基于多维度遥感影像的洪河国家级自然保护区沼泽湿地分类方法研究

以洪河国家级自然保护区为研究区,选取了多时相的Sentinel-1B和Sentinel-2A影像为数据源,制定出9种多时相主被动遥感数据组合方案,用于沼泽湿地遥感分类;分别对根据9种方案整合的多维数据集,进行基于尺度继承的多尺度分割,得到面向对象的分割影像,建立与不同方案对应的特征数据集;采用随机森林机器学习算法,对多维特征数据集进行特征优化,并进行参数调优,构建沼泽植物的最优遥感识别模型,实现对沼泽湿地中地物的识别与分类。研究结果表明,采用递归特征消除(recursive feature elimination,RFE)算法的变量优选和采样随机森林的参数调优,可以优化随机森林模型,显著减少数据冗余,整合多时相主被动遥感数据方案九的随机森林模型的最佳参数mtry和ntree分别为4和1500,模型训练精度为93.06%,Kappa系数为0.916,其模型训练精度在所有方案中最高;经过变量优选得到最佳特征变量组合,交叉极化方式的后向散射系数(Mean_VH)对于沼泽分类的重要性比同向极化方式的后向散射系数(Mean_VV)高;光谱特征是遥感图像分类的最主要特征,其中,红光和绿光波段(Mean_R和Mean_G)、多光谱红边波段(Mean_REG1和Mean_REG2)、近红外波段1(Mean_NIR1)、红边植被指数(CIgreen和CIreg)都对分类具有较高的重要性;纹理特征熵(GLCM_Entro、GLCM_Ent2)和位置特征像元坐标(X_Min_Pxl和Y_Max_Pxl)对沼泽湿地分类也起到重要作用,相对于其它特征,形状特征对分类的贡献性较小;利用方案九的数据得到的分类结果的总体分类精度为94.42%,主被动遥感数据的特征变量和不同时相的特征变量都对分类做出重要贡献,其中,6月的多光谱特征变量的贡献大于9月的变量;9月的SAR特征变量的贡献大于6月的变量;对分类贡献最大的9月的特征变量为多光谱红边波段2(Mean_REG2),对分类贡献最大的6月的特征变量为绿光波段(Mean_G);融合多时相主被动遥感数据源,可以将不同数据源、不同时相对分类具有较大贡献的特征变量集合在一起,充分利用光谱信息和雷达数据反映的结构信息,构建多维度最佳特征变量组合方案,有效提高沼泽湿地分类精度。     

不同空间分辨率影像的沼泽湿地分类研究(英文)

成功的生态系统的监测取决于准确的分类结果。本文试图对沼泽湿地的生态特征进行监测。遥感分类常被用于描述生态系统或土地覆盖的格局情况。不同空间分辨率的的遥感影像反映的景观类型,景观特征均存在差异。本文利用不同空间分辨率的遥感影像,对洪河自然保护区湿地生态系统在群落尺度上进行监测。洪河湿地自然保护区是典型的内陆原始沼泽湿地生态系统的保护地,以草本沼泽植被和水生植被为主。根据SPOT-5不同分辨率10 m×10 m、20 m×20 m、30 m×30 m的影像,以及30 m空间分辨率的Landsat TM影像,利用最大似然法(MLC)对洪河保护区进行分类。为了验证分类结果的精度,本文利用航空影像分类数据作为样本,对SPOT-5和TM分类结果进行KAPPA精度验证。由分类结果,得出以下结论:(1)分类结果验证数据对结果的影响很重要;(2)不同传感器的影像对地面生态系统的表达内容不一样,即使是处于相同的光谱波段,同一空间分辨率的情况下。分类结果不仅取决于生态系统类型的多样性和斑块形状,还取决于面积维数和斑块的聚合度。(3)洪河自然保护区核心区湿地保护最好,其次是缓冲区,最差的是实验区。实验区已经有大面积的湿地被人类开垦成农田,湿地生态系统已经退化的很严重。因此,对珍稀生态系统的保护应该与人类的活动区强制的隔离开,才能保护原始湿地生态系统多样性。     

