确提取提供了有效技术手段。     

基于多种极化分解方法和全极化合成孔径雷达数据的干旱区盐渍化监测

土壤盐渍化不仅严重制约着干旱区农业可持续发展,并且对绿洲生态环境构成了重大威胁。该文提出将多种极化目标分解方法、绕封模型（wrapper feature selector, WFS）特征子集选择方法和支持向量机（support vector machine, SVM）结合起来（简称WFS-SVM）,利用全极化合成孔径雷达（polarimetric synthetic aperture radar, PolSAR）数据实现对土壤盐渍化监测。以新疆干旱区典型绿洲--渭干河-库车河三角洲绿洲（渭-库绿洲）为研究区,对研究区四极化Radarsat-2数据进行多种极化目标分解处理,得到相应的特征参数和特征分量。采用WFS方法进行SVM最佳特征子集的选择,并选出最佳适应度的子集对 SVM进行训练。从而构建基于最佳特征子集和最优分类参数的WFS-SVM分类模型,对研究区进行不同程度盐渍地信息（包括重度盐渍地和中-轻度盐渍地）的提取,并结合野外实地考察验证数据,将分类结果与经典的Wishart监督分类方法和一般SVM分类方法进行了对比和验证。结果表明,该方法较大程度地提高了全极化PolSAR影像在干旱区盐渍地信息提取的精度,相比Wishart监督分类,该方法分类总精度和Kappa系数分别提高了14.12个百分点和0.18,证明了该文所提出的监测方法具有有效性和研究潜力。该成果也将促进PolSAR数据在干旱区盐渍化监测中发挥更大的作用。     

融合光谱混合分解与面向对象的土地利用/覆被分类

错综复杂的土地利用模式和破碎的地物斑块制约了土地利用/覆被分类的精度和效率。一方面,混合像元模糊了地物的光谱信息,影响了分类精度。另一方面,如何高效利用地物的光谱、形状和纹理特征是当前土地利用/覆被分类的研究热点。为了提高基于遥感技术的土地利用/覆被分类精度,该研究基于Sentinel-2A遥感影像,开展融合光谱混合分解与面向对象的土地利用/覆被分类研究。首先,基于地物的光谱、形状和纹理特征,在3个分割尺度通过NDWI（Normalized Difference Water Index)、NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）、SBL（Soil Background Level）等8个特征参数构建了不同地物信息的提取规则。其次,利用光谱混合分解模型提取研究区基质（SL;岩石和土壤）、植被（GV;光合作用叶片）和暗色物质（DA;阴影和水）3类通用端元。最后,尝试融合3端元光谱特征优化地物信息提取规则。研究结果表明：1）基于构建的光谱、形状和纹理的地物信息提取规则,使用模糊函数、阈值法进行土地利用/覆被分类,获得了较高的分类精度,总体精度为80.83%,Kappa系数为0.76。2）融合3端元的光谱特征的提取规则将分类精度提升至90.00%,Kappa系数提升至0.88。3）具有明确物理意义的3端元的融入增强了像元内各组分信息的差异性,弥补了传统光谱指数对植被与土壤间的亮度信息解析度不足的缺陷。该方法能充分利用影像的光谱信息,是一种由易到难、对不确定因素进行逐层剥离的土地利用/覆被信息提取技术。因此,对中高分辨率的多光谱遥感影像十分友好,在土地利用/覆被的精细化分类中有较大应用潜力。     

基于混沌免疫算法和遥感影像的土地利用分类

为提高利用遥感影像进行土地利用分类的精度，采用了基于混沌免疫算法(Chaos Immune Algorithm)的多光谱遥感影像分类方法。首先应用混沌免疫算法对样本进行自学习得到全局最优的聚类中心，然后通过得到的聚类中心对整幅影像进行分类。该方法利用混沌变量的遍历性，进行粗粒搜索，优化免疫算法的初始抗体群；通过克隆选择算子、变异算子、抗体的循环补充操作，避免陷入局部最优解，得到全局最优的聚类中心。在对淮南矿区采用TM影像进行的土地利用分类中，试验结果表明该方法分类总精度为89.9％，Kappa系数为0.8     

