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Assessment of vegetation by object-oriented classification and integration of decision tree classifier in Yushu

玉树地区融合决策树方法的面向对象植被分类



全 文 :书玉树地区融合决策树方法的面向对象植被分类
王志伟1,3,史健宗1,岳广阳1,赵林1,南卓铜1,
吴晓东1,乔永平1,吴通华1,邹德福1,2
(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 冰冻圈科学国家重点实验室 青藏高原冰冻圈观测研究站,甘肃 兰州730000;2.兰州大学
草地农业科技学院 草地农业生态系统国家重点实验室,甘肃 兰州730020;3.中国科学院大学,北京100049)
摘要:植被类型是反映气候变化和生态环境变化最直接、最敏感的指示器。草地作为青藏高原最主要的植被类型,
对其进行分类研究可以为高原草地退化、荒漠化等研究提供直接的信息,也可以为全球变暖、冻土退化等提供间接
的分析数据,同时还可以为陆面模型的模拟提供重要的参数。大面积区域的植被分类可以通过将研究区内的位
置、纹理和地形属性等信息综合考虑来完成,面向对象的植被分类方法可以通过对研究区多重信息进行分割和合
并,来生成植被类型图。而且,该方法可以克服传统决策树分类方法成图时像元分散的缺点。利用TM 假彩色合
成影像、ASTERDEM数据和 MODIS的EVI和LST产品,对玉树地区的高寒草地类型进行了面向对象的划分,总
体精度为49.32%。虽然相比仅用单独决策树分类方法的总体精度略微偏低,不过该方法可以在保持环境、地域等
因子同植被类型统计关系的基础上,克服决策树方法带来的“椒盐效应”。此外,植被模型的物理过程、参数计算和
获取环境因子等都比较复杂,本研究的方法也可以为植被分类制图提供一种简单,快速的方法。
关键词:面向对象;决策树;玉树地区;植被分类
中图分类号:Q948.15+2  文献标识码:A  文章编号:10045759(2013)05006210
犇犗犐:10.11686/cyxb20130508  
  作为全球高海拔冻土面积最大的分布区[1],青藏高原在冻土、冰川、湿地、湖泊、植被等生态变化中的作用极
其重要[27]。但是因为条件限制,现在对青藏高原多年冻土区的研究,许多都只是针对水、热、能量循环过程的监
测[810],而对一些植被方面的研究却非常有限[11]。
植被作为一种重要的自然资源,被认为是反映生态环境变化的敏感指示器[12]。它不仅是影响陆面过程下垫
面的重要因子[13],而且因其对碳的作用[14],在全球变化中也同样发挥着巨大作用[15]。这其中,植被类型又是进
行植被研究的基础[16],早期对植被类型的划分主要是利用人工方法进行实地调查[17]。不过,自然界的植被类型
繁多,其生长环境状况又复杂多样,仅依靠传统方法完成植被分类,需要耗费大量人力和物力,而且许多环境恶劣
及交通不便的区域又是人类难以到达的[18]。近年来随着遥感(remotesensing,RS)、地理信息系统(geographic
informationsystem,GIS)和全球定位系统(globalpositioningsystem,GPS)的发展,基于遥感影像的植被分类经
历了目视解译[19]、监督分类与非监督分类、人工神经网络、模糊数学、专家系统分类、决策树和面向对象等发展阶
段,这些技术方法都为当今的植被制图提供了一种全新的途径。其中,决策树分类的方法因其灵活性和快速性的
优点在植被分类中较为常用,翁中银等[20]将重庆市区东北部的渝北区(面积为1452km2)分为水体、建设用地、
林地、草地、耕地5种类型,其最优分类结果总精度为88.42%,Kappa系数为0.8547;张秀敏等[18]在青藏高原的
温泉地区(面积约为1000km2)划分植被类型为高寒草甸、高寒草原、高寒灌丛、高寒沼泽草甸和非植被5种类