集成Sentinel 1/2卫星影像的哈尼湿地森林沼泽制图研究

森林沼泽作为独特的湿地类型,对区域碳循环和生物多样性保护具有重要作用。以吉林省哈尼湿地为研究对象,集成应用Sentinel-1雷达和Sentinel-2多光谱影像,充分挖掘Sentinel-1多极化波段特征和Sentinel-2红边指数对森林沼泽遥感识别的潜力,应用随机森林方法实现哈尼湿地森林沼泽分布信息的提取。结果表明:当森林沼泽信息提取最优决策树数目为1 200,融合Sentinel-1 VV与VH后向散射系数雷达波段特征与Sentinel-2红边波段特征能显著提高森林沼泽分布信息的提取精度,保护区森林沼泽信息提取总体精度与Kappa系数分别高达89%、0.85,提取质量相对较高。哈尼湿地景观类型多样化,天然湿地、人工湿地与非湿地景观类型并存。在天然湿地类型中,森林沼泽面积最大,为27.1 km~2,占保护区总面积的11.2%;河流面积最小,为0.7 km~2,占保护区总面积的0.3%。森林沼泽提取方法为哈尼湿地的可持续管理提供数据支持,也为其他地区森林沼泽制图提供案例指导。     

洪河沼泽湿地水文过程模型构建及水文功能分析

洪河沼泽湿地地势低平、河道多变,洪水季节性泛滥,缺乏水文监测数据,而模拟的水文数据不确定性较大;而且,用地表径流数据验证生态水文模型的模拟结果,效果并不理想。以洪河国家级自然保护区中部的沼泽湿地为研究对象,整合数字河网与高精度数字高程数据,改进分布式生态水文模型SWAT的子流域概化方式,构建湿地水文过程模型;在此基础上,分析研究区沼泽湿地水文功能。对于湿地水文过程模型的构建,除了利用径流观测数据进行验证外,还应用不同深度的多点土壤湿度数据进行验证。研究结果表明,1改进的SWAT模型取得了较高的面向沼泽湿地模型精度,模型决定系数R2达到0.7,相对误差小于21%,表明模拟效果良好;2在研究区内的沼泽湿地中,以草甸黑土—沼泽化草甸、草甸黑土—草本沼泽、沼泽土—沼泽化草甸、沼泽土—草本沼泽4种土壤—植被的组合模式为主,土壤湿度较大,湿地的调蓄水功能较强;3季节性和常年的洪泛水文过程与土壤湿度的梯度特征,控制着研究区的沼泽植物的空间格局;随着土壤湿度梯度的变化,植物群落呈现出明显的条带状梯度分布。     

基于面向对象方法和多时相HJ-1影像的湿地遥感分类——以完达山以北三江平原为例

以中国东北地区完达山以北三江平原(下简称小三江平原)为研究对象,利用2010年多时相HJ-1A卫星和HJ-1B卫星CCD影像作为分类数据源,结合野外调查数据,应用多尺度分割算法,根据影像的丰富信息和物候、时相等特征,采用面向对象的分类方法,进行小三江平原的湿地遥感分类。结果表明,湿地二级分类的总体精度为85.45%,总体Kappa系数为0.81。小三江平原湿地主要分布在低洼地区,总面积为9084.16km2;其中,天然湿地面积为2635.09km2,人工湿地面积为6449.07km2。集中分布的水田是小三江平原最主要的景观类型;天然湿地主要分布在自然保护区、河岸附近和国界周围;其中,草本沼泽面积最大。本研究表明,面向对象的分类方法能够有效利用遥感影像提供的丰富信息,产生较高的分类精度;对于中分辨率遥感影像不同分割尺度的组合使用有利于湿地信息的提取。降雨量较多、较少月份影像的选取和物候规律的利用是提取湿地信息的关键。多时相遥感影像数据的使用,改善了洪泛湿地和森林沼泽的分类效果,尤其是水田边界的划分;同时可以提高湿地分类精度。基于面向对象的遥感方法,利用多时相的中分辨率遥感影像,能够获取较高精度的湿地分布信息,是一种成本较低且行之有效的技术手段。     

