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传统以地面调查为主的森林资源调查方法成本高, 周期长, 工作量大, 时效性差, 准确性不足, 且在偏远地区和复杂地形区域根本无法进行实地地面调查, 不利于森林资源信息提取及动态变化监测研究的大范围开展。遥感技术为森林资源变化监测研究提供了有力的探测手段, 大大提升了森林资源监测水平, 已成为监测、评价大区域森林资源变化最为有效的工具[1-4]。
近年来, 利用遥感影像开展森林植被变化监测研究方面已有较多尝试, 主要集中在土地覆盖/植被变化[5]、景观格局[6]、林冠状态[7]、森林覆盖(率)变化[8-9]、森林增加/减少[10]、森林病虫灾害 [11]、造林成活率[12]、林业重点工程和生态工程实施监测[13-16]等方面。
基于遥感影像变化监测方法大致可分为3类: 目视解译法、直接信息提取法、分类后比较法[17]。目视解译法效率较低, 且年际间稳定性和可比性较差, 解译精度取决于数据质量和解译人员经验。直接信息提取法简单易行、易于解译, 结果取决于敏感波段及有效特征选取、多源数据融合和影像变换方法、代数合成运算和模型阈值设置等因素, 大多难以提供变化类型信息, 且精度不高。分类后比较法效率较高, 适用性强, 结果在年际间稳定性和可比性较好, 且能够提供变化类型信息, 并可集成多源数据与特征[18-19]、专家知识[20-21]、辅助数据及已有成果[22]等提高分类精度、提升综合分析能力。具体而言, 根据不同数据源、试验区状况、应用目的和信息需求, 现已发展了诸多森林植被定性或定量变化监测方法, 如代数运算法、变换法、变化矢量分析法、分类后比较法、GIS方法、空间相关分析、面向对象方法[23]、模型法[24]、时间序列统计特性分析[25]、邻近相关分析[26]等。
甘肃省天水市位于嘉陵江上游、黄土高原丘陵沟壑区与小陇山-西秦岭山地交接地带, 属于典型过渡区和生态脆弱区域, 提取该区域林地资源动态变化信息有助于理解森林资源空间分布规律、时间变化趋势及变化影响因素[27-28]。目前, 利用长时间序列Landsat TM/OLI影像对该区域进行森林资源动态变化信息提取、定量分析及综合评价等方面的应用研究鲜有报道, 本研究以1988—2015年5期夏季Landsat TM/OLI遥感影像为主要数据源, 结合森林资源分布图、林相图等辅助数据和外业实测样本点, 采用基于两种非参数分类器(随机森林和参数优化支持向量机)分类后比较法的森林资源动态变化监测技术, 以期为该区域植被变化分析与生态环境评价、森林资源配置与优化调整、经营管理与辅助决策、林业工程(天然林保护工程、退耕还林工程等)实施与进展监测、森林保护措施制定与辅助决策等提供一定的参考。
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根据《国家森林资源连续清查技术规定》地类划分标准[29], 依据研究区覆盖状况、遥感影像特点与信息提取能力, 确定本研究分类类别, 包括一级地类2个: 林地和非林地; 非林地划分为耕地、草地、建设用地和水域4个二级类, 林地则不再细分。其中, 林地包括有林地、灌木林地、其他林地等; 耕地主要有旱地、灌溉水田、水浇地等; 草地包括高、中、低覆盖度的天然草地及人工草地; 建设用地包括交通、城镇、工矿等; 水域包括河流、水库、池塘等。本研究分类系统如下表 1所示。
表 1 分类系统
Table 1. Classification system
一级类型
The first level category二级类型
The second level category林地Forest land 耕地Cultivated land
牧草地Grass land非林地Non-forest land 水域Water
建设用地Construction land -
选用Landsat5 TM Band 1~5和Band 7六个波段, Landsat8 OLI Band 2~7六个波段作为光谱特征变量, 归一化植被指数(NDVI)、归一化差分水体指数(NDWI)和归一化差异指数(NDI)3个特征指数[30-31]作为变量参与分类, 旨在以最少的、显著特征对待分类别进行分类。
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随机森林(RF)算法是对决策树算法的一种改进[32], 通过自助法重采样技术随机选择样本和特征, 用于多个决策树的随机构建, 针对每一个待分类元素, 所建立的每一个决策树都要对其所属类别进行判断, 随机森林的最终输出结果为所有决策树分类结果中最多的类别。与传统决策树方法相比, 随机森林具有预测准确率高、泛化能力强、模型简洁、快速高效、实用性强、并行化、不易过度拟合等诸多优点, 在处理高维海量数据、克服数据缺失与噪音、解决类别不平衡问题等方面具有显著优势。
支持向量机(SVM)以VC维理论和结构风险最小原理为基础, 通过构造函数子集序列的方式使风险达到最小化, 既降低了建模复杂性, 又提高了学习能力, 在解决小样本、非线性、高维数据分类方面有显著优势[33]。核函数选择与惩罚参数设置会显著影响其分类效果。参数优化支持向量机(POSVM)通过参数空间自动寻优搜索或非线性最优化、智能优化算法等, 选取训练集验证精度最高的参数组合作为最优参数参与模型分类[34-36]。虽然参数优化方法、泛化能力和结果精度仍有待验证与评估, 且往往在搜索或优化阶段计算量大、耗时较长; 但相比其他方法(如最大似然法等), 参数优化支持向量机方法分类方法的分类精度仍得到较大程度的提高。故本研究以参数寻优搜索法寻找核函数与惩罚参数的优化参数组合, 以优化参数进行遥感影像土地覆盖分类研究。
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对上述方法的分类结果进行逐期精度评价和对比分析, 选择最优的分类结果。基于分类后逐期比较法进行森林资源动态变化监测研究, 探讨典型黄土高原丘陵沟壑与小陇山-西秦岭山地交接过渡区域近30年来森林资源空间分布规律、时间变化趋势及其变化影响因素。
天水市近30年林地动态变化遥感监测研究
Research on Remote Sensing Monitoring Technology of Forest Land Dynamic Change in Tianshui in Recent 30 Years
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摘要:
目的 以甘肃省天水市为例,基于遥感影像变化监测技术,探讨黄土高原丘陵沟壑与小陇山-西秦岭山地交接过渡区域近30年来森林(林地)资源空间分布规律、时间变化趋势及变化影响因素。 方法 以1988—2015年5期夏季Landsat TM/OLI遥感影像为主要数据源,结合辅助数据和外业实地样本点,以光谱特征和指数特征为特征变量,分别利用随机森林(RF)和参数优化支持向量机(POSVM)分类器对土地覆盖类型进行分类,然后基于分类后比较法进行森林资源动态变化监测。 结果 分类结果表明,两种分类器的分类效果均较好,且随机森林分类器在分类精度、效率和稳定性方面明显优于参数优化支持向量机分类器。变化监测结果表明,近30年来森林资源总体变化趋势为林地面积先减少后增加。1990—1996年,林地面积减少0.74%;1996—2002年,林地面积减少2.74%;2002—2008年,林地面积增加1.06%;2008—2015年,林地面积增加8.89%。 结论 本研究采用的基于非参数分类器分类后比较法的变化监测技术是复杂地形地貌过渡区森林资源动态变化监测的一种有效途径,在分类结果分析统计的基础上,得出研究区森林资源变化的总体趋势:以2002年(2002年影像)为界,林地总体趋势为先减少后增加,2002年后林地面积增加显著。 Abstract:Objective Taking Tianshui of Gansu province as a case study, the spatial distribution law, time changing trends and influence factors of forest resource had been researched in the transition region of typical Loess Plateau and Xiaolongshan-western Qinling Mountains in the past 30 years. Method The main data sources are Landsat TM/OLI remote sensing images with 5 series in summer from 1988 to 2015, combined with auxiliary data and field survey data. Image spectral features and indices characteristics were selected as the input characteristic variables. The land cover types were classified based on the random forest classifier and the optimal parameter SVM classifier. Subsequently, the forest resources dynamic change monitoring was implemented by the post-classification comparison method. Result The results show that the classification performance based on two classifiers are good, and the random forest classifier is better than that of optimal parameter SVM classifier, especially in the classification accuracy, algorithm efficiency and stability. The change detection results show that over the past 30 years the overall change trend of forest area was first decreased and then increased. From 1990 to 1996, the forest land area decreased by 0.74%, and from 1996 to 2002, forest land area decreased by 2.74%. However, forest land area increased by 1.06% from 2002 to 2008, and more significantly, forest land area increased by 8.89% from 2008 to 2015. Conclusion The forest change detection method based on post-classification comparison of non-parametric classifiers classification result proposed in this paper is an effective approach for monitoring of forest resources dynamic change and information extraction in complex terrain landform transition region, which could provide valuable reference for quantitative analysis of vegetation change and comprehensive evaluation, reasonable spatial allocation and optimization adjustment of forest resources, forest management and assistant decision making and dynamic monitoring of forestry major project and ecological environment evaluation. -
Key words:
- remote sensing
- / forest resources
- / change detection
- / random forest
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表 1 分类系统
Table 1. Classification system
一级类型
The first level category二级类型
The second level category林地Forest land 耕地Cultivated land
牧草地Grass land非林地Non-forest land 水域Water
建设用地Construction land -
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