型,分类结果总精度为72%,Kappa系数为0.6。而国外应用面向对象方法进行植被分类也很多,Harken和Su
gumaranr[21]采用非参数面向对象的方法进行湿地分类制图,分类精度为92.13%;Walker和Briggs[22]采用面向
62-71
2013年10月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第22卷 第5期
Vol.22,No.5
收稿日期:20120827;改回日期:20130313
基金项目:国家自然科学基金课题“高寒植物群落根系分布和格局对多年冻土活动层水热过程的响应”(41101055),中科院百人计划项目“中亚
多年冻土对气候变化的响应研究”(51Y251571)和科技部基础性工作专项“青藏高原多年冻土本底调查”(2008FY110200)资助。
作者简介:王志伟(1983),男,陕西府谷人,在读博士。Email:wzw1206@163.com
通讯作者。Email:linzhao@lzb.ac.cn
对象方法从航片上提取植被信息,总体分类精度高达94%;国内对这种方法的研究还处于探索阶段[23],周春艳
等[24]、江辉等[25]应用面向对象专业方法对植被进行过分类研究,张学儒等[23]对定日县(面积为2753km2)的灌
丛植被进行提取精度可达84.7%。不过,以上研究多是在较小区域展开,对大面积区域的植被类型分布方法的
研究相对较少。
面向对象是将若干个像元组成的“群体”影像进行信息提取,可以克服单个影像信息提取时存在的“椒盐效
应”问题[26]。同时,决策树的植被分类方法又可以解决监督分类和非监督分类方法中存在的“同物异谱,异物同
谱”现象[27]。本研究使用面向对象方法,结合青藏高原玉树地区的专题制图仪影像(thematicmapper,TM)、数
字高程模型(digitalelevationmodel,DEM)、增强型植被指数(enhancedvegetationindex,EVI)和地表温度(land
surfacetemperature,LST)影像,依据这些影像中的光谱、纹理、大小、形状及特定的属性信息和数值计算信息(如
以地表温度的早晚数据计算得到的温度日较差)将影像分析后的分类结果输出为多边形矢量数据,然后再结合决
策树方法对每个多边形进行植被等类型划分,目的是能够识别更加精细的类型,为青藏高原植被类型划分提供更
加可靠的数据基础和方法依据,而且希望将植被分类方法推广到一个大范围的研究区域中。在20世纪90年代,
学者们提出了“草业科学”这个新概念,青藏高原地区的植被多以草地为主,而且从草业的结构来讲,多分布于前
植物生产层和植物生产层。青藏高原的草地凭借景观和环境效益及作为高原动物的食物来源,对于人类和生态
来讲,其作用不容忽视。因此,对青藏高原植被分类———草地类型的研究也同样重要。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
玉树藏族自治州地处青海南部(图1右下角小图所示),境内西部以高海拔、山地为主[28],东部地势相对平
坦,研究区海拔变化范围较大。地理分布范围为32°10′~35°40′N,92°00′~98°50′E,研究区面积为165692
km2。气候属青藏高原气候系统,为典型的高原大陆性气候[29]。
研究区占据玉树藏族自治州西南大部(图1左下角小图所示),区域内西北部湖泊众多,植被主要为草地,分
布有沼泽草甸、高寒草甸、草原化草甸、高寒灌丛、高寒草原、荒漠化草甸、荒漠化草原和高寒荒漠,沿河及湖泊低
洼地区广泛分布藏嵩草沼泽草甸[29],中部分布有雪山,西部和北部有大面积低植被生长区域,植被整体发育状况
西南优于东北。研究区内主要优势种植被为小嵩草(犓狅犫狉犲狊犻犪狆狔犵犿犪犲犪)、青藏苔草(犆犪狉犲狓犿狅狅狉犮狉狅犳狋犻犻)、藏嵩草
(犓狅犫狉犲狊犻犪狋犻犫犲狋犻犮犪)、矮嵩草(犓狅犫狉犲狊犻犪犺狌犿犻犾犻狊)、垫状点地梅(犃狀犱狉狅狊犪犮犲狋犪狆犲狋犲)、沙生凤毛菊(犛犪狌狊狊狌狉犲犪犪狉犲狀犪狉