基于超高空间分辩率无人机影像的面向对象土地利用分类方法

为明确基于无人机超高空间分辨率影像的土地利用分类方法,尤其是有效特征和算法的选择,该研究获取吉林省德惠市一农耕区超高分无人机影像,获取区域正射影像图和数字表面模型,计算地形指标,采用面向对象方法进行土地利用分类研究。首先,采用随机森林算法,以光谱特征为基础,依次引入指数、形态、地形、纹理特征,建立5种特征选择方案,分析各类特征对分类效果的影响。其次,以Boruta特征选择算法获取的优化特征集为基础,采用随机森林算法、朴素贝叶斯算法、逻辑回归算法和支持向量机算法分类,分析不同算法的分类效果。结果表明:采用5种特征选择方案分类,引入形态特征时总体精度降低,引入其他特征时总体精度逐渐提高。5种特征共同参与的分类效果最佳,总体精度为98.04%,Kappa系数为0.980。错分主要发生在裸地和宅基地,漏分主要发生在草地、裸地、水渠和道路。错分和漏分主要是因为这几种类型对象具有相似的光谱、形态、纹理特征或相似的分布位置。采用优化特征集分类时,相比其他算法,随机森林算法更擅长处理高维特征集,获得最高的总体精度98.19%,最低的错分和漏分误差,分类效果最佳。借助无人机超高空间分辨率影像提取地形信息、形态信息,可以有效辅助土地利用分类,并能提高传统分类方法精度。     

基于超高空间分辩率无人机影像的面向对象土地利用分类方法

为明确基于无人机超高空间分辨率影像的土地利用分类方法,尤其是有效特征和算法的选择,该研究获取吉林省德惠市一农耕区超高分无人机影像,获取区域正射影像图和数字表面模型,计算地形指标,采用面向对象方法进行土地利用分类研究。首先,采用随机森林算法,以光谱特征为基础,依次引入指数、形态、地形、纹理特征,建立5种特征选择方案,分析各类特征对分类效果的影响。其次,以Boruta特征选择算法获取的优化特征集为基础,采用随机森林算法、朴素贝叶斯算法、逻辑回归算法和支持向量机算法分类,分析不同算法的分类效果。结果表明:采用5种特征选择方案分类,引入形态特征时总体精度降低,引入其他特征时总体精度逐渐提高。5种特征共同参与的分类效果最佳,总体精度为98.04%,Kappa系数为0.980。错分主要发生在裸地和宅基地,漏分主要发生在草地、裸地、水渠和道路。错分和漏分主要是因为这几种类型对象具有相似的光谱、形态、纹理特征或相似的分布位置。采用优化特征集分类时,相比其他算法,随机森林算法更擅长处理高维特征集,获得最高的总体精度98.19%,最低的错分和漏分误差,分类效果最佳。借助无人机超高空间分辨率影像提取地形信息、形态信息,可以有效辅助土地利用分类,并能提高传统分类方法精度。     

基于多特征软概率级联的场景级土地利用分类方法

为实现高分辨率遥感影像特征的有效组织优化,以及提高特征的可判别性,该文提出了基于中层特征学习的多特征软概率级联模型实现场景级土地利用分类。首先,提取影像的密集尺度不变转换特征(dense scale invariant feature transform,DSIFT)、光谱特征(spectral feature,SF)以及局部二值模式特征(local binary pattern,LBP)作为低层特征;然后由局部约束线性编码(locality-constraint linear coding,LLC)分别对DSIFT特征、SF特征以及LBP特征进行稀疏编码得到3种低层特征的稀疏系数,并结合空间金字塔匹配(spatial pyramidal matching,SPM)模型、最大空间平滑方法对稀疏系数进行优化,获得影像的中层特征表达;最后,利用SVM分类器,分别对3种低层特征的中层特征表达进行分类,并分别计算3种低层特征分类的软概率,级联3种特征的软概率将其作为图像最终的特征表达,利用SVM分类器进行第2次分类得到最终分类结果。采用UC-Merced Land Use数据集对该方法进行了验证,试验结果表明:1)该方法总体精度达到88.6%,相较于传统稀疏编码空间金字塔匹配(sparse coding and spatial pyramidal matching,Sc SPM),局部约束线性编码(locality-constraint linear coding,LLC)等分类方法,总体精度分别提高了12.7%,9.9%;2)相较于提取单一低层特征的场景分类方法,该文算法更有利于实现对影像中复杂且不易区分的地物的表达,可有效提高土地利用分类精度。     