基于DInSAR的洪河国家级自然保护区沼泽水位相对变化量监测研究

水文是沼泽形成、发育和演化的决定性因素。目前,沼泽水位的监测仍然以实地观测为主,需要花费大量的人力和物力。以洪河国家级自然保护区为研究区,利用2007年6~10月星载相控阵L波段合成孔径雷达(phase array type L-band synthetic aperture radar,L-band PALSAR)数据和2015年6~11月C波段Sentinel-1A合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)数据,采用合成孔径雷达差分干涉测量(differential interferometric synthetic aperture radar,DInSAR)技术,提取出研究区沼泽的地表形变相位,计算出研究区沼泽水位相对变化量,构建了研究区沼泽水位相对变化量遥感监测经验估算公式,实现了对研究区沼泽年内水位变化量的遥感监测,研究了不同时相浅水沼泽区和深水沼泽区干涉相干性的差异;采用方差分析和回归分析方法,在水位观测站、浅水沼泽区和深水沼泽区3种尺度上,分别对利用两种数据计算出的沼泽水位相对变化量,进行了精度验证和显著性检验。研究结果表明,植物生长期和植物空间格局都对沼泽干涉相干性产生影响,8~10月研究区干涉相干性要好于6~7月,浅水沼泽区干涉相干性要高于深水沼泽区,前者的干涉相干系数比后者的大10%~35%;计算出的沼泽水位相对变化量与地面实测的水位变化量的变化趋势吻合度较高,2007年6~7月和9~10月浅水沼泽区的水位波动幅度较大,水位变化量超过了0.70 m。     

基于多时相环境卫星数据的南瓮河流域湿地信息提取方法研究

选取位于大兴安岭林区的南瓮河流域作为研究区,以多时相、中等分辨率的环境卫星影像为数据源,采用面向对象方法,通过多尺度分割、特征提取、决策树建立等步骤,实现湿地信息的快速提取;系统分析了面向对象方法在森林地区湿地信息提取中的有效性.研究表明,在面向对象湿地信息提取过程中,采用不同等级的分割尺度,使分类更具层次性;利用光谱、空间、形状等多种属性特征,通过多时相遥感数据的融合,可以更好地识别复杂多样、界限模糊的湿地景观,其中,草本沼泽的生产者精度达到了91％.结果显示,南瓮河流域内,湿地类型多样,以草本沼泽和灌丛沼泽为主,且其主要分布于河流两侧和中下游宽阔的河谷地带.     

融合Sentinel-2红边波段和Sentinel-1雷达波段影像的扎龙湿地信息提取

以黑龙江流域中的扎龙湿地及其上游区域为研究区,将Sentinel-2红边波段和Sentinel-1雷达波段影像数据相结合,根据面向对象原理,采用随机森林算法,对研究区的湿地进行遥感分类和信息提取;利用3种特征变量集,进行实验对比,研究红边波段反射率和雷达后向散射系数对湿地信息提取的作用。研究结果表明,红边波段反射率和雷达后向散射系数对土地覆盖分类精度的提高起到了重要作用,两者结合得到的分类结果的总体精度达到了88.72%,Kappa系数为0.87,其中,水体、水田和沼泽的用户精度分别为100%、98.18%和91.37%。利用红边波段和雷达波段影像数据,分别使土地覆盖分类总体精度提高了5.26%和2.51%,红边波段影像数据对沼泽提取精度的提高贡献最大,使生产者精度提高了12.5%。     

不同湿度指数在湿地分类中的对比研究

为探讨不同湿度指数用于湿地信息提取的能力,选取7个常用的湿度指数(包括NDWI、MNDWI、RNDWI、EWI和缨帽变换的湿度分量等)作为指标,以达赉湖国家级自然保护区为研究区,利用2013年9月6日MODIS(MOD09Q1和MOD09A1)数据,采用支持向量机分类的方法,对研究区进行湿地与非湿地区分研究,并进行湿地亚类(沼泽、水体)的分类试验。分类结果的精度评价表明:1)湿地与非湿地区分能力最好的指数为基于缨帽变换的湿度分量TC-Wetness,制图精度达97%以上,用户精度达96%;2)对湿地亚类的分类结果表明,提取水体最好的指数为第一类湿度指数,以NDWIB4,B2为最优,提取沼泽最优的指数为缨帽变换的湿度分量(TC-Wetness),可以有效排除草地对沼泽提取的干扰。研究区分类结果总体精度最高为88.7%,但沼泽的提取精度仅为48%,说明利用遥感湿度指数一种指标难以满足湿地分类的需要,多指数结合以及地形和其他相关辅助数据的加入对提高湿地分类精度具有重要帮助。     

三江源区湖泊和沼泽遥感影像分类研究

为了进一步了解三江源区的湿地分布现状,尝试利用MODIS 16天合成的归一化植被指数(NDVI)数据,采用决策树分类方法对三江源区湿地的遥感影像进行了分类研究.在数据预处理时,采用中值滤波和主成分变换结合的方法有效地去除了MODIS数据的噪声;在决策树构建过程中,结合DEM数据有效地提取出湖泊;利用象元NDVI时序变化曲线规律,采用先控制曲线形状、再控制拐点阚值的方法对沼泽进行分类.通过精度验证,湖泊的分类精度达到了96.5%,总的分类精度达到了84.2%,Kappa系数为0.78.利用MODIS NDVI时间序列数据和决策树方法能够满足大范围区域湖泊和沼泽遥感影像分类要求.     