犻犪)、金露梅(犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犳狉狌狋犻犮狅狊犪)和昆仑针茅(犛狋犻狆犪狉狅犫狅狉狅狑狊犽狔犻)等,广布二裂委陵菜(犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犫犻犳狌狉犮犪)、西藏
微孔草(犕犻犮狉狅狌犾犪狋犻犫犲狋犻犮犪)、弱小火绒草(犔犲狅狀狋狅狆狅犱犻狌犿狆狌狊犻犾犾狌犿)、匍匐水柏枝(犕狔狉犻犮犪狉犻犪狆狉狅狊狋狉犪狋犪)、高原点地
梅(犃狀犱狉狅狊犪犮犲犻狀狋犲犵狉犪)、雪灵芝(犃狉犲狀犪狉犻犪犫狉犲狏犻狆犲狋犪犾犪)、楔叶委陵菜(犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犮狌狀犲犪狋犪)、绿藜(犆犺犲狀狅狆狅犱犻狌犿
犵犾犪狌犮狌犿)等,并伴生有葶苈(犇狉犪犫犪狀犲犿狅狉狅狊犪)、海乳草(犌犾犪狌狓犿犪狉犻狋犻犿犪)、铺散亚菊(犃犼犪狀犻犪犽犺犪狉狋犲狀狊犻狊)、美花
草(犆犪犾犾犻犪狀狋犺犲犿狌犿狆犻犿狆犻狀犲犾犾狅犻犱犲狊)、扇穗茅(犔犻狋狋犾犲犱犪犾犲犪)、西伯利亚蓼(犘狅犾狔犵狅狀狌犿狊犻犫犻狉犻犮狌犿)、胀果棘豆
(犗狓狔狋狉狅狆犻狊狊狋狉犪犮犺犲狔犪狀犪)、红景天(犚犺狅犱犻狅犾犪狉狅狊犲犪)、垫状驼绒藜(犆犲狉犪狋狅犻犱犲狊犮狅犿狆犪犮狋犪)、角茴香(犎狔狆犲犮狅狌犿犾犲狆
狋狌犿)、蚓果芥(犜狅狉狌犾犪狉犻犪犺狌犿犻犾犻狊)、宽颖鹅观草(犚狅犲犵狀犲狉犻犪犾狅狀犵犻犵犾狌犿犻狊)、卷鞘鸢尾(犐狉犻狊狆狅狋犪狀犻狀犻犻)、长果婆婆纳
(犞犲狉狅狀犻犮犪犮犻犾犻犪狋犪)、蓝白龙胆(犌犲狀狋犻犪狀犪犾犲狌犮狅犿犲犾犪犲狀犪)等。
1.2 数据来源
遥感数据包括美国国家航空航天局(NationalAeronauticsandDpaceAdministration,NASA)的2种 MO
DIS-Terra产品和一种DEM产品:EVI(MOD13Q1)、LST(MOD11A2)和ASTER(星载热量散发和反辐射仪)
GDEMV2(globaldigitalelevationmapannouncemen)。同时还用到USGS(美国地质调查局)的LandsatTM5
影像。其中,EVI产品的空间分辨率和时间分辨率分别为250m和16d,共23个时相的影像数据(2011年全年,
包括h25v05和h26v05两景影像);LST产品的空间分辨率和时间分辨率分别为1km和8d,共10个时相的影
像数据(获取时间为2011年第193,201,209,217,225,289,297,305,313,321天,包括h25v05和h26v05两景的
36第22卷第5期 草业学报2013年
早、晚影像);LandsatTM5影像包括134037,135036,135037,136036,136037和137036六幅影像,成像时间
分别为20110909、20100828、20110831、20110806、20110806和20110914,都分布在8、9月植物生长旺
季,不过影像135036在2011年数据因为云量和纠正的原因无法下载,所以选择邻近2010年的数据作为替代。
野外数据的采集是在青藏高原多年冻土本底调查研究项目的支持下进行的,包括植被调查点和遥感估算点
2种数据。植被调查采用样线和样方相结合的方法,在研究区内随机选取73个植被调查地,其中沼泽草甸17
个、高寒草甸27个、草原化草甸2个、高寒草原1个、高寒灌丛9个、荒漠化草甸6个、荒漠化草原3个和高寒荒
漠8个,样地均布置在植被状况均一、范围广等具有代表性的8种植被类型区域上,每个调查地设置6个样方
(1m×1m)重复,在30m卷尺的直线范围内每间隔5m设置1个重复,相邻重复分左右分别位于卷尺两侧,每
个重复的植被类型由专家会商给出,同时利用手持GPS记录经纬度等,每个样地的位置为6个样方的经纬度平
均值。遥感估算点是在完成调查项目的路途中经过专家的估计,结合GPS数据记录当地的植被类型,记录依据
密集、广布和代表大面积区域特性的原则完成,共包括358个样地,其中沼泽草甸75个、高寒草甸160个、草原化