δ13C法研究砂姜黑土添加秸秆后团聚体有机碳变化规律

为研究水稻秸秆添加对砂姜黑土水稳性团聚体分布及稳定性的影响,探索水稻秸秆腐解过程中外源新碳及原有机碳在不同粒级团聚体中的分配规律,该文通过室内模拟试验,运用δ~(13)C示踪方法,将稳定同位素碳(δ~(13)C)标记的水稻秸秆添加入砂姜黑土,利用湿筛法得到不同培养时期不同粒级的土壤水稳性团聚体,测定不同时期各粒级土壤外源新碳及原有机碳含量。结果表明:未添加水稻秸秆的砂姜黑土(对照组),水稳性微团聚体(250μm)占主体,团聚体有机碳含量低。与对照相比,添加水稻秸秆(试验组)显著促进了2000、2000~250μm粒级水稳性大团聚体的团聚(P0.05);培养到120 d时,2000、2000~250μm水稳性团聚体比对照组分别增加了265.5%、16.0%,促使水稳性大团聚体(250μm)占主体,显著提高了砂姜黑土水稳性团聚体的平均重量直径(mean weight diameter,MWD)、几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)、水稳性大团聚体含量(R0.25),降低了分形维数(D)值(P0.05),土壤结构稳定性明显得到改善。试验组各粒级团聚体有机碳含量显著增加,培养到15 d时,2000、2000~250、250~53、53μm粒级团聚体有机碳分别比对照组增加了21.4%、25.4%、34.7%、50.0%,其中微团聚体有机碳增加幅度大于大团聚体的增加幅度。MWD、GMD、R0.25与2000~250、250~53μm粒级团聚体有机碳呈极显著正相关关系(P0.01),与2000μm粒级团聚体有机碳呈显著正相关关系(P0.05)、与53μm粒级团聚体有机碳关系不显著。不同粒级团聚体的δ~(13)C值明显增加,动态变化较大,表明外源新碳周转速率较快。外源新碳主要分配在250~53、53μm粒级微团聚体中,分配比例分别为38%、28%,外源新碳的分解速率明显快于原有机碳。研究得出添加水稻秸秆有利于增加砂姜黑土的团聚体稳定性,提高土壤及不同粒级团聚体的有机碳含量,提升土壤碳水平,改善了土壤结构,这为淮北地区土壤质量提升及有机碳循环提供了理论依据。     

基于AdaBoost模型和mRMR算法的小麦白粉病遥感监测

除选择合适的建模方法外,选择合适的特征选择算法来优选建模特征对提高作物病害的遥感监测水平具有重要作用。选取陕西省关中平原西部小麦白粉病为对象,基于Landsat 8遥感影像共提取了18个特征变量,通过相关性分析(correlation analysis,CA)和最小冗余最大相关(minimum redundancy maximum relevance,mRMR)2种特征选择算法筛选出了2组不同的特征变量,分别将其输入Fisher线性判别分析(Fisher linear discriminant analysis,FLDA)、支持向量机(support vector machine,SVM)和AdaBoost 3种方法,构建小麦白粉病发生严重程度监测模型,并对其进行精度验证与对比分析。结果表明,2种AdaBoost模型对小麦白粉病发生严重程度的总体监测精度分别比FLDA模型和SVM模型高出27.9%、27.9%和14.0%、9.3%,mRMR算法筛选特征所建FLDA、SVM及AdaBoost监测模型的总体监测精度分别比CA筛选特征所建模型高出7.0%、11.7%和7.0%,且mRMR算法筛选特征结合AdaBoost方法所建监测模型的精度和Kappa系数分别为88.4%和0.807,为所有模型中最高。说明将AdaBoost方法用于作物病害遥感监测效果较好,在作物病害监测模型的特征变量选择中mRMR算法比常用CA算法更具优势。研究结果可为其他作物病害遥感监测提供方法参考。     

基于无人机RGB影像的玉米种植信息高精度提取方法

为探究易获取且成本低的超高分辨率无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）航拍 "红-绿-蓝"（Red-Green-Blue，RGB）彩色影像提取作物种植信息的方法，该研究选取植被指数、"色度-色饱和度-亮度"（Hue-Saturation-Intensity，HSI）色彩特征和纹理特征等3种特征，通过比较贝叶斯（Bayes）、K最邻近分类（K-Nearest Neighbor，KNN）、支持向量机（Support Vector Machine，SVM）、决策树（Decision Tree，DT）和随机森林（Random Forest，RF）共5种监督分类算法及不同特征组合的分类效果，以实现玉米种植信息的高精度提取。结果表明，使用单一种类特征或使用全部3种特征均不能获得最优的分类精度；将植被指数与HSI色彩特征或与纹理特征进行组合获得的总体分类精度（5种算法平均值）比仅使用植被指数获得的总体分类精度分别提高了4.2%和8.3%；在所有特征组合中，HSI色彩特征和纹理特征组合为最优选择，基于该特征空间的RF算法获得了最高的分类精度，总精度为86.2%，Kappa系数为0.793；基于RF算法进行降维并不能显著提高或降低分类精度（SVM除外），但所保留的特征因子可给出符合实际背景和意义的解释，并可提高分类结果的稳定性。研究结果可为基于无人机RGB影像的作物种植信息高精度提取提供方法参考。     