兼容光学雷达影像及地形辅助数据的扎龙湿地遥感分类

结合Landsat TM影像、Envisat ASAR的C波段雷达影像和地形辅助数据,采用决策树方法,包括分类回归树(C1assification and Regression Tree,CART)和随机森林(Random Forest,RF)算法,对扎龙湿地进行遥感分类。用实测GPS样本点对分类结果进行精度验证,并与最大似然监督分类方法(Maximum Likelihood Classification,MLC)对比。结果表明,地形辅助数据和雷达后向散射系数对湿地分类精度的提高起重要作用。基于RF算法分类结果的总精度和Kappa系数分别为92.6%和0.901,沼泽湿地的分类精度达到96.3%,较CART算法和MLC监督分类方法有明显提高。该研究提供了一种快速、高效的内陆淡水沼泽湿地遥感分类技术。     

基于多源遥感的莺歌海滨岸环境特征分析

采用综合多源遥感方法提取地表信息,结合文献资料和实地调查数据探讨莺歌海滨岸带地面要素的分布特征及其相互关系.主要讨论了综合激光雷达(LiDAR)、极化合成孔径雷达(SAR)、光学和光谱遥感数据进行地表信息提取的适用方法,包括建立精细潮位线模型、近岸微地貌模型,并进行沙化土地、植被、湿地的提取与分类;分析了莺歌海滨岸区的海岸形态、土地退化、湿地与植被分布以及自然景观结构的特征.研究表明,综合遥感方法能有效地支持地表环境特征提取;研究区内滩涂和湿地资源利用不合理;存在较高的土地退化风险;湿地开发与盐场生产活动为人地关系的核心矛盾.最后提出了相关的综合治理建议.     

基于Sentinel-2遥感时间序列植被物候特征的盐城滨海湿地植被分类

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。     

基于卷积神经网络和高分辨率影像的湿地群落遥感分类——以洪河湿地为例

以洪河国家级自然保护区为研究对象,应用卷积神经网络（CNN）方法进行高分辨率湿地遥感影像的分类研究,并与基于光谱支持向量机（SP-SVM）的方法和基于纹理及光谱的支持向量机（TSP-SVM）的方法进行了对比。结果显示,对于所选取的2个研究区域,CNN分类方法的全局精度高于SP-SVM方法5.61%和5%,高于TSP-SVM方法4.18%和4.15%。尤其对于部分湿地植被的分类精度明显高于SP-SVM和TSP-SVM方法。研究表明,卷积神经网络为湿地识别的精细划分提供了有利的手段。     

基于多源遥感数据的湿地植物分类和生物量反演研究进展

湿地植物是湿地生态系统的重要组成部分,是指示湿地生态系统演化的重要指标。利用遥感技术,可以在区域尺度上对湿地植物进行多时段综合观测,识别湿地植物类型,并对植物生物量进行反演,定量估算湿地生态系统资源,因此,遥感技术是评价湿地生态系统健康的重要手段。但是,利用单一种类的遥感数据源的反演,在反演精度和提取湿地植物信息的丰富度上存在缺陷,而利用多源遥感数据提取湿地植物信息的精度更高,应用前景广阔。重点从遥感数据源、多源遥感融合技术、湿地植物遥感分类方法、多源遥感数据识别湿地植物类型的应用、湿地植物生物量反演模型以及应用等方面,阐述多源遥感技术在湿地植物分类和生物量反演研究中的主要进展,讨论多源遥感技术在湿地研究中的优势和不足,展望其未来发展趋势。     

基于高空间分辨率遥感影像的湿地信息提取技术研究

如何利用遥感技术获取高精度的湿地信息是湿地遥感研究中的重要内容之一.基于高空间分辨率的遥感影像数据,研究利用面向对象的分类方法,综合利用遥感数据的光谱信息、纹理特征、拓扑关系等信息进行多尺度分割,通过对对象的目视解译建立隶属度函数,并结合最邻近分类法,获取湿地信息.并以福建省闽江口湿地为例,采用高分辨率的SPOT5影像数据,研究表明：利用面向对象的方法对SPOT5遥感影像进行湿地信息的提取精度达到90.40%,为湿地信息的提取又提供了一个有效的方法.     