草甸10个、高寒灌丛30个、高寒草原12个、荒漠化草甸32个、荒漠化草原5个和高寒荒漠34个。
图1 研究区犜犕(假彩色显示)及犇犈犕影像(数字高程模型)
犉犻犵.1 犜犺犲犳犪犾狊犲犮狅犾狅狉犱犻狊狆犾犪狔狅犳犜犕(狋犺犲犿犪狋犻犮犿犪狆狆犲狉)犪狀犱狋犺犲犻犿犪犵犻狀犲狅犳犇犈犕(犱犻犵犻狋犪犾犲犾犲狏犪狋犻狅狀犿狅犱犲犾)
 
1.3 决策树方法下的植被分类
已有的研究表明,归一化植被指数检测植被时的灵敏度在覆盖度小于15%或大于80%时存在局限性[30]。
张秀敏等[18]指出,对于青藏高原地区而言,采用EVI代替NDVI数据研究植被类型分类更具有适用性。所以,
利用EVI数据(图2为整个研究区域EVI的平均值变化曲线)、结合DEM和LST影像数值及其计算得出的坡度
(slope)、坡向(aspect)、剖面曲率(profileconvexity,PC)和温度日较差数据(temperaturedailyrange,TDR)一起
来完成决策树规则。上述指标中剖面曲率用来度量坡度沿剖面的变化速率,凸面为正值,凹面为负值。其中,
EVI的公式如下所示:
EVI=G(ρNIR-ρred)/(ρNIR+C1×ρred-C2×ρblue+L) (1)
式中,ρNIR为近红外光波段反射率,ρred为红光波段反射率,ρblue为蓝光波段反射率,C1 和C2 是调整大气气溶胶散
射影响的因子,L是土壤调节因子,G为常数[31]。根据经验,参数C1=6.0,C2=7.5,L=1.0,G=2.5。
46 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.5
温度日较差数据(TDR)为植物生长最旺时早、晚平均温的差值与植物生长最弱时早、晚平均温的差值的绝
对差,TDR的公式如下所示:
TDR=ABS[ABS(DayTmin-NightTmin)-ABS(DayTmax-NightTmax)] (2)
式中,ABS()是计算绝对值的函数。TDR指温度日较差数据,DayTmin和 NightTmin指植物生长最弱时(图2
所示第289天到第321天)的 MODISLST产品白天平均温和夜晚平均温数据,DayTmax和NightTmax指植物
生长最旺时(图2所示第193天到第225天)的 MODISLST产品白天平均温和夜晚平均温数据。
依据估算点数据(图3所示),将植被和非植被的临界EVI值定义为0.12,即EVI小于0.12的像元为非植
被。当EVI>0.60时,该像元可以被定义为沼泽草甸。然后在保证每个EVI区间都有一定数量估算点的前提
下,将其余EVI等间距划分8个区间,即0.12~0.18,0.18~0.24,0.24~0.30,0.30~0.36,0.36~0.42,0.42~
0.48,0.48~0.54和0.54~0.60,然后统计分析每个区间内的DEM、TDR、Slope、Aspect和PC分布特征,以此
总结出分类规则如图4所示,得到的最终分类结果如图5a所示。
图2 2011年研究区内增强型植被指数平均值变化曲线
犉犻犵.2 犞犪狉犻犪狋犻狅狀狆狉狅犳犻犾犲狅犳犲狀犺犪狀犮犲犱狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犻狀犱犲狓(犈犞犐)
犪狏犲狉犪犵犲犻狀狊狋狌犱狔狉犲犵犻狅狀犱狌狉犻狀犵2011
 
图3 8种植被类型估算点的增强型植被指数值
犉犻犵.3 犈狀犺犪狀犮犲犱狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犻狀犱犲狓狏犪犾狌犲狅犳犲狊狋犻犿犪狋犻狀犵
狆狅犻狀狋犻狀8狊狋犲狆狆犲狋狔狆犲
   1:沼泽草甸Swampmeadow;2:高寒草甸 Alpinemeadow;3:草原化
草甸Steppealpinemeadow;4:高寒灌丛 Alpineshrub;5:高寒草原
Alpinesteppe;6:荒漠化草甸 Desertificationmeadow;7:荒漠化草原
Desertificationsteppe;8:高寒荒漠Desert.