特征优化结合随机森林算法的干旱区植被高光谱遥感分类方法

针对高维光谱纹理特征空间的降维和特征优化算法结果的不确定性问题,该研究在提取多尺度纹理图像构建高维光谱纹理特征空间的基础上,将遗传算法（genetic algorithm,GA）、粒子群优化算法（particle swarm optimization,PSO）等传统特征优化算法和广义正态分布优化算法（generalized normal distribution optimization,GNDO）、原子搜索算法（atom search algorithm,ASO）、海洋捕食者算法（marine predators algorithm,MPA）等特征优化算法与随机森林（random forest,RF）图像分类算法相结合,提出了GA-RF、PSO-RF、GNDO-RF、ASO-RF和MPA-RF算法,并应用于青海省海西蒙古族藏族自治州都兰县宗加镇附近区域资源一号02D（ZY1-02D）高光谱数据的植被类型分类。结果显示,在高光谱反射率数据基础上加入多尺度纹理特征使总体分类精度（overall accuracy,OA）提升了8.02个百分点。与传统RF方法相比,提出算法的植被分类 OA提升了1.32～2.40个百分点,其中MPA-RF方法取得了最高的分类精度,OA和 Kappa系数分别为88.92%和0.86。研究表明从不同窗口大小、窗口移动方向提取的纹理图像有利于区分不同的植被与地物类型,在光谱特征基础上加入多尺度纹理特征能有效提升植被识别精度。以迭代优化的方式将特征优化算法与图像分类算法相结合,缓解了优化算法结果的随机性,克服了高维特征的休斯效应,提高了植被分类精度。该研究为高光谱遥感植被分类中特征提取、特征优化与分类算法选择提供了思路。     

基于费舍尔评分与离散粒子群优化的棉花异性纤维在线检测

为改进基于机器视觉的棉花异性纤维在线检测效率,提出一种基于费舍尔评分与离散粒子群优化的棉花异性纤维特征选择方法。该方法将费舍尔评分滤波式特征选择方法及基于离散粒子群优化的捆绑式特征选择方法组合在一起,首先利用费舍尔评分方法过滤噪声特征,然后利用离散粒子群算法从已去噪的特征集中选取最优特征子集。提出的方法应用于棉花异性纤维数据集,并与费舍尔评分方法、离散粒子群方法、遗传算法、蚁群算法进行对比,试验结果表明该方法可以更有效地选择出有较少特征数目、较高分类精度的特征子集。从75个棉花异性纤维原始特征中选出18个特征组成的特征集,其分类准确度达到93.5%,检测时间仅为0.8231 s,有效地改进了棉花异性纤维在线检测的精度与效率,从而减少异性纤维对棉纺织品的危害,提高棉纺企业经济效益。     

基于多源数据的南方丘陵山地土地利用随机森林分类

针对南方丘陵山地因地形破碎和山体阴影而导致的分类精度低问题,该研究以东江源地区为例,通过结合多源数据,以Sentinel-1、Sentinel-2A卫星影像和DEM作为数据源提取27个指标,构建了6种特征变量集,并设计了9种方案,探讨加入红边特征、雷达特征和地形特征对南方丘陵山地土地利用分类信息提取的作用。同时结合随机森林算法和递归特征消除法进行特征变量优选和特征重要性排序,将随机森林特征优选后的分类结果与支持向量机算法(Support Vector Machine,SVM)和K近邻算法(K-Nearest Neighbor,KNN)作对比。结果表明:在未进行特征变量优选时,仅使用Sentinel-2A的光谱特征提取的东江源地表覆盖分类总体精度和Kappa系数最低,在以光谱特征、植被指数和水体指数作为基本方案时,加入红边特征、雷达特征和地形特征后均可以有效地提升各地物分类精度,其中地形特征的加入更有助于对东江源园地和耕地信息的提取。通过结合随机森林和递归特征消除算法进行特征优选,在保持分类精度最优的情况下将所有特征变量从21个降低到13个,并且总体精度达到0.937 2,Kappa系数达到0.923 4,分类精度优于相同特征下的支持向量机算法(SVM)和K近邻算法(KNN),对东江源土地利用信息提取效果最佳。该研究提出基于多源数据的随机森林方法可为地形复杂的南方丘陵山地土地利用信息提取提供技术支持和理论参考。