塔里木胡杨自然保护区湿地景观季相分析

湿地景观变化是区域生态环境的一个重要指示器，其扩张和萎缩对区域生态环境将产生重要影响。为了准确评估新疆塔里木胡杨国家自然保护区湿地景观在枯水季与丰水季的变化规律，研究采用遥感手段，通过分析同一年份枯水期与丰水期二期遥感数据，对保护区湿地景观格局进行分析。研究得出：（1）保护区湿地面积约为13万ha，沼泽湿地是研究区湿地的主要类型，约占湿地总面积的74%，河流湿地与人工湿地占比约为13%。（2）丰水期与枯水期相比，湿地各类型面积（除人工湿地外）均呈现增加趋势。河流湿地变动最为剧烈，其中永久性河流变动幅度最大，达84.37%；沼泽湿地面积变化幅度较小，人工湿地面积基本没有变化。造成湿地面积年内变动主要是由于塔里木河中游来水量季节分配不均，洪、枯悬殊以及农业用水时段的差异造成的。（3）丰水期与枯水期相比，共有7791.25 ha发生了类型转化，其中其它类型转化为湿地占50.55%，草本沼泽面积发生转化占26.24%。季节性或间歇性河流变动最为激烈，有94.2%的面积发生转化。研究得到了保护区湿地景观格局在同一年内不同时间和空间上的变化，揭示了湿地景观季相变化动因，为保护区湿地保护政策的提出提供科学依据。     

全球土地覆盖GlobCover2009数据中的中国区域湿地数据精度评价

目前,湿地方面的全球性数据产品寥寥无几。GlobCover2009作为免费的分辨率最高的全球土地覆盖数据产品,成为研究全球性湿地的重要参考数据源之一。目前为止,还没有学者对该数据产品中湿地类型的精度做出具体评价。以目视解译的中国2008年湿地遥感制图数据为参考,从湿地面积、类型和空间一致性在不同区域的分布等方面,对GlobCover2009数据产品在中国区域内湿地相关类型产品的分类精度进行了评价。评价结果显示,GlobCover2009数据产品中,中国的湿地类型总体分类精度不高,湿地面积一致性为46%,总体精度为32%,Kappa系数为0.13;其中,沼泽湿地的制图精度(0.05%)远低于水体制图精度(53.34%),水体的用户精度达到90.18%,沼泽湿地的用户精度仅为11.76%。对于沼泽湿地分布较广泛的中国东北地区和西北地区,该数据产品的分类精度也很低,分别仅为17%和13%;造成此现象的原因,除GlobCover2009数据产品没有专门对沼泽湿地进行定义和分类外,二者使用的数据源在空间分辨率及时间上的差异也是主要原因。     

2013年三江平原北部洪水对沼泽湿地景观的影响

基于Landsat 8 OLI和HJ-1 CCD影像,利用面向对象方法,对2013年8月发生在三江平原北部的洪水进行遥感监测,获取洪水浸淹范围,评估洪水造成的损失,分析洪水对沼泽湿地景观的影响。结果显示,在洪水淹没范围内,土地覆盖遥感分类的总体精度为93%,Kappa系数为0.92;洪水发生后,研究区内4个国家级自然保护区内的沼泽面积增加了30 654 hm2,沼泽斑块面积增加,斑块间水力联系加强,景观破碎度降低。2013年夏季洪水对研究区沼泽的恢复和重塑有促进作用。     

基于Freeman分解的喀斯特高原山区烟田土壤水分反演研究

为探究SAR技术在喀斯特高原山区烟田旱情监测,选取贵州省清镇市流长乡现代烤烟农业基地单元为研究区,采用SAR目标极化分解技术反演团棵期烟田土壤水分。选取Radarsat-2全极化数据,通过Freeman-Durden极化目标分解技术,分解出3种散射机制,并从目视解译假彩色合成影像与散射功率两个角度综合分析主要散射机制,根据SAR影像散射量中的介电常数与土壤水分密切相关的原理,尝试不同的回归模型,用主要散射机制占比反演烟田土壤水分,并用线性回归检验法检验其反演精度。结果表明:此方法能够较好地反演喀斯特高原山区烟田团棵期土壤水分,体现出SAR影像信息中单次散射模拟微粗糙表面散射及反演土壤水分的优势,为喀斯特高原山区烟田旱情监测提供技术参考。