1.4 融合决策树方法的面向对象植被分类
决策树方法虽然能够在一定程度上反映植被类型
状态,如图5a所示玉树研究区内东南方位的植被类型
明显优于西北方位,造成植被这种分布的原因同海拔
西部高于东部、纬度南部低于北部有直接的关系。不
过,基于决策树的植被分类方法存在划分图斑零散、地
表植被类型不够连续的缺点(图5b左下角所示)。为
了克服该方法图斑分散的缺点,首先对研究区的TM
影像结合EVI、TDR、DEM 和Aspect、Slope、PC属性
进行面向对象的特征分类,将具有相近地形、物理特征
等要素的像元聚合到一个“像元集”中构成图斑,然后
再以图斑为基础制定草地类型的决策树规则和其他地
物的地形、光谱和纹理规则,最后对整个研究区的矢量
图层进行分类。
1.4.1 图像分割 根据TM 影像临近像素亮度、结
合EVI与TDR的数值特征,同DEM 及其计算得到
的Aspect、Slope、PC空间属性一起对图像进行分割。
算法采用基于边缘的分割方法,这种算法运算速度很
快,只需输入一个参数来控制分割结果,这个参数的阈
值范围为0~100,设置的参数越大则分割出的图斑越
少,分割的效果在一定程度上会决定分类结果的精度。
本研究中分别选取河流、湖泊、冰川积雪、荒漠、稀疏植
被覆盖和高植被覆盖区域,通过预览参数分别为0,5,
10,…,100时的分割效果来设定合理的分割参数阈
值,在参数数值为40时,能够保证大部分地位类型不
被漏分。以河流和临近植被区域,分割参数依次为
35,40和45为例(图6,a、b、c中的参数分别为35、40、
45),图6a中东南部(红色圆圈内)存在大量的图斑过
度累积现象,图6c中河流中间的岸边存在植被漏分为
河流的现象(红色圆圈内),只有参数为40的图6b中岸边植被没有被漏分为河流、同时具有较小的图斑过度积累
程度。
56第22卷第5期 草业学报2013年
图4 决策树分类规则
犉犻犵.4 犆犾犪狊狊犻犳狔狉狌犾犲狊犻狀犱犲犮犻狊犻狅狀狋狉犲犲
 Nonvegetation无植被生长。1:沼泽草甸Swampmeadow;2:高寒草甸 Alpinemeadow;3:草原化草甸Steppealpinemeadow;4:高寒灌丛Alpine
shrub;5:高寒草原Alpinesteppe;6:荒漠化草甸Desertificationmeadow;7:荒漠化草原Desertificationsteppe;8:高寒荒漠Desert.
 
图5 决策树分类的植被类型图
犉犻犵.5 犜犺犲犿犪狆狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狋狔狆犲狑犻狋犺犱犲犮犻狊犻狅狀狋狉犲犲
 图5b中,左上角影像是TM(专题制图仪影像thematicmapper)假彩色合成影像(B、C、D图是A图中黄色方块所包括的区域放大影像),右上角影
像是TM(专题制图仪影像thematicmapper)影像放大后的影像,左下角影像是决策树分类(图5a)放大后的影像,右下角影像是融合决策树方法的面
向对象分类(图8)放大后的影像。InFig.5b,TMimages(thematicmapper)isinthetopleftpartthatisfalsecolorcompositeimages.Themagni
fiedimagesincludedintheyelowsquareareaofdiagramAareB,CandDdiagrams.AndtheenlargedTMimages,decisiontreeclassifiedimagesand
objectorientedwithdecisiontreeclassificationareinthetopright,bottomrightandbottomleftpart,respectively.
1.4.2 合并分割 图像分割时,一些特征对象会被错分,图6b中河流中部(红色圆圈内)存在的部分图斑过度积
累现象,通过合并分割的过程来减小这种现象。合并分割算法通过光谱和空间信息的迭代来合并临近的小图斑,
这一过程也需要输入一个参数来控制合并结果,阈值范围也是0~100,设置的参数越大则合并到一起的图斑越
多。同样还是分别选取河流、湖泊、冰川积雪、荒漠、稀疏植被覆盖和高植被覆盖区域,通过预览参数分别为0,5,
66 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.5
10,…,100时的分割效果来设定合理的合并参数阈值,在参数数值为55时,能够保证大部分地位类型不被错分。
还是以河流和临近植被区域,合并参数依次为50,55和60为例(图7所示,a,b,c中的参数分别为50,55,60),图
7a中东南部(红色圆圈内)还是存在图斑过度累积现象,图7c中部较小河流存在错分现象(红色圆圈内),只有参
数为55的图7b具有较好的分类图斑。
图6 图像分割阈值参数设定
犉犻犵.6 犜犺犲狊犲狋狋犻狀犵狅犳狋犺狉犲狊犺狅犾犱犻狀犻犿犪犵犲狊犲犵犿犲狀狋犪狋犻狅狀
 
图7 图像分割阈值参数设定
犉犻犵.7 犜犺犲狊犲狋狋犻狀犵狅犳狋犺狉犲狊犺狅犾犱犻狀犻犿犪犵犲狊犲犵犿犲狀狋犪狋犻狅狀
 
图8 融合决策树方法的面向对象植被类型图
犉犻犵.8 犜犺犲犿犪狆狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狋狔狆犲狑犻狋犺狅犫犼犲犮狋狅狉犻犲狀狋犲犱犮犾犪狊狊犻犳犻犮犪狋犻狅狀犻狀狋犲犵狉犪狋犻狅狀狅犳犱犲犮犻狊犻狅狀狋狉犲犲犮犾犪狊狊犻犳犻犲狉
76第22卷第5期 草业学报2013年
1.4.3 建立规则 在图斑确立后,我们依据图斑中的像元值计算每个图斑的整体属性值,本研究中主要计算空
间(spatial)和光谱(spectral)属性。对于某一图斑,波段的平均灰度值计算公式如下所示:
犞狓=1狀∑

犻=1
犞狓犻 (3)
式中,犞狓为该图斑在狓波段的整体属性值,狀为这一图斑内的像元个数,犞狓犻为狓波段的第犻像元的属性值。计
算出属性值之后,利用图4中的决策树规则对草地类型分类建立规则。
1.4.4 分类结果 在面向对象分类得到研究区属性图斑,然后以建立的决策树规则对其进行分类操作,最终得
到研究区草地分类图像(图8),植被类型的分布同只用决策树进行分类的结果一样,也是东南方位发育良好、西
北方位发育较差。同时,图5b右下角所示比图5b左下角所示中的分类结果更加接近人类视觉认知行为。
2 结果与分析
2.1 决策树分类结果及精度评价
根据表1所示的误差矩阵[32]分析,应用传统的决策树分类方法对研究区的草地类型进行划分得到的分类结
果总精度为56.16%,Kappa系数为0.4394。各草地类型在研究区所占面积和百分比分别为沼泽草甸(24225
km2,14.62%)、高寒草甸(74431km2,44.92%)、草原化草甸(7638km2,4.61%)、高寒灌丛(13936km2,
8.41%)、高寒草原(1223km2,0.74%)、荒漠化草甸(15254km2,9.21%)、荒漠化草原(16km2,0.01%)和高寒
荒漠(19292km2,11.64%),其余为无植被区域。
表1 决策树分类误差矩阵
犜犪犫犾犲1 犈狉狉狅狉犿犪狋狉犻狓犪犫狅狌狋犮狅狀狏犲狀狋犻狅狀犪犾犱犲犮犻狊犻狅狀狋狉犲犲犮犾犪狊狊犻犳犻犲狉
调查点Surveypoint
决策树分类结果 Theimageofdecisiontreeclassifier
沼泽草甸
Swamp
meadow
高寒草甸
Alpine
meadow
草原化草甸
Steppealpine
meadow
高寒灌丛
Alpine
shrub
高寒草原
Alpine
steppe
荒漠化草甸
Desertification
meadow
荒漠化草原
Desertification
steppe
荒漠
Desert
总和
Sum
沼泽草甸Swampmeadow 8 5 0 0 0 1 0 3 17
高寒草甸Alpinemeadow 4 17 3 0 0 1 0 2 27
草原化草甸Steppealpinemeadow 0 0 1 1 0 0 0 0 2
高寒灌丛Alpineshrub 0 0 0 1 0 0 0 0 1
高寒草原Alpinesteppe 0 0 1 0 4 0 0 4 9
荒漠化草甸Desertificationmeadow 0 3 0 0 0 3 0 0 6
荒漠化草原Desertificationsteppe 0 1 0 0 0 0 2 0 3
荒漠 Desert 0 2 0 0 0 1 0 5 8
总和 Total 12 28 5 2 4 6 2 14 73
2.2 融合决策树方法的面向对象分类结果及精度评价
根据表2,融合决策树方法的面向对象草地分类总精度为49.32%,Kappa系数为0.3735。各草地类型在研
究区所占面积和百分比分别为沼泽草甸(31567km2,19.05%)、高寒草甸(71585km2,43.20%)、草原化草甸
(9467km2,5.71%)、高寒灌丛(12325km2,7.44%)、高寒草原(42km2,0.03%)、荒漠化草甸(11118km2,
6.71%)、荒漠化草原(3707km2,2.24%)和高寒荒漠(11872km2,7.17%),其余为无植被区域。
3 讨论
从1805年VonHumboldt和Bonpland发表《植物地理学基础》以来,植被类分类的研究已经经历了200多
年的发展。起初,植被分类基本上都是依靠人工调查来完成,虽然这种基础的分类方法具有很高的精度,不过如
果对大面积研究区域做出调查,就会存在调查周期过长、作业成本过高、人力物力耗费巨大的缺点,现在的植被分
类方法多采用遥感等技术手段同人工调查结合的办法完成。
86 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.5
表2 融合决策树方法的面向对象分类误差矩阵
犜犪犫犾犲2 犈狉狉狅狉犿犪狋狉犻狓犪犫狅狌狋狅犫犼犲犮狋狅狉犻犲狀狋犲犱犮犾犪狊狊犻犳犻犮犪狋犻狅狀犻狀狋犲犵狉犪狋犻狅狀狅犳犱犲犮犻狊犻狅狀狋狉犲犲犮犾犪狊狊犻犳犻犲狉
调查点Surveypoint
决策树分类结果 Theimageofdecisiontreeclassifier
沼泽草甸
Swamp
meadow
高寒草甸
Alpine
meadow
草原化草甸
Steppealpine
meadow
高寒灌丛
Alpine
shrub
高寒草原
Alpine
steppe
荒漠化草甸
Desertification
meadow
荒漠化草原
Desertification
steppe
荒漠
Desert
总和
Sum
沼泽草甸Swampmeadow 3 6 1 1 2 0 3 1 17
高寒草甸Alpinemeadow 1 19 3 2 0 0 2 0 27
草原化草甸Steppealpinemeadow 0 0 2 0 0 0 0 0 2
高寒灌丛Alpineshrub 0 0 0 0 1 0 0 0 1
高寒草原Alpinesteppe 0 1 2 1 3 0 0 2 9
荒漠化草甸Desertificationmeadow 1 1 0 0 0 4 0 0 6
荒漠化草原Desertificationsteppe 0 0 0 0 1 0 1 1 3
荒漠 Desert 0 0 1 1 1 0 1 4 8
总和 Total 5 27 9 5 8 4 7 8 73
  应用遥感手段的植被分类方法主要包括非监督分类、监督分类、决策树规则分类和面向对象分类等几个阶
段。非监督分类和监督分类方法更多的是基于光谱信息特征,因此该方法大多用于较大植被类型和规则植被区
分类,如区分林地、草地、岩石、水体、大片连续农田等。本研究对草地类型进行划分,因光谱特征非常相似,所以
利用非监督分类和监督分类方法无法做出分类结果。
决策树分类方法在小区域植被分类中的引用已经成熟,不过在大区域的植被分类中应用较少,本研究利用决
策树方法的分类精度为(56.16%,0.4394),高于融合决策树方法的面向对象分类方法精度(49.32%,0.3735)。
该方法的分类精度偏低,是由于面向对象的方法在运算过程中会将周围的像元合并到基础图斑中,同时也存在将
同类型草地类型分割到基础图斑之外的现象,这就会造成一定的“错分”和“漏分”现象。不过,相比传统决策树分
类方法,本方法可有效的去除“椒盐效应”,更符合人类对客观世界的认知。
分类时,决策树分类方法对沼泽草甸、高寒灌丛、高寒草原、荒漠化草原和荒漠的划分准确率高于融合决策树
方法的面向对象分类方法,其他3种分类结果中融合决策树方法的面向对象分类方法高于决策树分类方法。同
时,融合决策树方法的面向对象分类规则依据统计经验关系得出,存在主观性较大的问题。图4分类规则中的高
寒草甸出现次数最多(13次,一共34条规则),而且出现的范围最广(除了EVI<0.12的无植被区域和EVI>
0.60的沼泽草甸区域以外,其他区域都有分布),所以在2种分类结果中高寒草甸的面积占据整个研究区域的面
积也最大(分别为44.92%和43.20%)。决策树分类方法和融合决策树方法的面向对象分类都较多的将其他草
地类型划分成沼泽草甸和将沼泽草甸划分成其他草地类型,造成这种现象的主要原因是没有充分的地面水分状
况数据,如果能有较完善的地面水分数据可以为水分条件优良的沼泽草甸划分提供基础数据。接下来的青藏高
原多年冻土本底调查研究项目会为我们提供整个青藏高原的冻土分布状况,依据研究区域的冻土水分特征会为
我们的植被分类提供更多的数据资料,也会为植被分类精度的提高提供依据。
4 结论
相比早期对小面积区域植被分类的研究[18,20,23,33],本研究主要是利用决策树分类方法在大面积区域内进行
草地分类研究。同时,融合决策树方法的面向对象分类方法在大面积区域研究分类时虽然存在精度低于传统决
策树分类方法的缺点,不过该方法却更符合人类观测习惯,如果能够结合更多的物理过程资料或者完善的植被生
境理论[3436],依据其结合地形、光谱、纹理等多种信息的特点,精度将会有很大的提升,也更能反映草地类型形成
的客观规律。
96第22卷第5期 草业学报2013年
致谢:本研究部分数据得到科技部基础性工作专项“青藏高原多年冻土本底调查(2008FY110200)”项目支持,野
外工作得到焦克勤老师、吴吉春师兄、张乐乐等的帮助,文章成文时秦细心修改,在此衷心感谢。同时感谢兰州
大学草地农业科技学院的冯琦胜师兄在数据处理过程中的帮助和青海大学王迅在TM 数据下载时候的大力支
持。
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犃狊狊犲狊狊犿犲狀狋狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犫狔狅犫犼犲犮狋狅狉犻犲狀狋犲犱犮犾犪狊狊犻犳犻犮犪狋犻狅狀犪狀犱犻狀狋犲犵狉犪狋犻狅狀
狅犳犱犲犮犻狊犻狅狀狋狉犲犲犮犾犪狊狊犻犳犻犲狉犻狀犢狌狊犺狌
WANGZhiwei1,3,SHIJianzong1,YUEGuangyang1,ZHAOLin1,NANZhuotong1,
WUXiaodong1,QIAOYongping1,WUTonghua1,ZOUDefu1,2
(1.CryosphereResearchStationontheQinghaiTibetPlateau,StateKeyLaboratoryofCryosphere
Sciences,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineerResearchInstitute,Chinese
AcademyofSciences,Lanzhou730000,China;2.ColegeofPastoraland
AgriculturalScienceandTechnology,LanzhouUniversity,State
KeyLaboratoryofGrasslandAgroecosystem,Lanzhou
730020,China;3.UniversityofChineseAcademy
ofSciences,Beijing100049,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Theclassificationofvegetationhasattractedmuchattentionforstudyofecologicaleffectsonthe
Qinghai-TibetanPlateau.Previousstudieshavemostlyfocusedondecisiontreeclassifiers,andmuchresearch
hasbeendonetotestthisclassificationonasmalscale.Inthisstudy,weconsideralargescalemethod(ob
jectorientedclassification),whichcanalsobeintegratedwithaconventionaldecisiontreeclassifier.However,
therulesofclassificationhaveonlyutilizedtheinformationfromdecisiontreeclassifiers.Thisapproachcom
prehensivelyconsideredinformationofposition,terrainandtexturefromTM (thematicmapper),DEM(digit
alelevationmodel),EVI(enhancedvegetationindex)andLST(landsurfacetemperature)inYushu,andthen
segmentedormergedthetypeofsteppe.Theoveralaccuracyis49.32%,andKappacoefficientis0.3735.
Ourstudysuggestedthatthismethodcouldovercomethedisadvantagesofscatteredpixelswhendivisionisby
thetypeofvegetation.Comparedtotheconventionaldecisiontreeclassifier,theoveralprecisionofourmeth
odislow.Howeverourmethodmaintainedthestatisticalrelationshipbetweenfactorsderivedfromtheenvi
ronmentandgeography,andvegetationtypestoreducethesaltandpeppereffects.Inaddition,thephysical
process,parametercalculationsandenvironmentalfactorcolectionofvegetationmodelsarecomplicated.In
thispaper,asimpleandquickwayofdivisionofvegetationtypesisprovidedbyourmethod.
犓犲狔狑狅狉犱狊:objectorientedclassification;decisiontreeclassifier;Yushu;vegetationclassification
17第22卷第5期 草业学报2013年