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A Forest Change Detection Model Based on Neighborhood Correlation Images and Decision Tree Classification

基于邻近相关图像和决策树分类的森林景观变化检测


提出一种基于邻近相关图像和决策树分类的景观变化检测方法,并将其应用于地震干扰引起的森林景观变化检测。以5·12汶川地震中遭受严重破坏的龙溪-虹口国家级自然保护区作为研究区,利用地震前后的Landsat5 TM影像创建不同邻近窗口大小的邻近相关图像,结合决策树技术生成变化检测分类图。结果表明: 使用邻近相关图像的变化检测精度有所提高,其中以5×5窗口创建的邻近相关图像变化检测效果最佳,总体分类精度和Kappa系数分别达到82.33%和0.808 5。

A change detection model based on neighborhood correlation images(NCIs)and decision tree classification using remote sensing data was proposed, and then applied to detect forest landscape change information induced by forest disturbance.Longxi-Hongkou nature reserve which was seriously damaged in 5.12 Wenchuan Earthquake was selected as study area to verify the model, and various neighborhood configuration of correlation images were explored using bi-temporal Landsat5 TM images. Change detection maps were generated by using a machine learning decision tree(C5.0). The results shows that the accuracy of change detection results using NCIs is higher than that of result without NCI. Result with 5×5 window size is of highest accuracy among the different NCIs, and general accuracy and Kappa coefficient is 82.33% and 0.808 5 respectively.


全 文 :第 !" 卷 第 # 期
$ % & & 年 # 月
林 业 科 学
’()*+,)- ’)./-* ’)+)(-*
/012!"!+02#
’345!$ % & &
基于邻近相关图像和决策树分类的
森林景观变化检测!
李世明&<王志慧&!$<李增元&<陈尔学&<刘清旺&
"&2中国林业科学研究院资源信息研究所<北京 &%%%#&# $2中国矿业大学<北京 &%%%H=$
摘<要!<提出一种基于邻近相关图像和决策树分类的景观变化检测方法!并将其应用于地震干扰引起的森林景
观变化检测% 以 C’&$ 汶川地震中遭受严重破坏的龙溪 F虹口国家级自然保护区作为研究区!利用地震前后的
.67896:C ,;影像创建不同邻近窗口大小的邻近相关图像!结合决策树技术生成变化检测分类图% 结果表明& 使用
邻近相关图像的变化检测精度有所提高!其中以 C aC 窗口创建的邻近相关图像变化检测效果最佳!总体分类精度
和 i6446系数分别达到 H$2==]和%2H%H C%
关键词&<变化检测# 邻近相关图像# 决策树
中图分类号! ’"C"<<<文献标识码!-<<<文章编号!&%%& F"!HH"$%&&#%# F%%I# F%I
收稿日期& $%&% F&& F$## 修回日期& $%&& F%! F&%%
基金项目& 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项课题" )^J),$%%H%C$ # 林业公益性行业科研专项"$%%H%!%%&$ %
! 李增元为通讯作者%
*3’/-"#A6&(.-D-#-7#$’(8’1-B2&"-1’(R-$.6+’/6’’1A’//-B&#$’(
:%&.-"&(1D-7$"$’(5/--AB&""$)$7&#$’(
.M’DMEM7T&"&2V)3/+/4/.%’9%,.3/2.3%4,#.3V)’%,-0/+%) D.#$)+@4.3! ?89*+"#/&7#&<-WD67T383:3W:M07 E0831[6938 07 73MTD[0BD008 W0BB316:M07 ME6T39"+()9$678 83WM9M07 :B33W1699MVMW6:M07
L9M7TB3E0:39379M7T86:6X694B040938! 678 :D37 6441M38 :083:3W:V0B39:16789W643WD67T3M7V0BE6:M07 M78LW38 [ZV0B39:
8M9:LB[67W32.07TmM@R07Tk0L 76:LB3B393BY3XDMWD X6993BM0L91Z86E6T38 M7 C2&$ e37WDL67 *6B:DSL6k3X699313W:38 69
9:L8Z6B36:0Y3BMVZ:D3E0831! 678 Y6BM0L973MTD[0BD008 W07VMTLB6:M07 0VW0BB316:M07 ME6T39X3B33m410B38 L9M7T[M@
:3E40B61.67896:C ,;ME6T395(D67T383:3W:M07 E649X3B3T373B6:38 [ZL9M7T6E6WDM73136B7M7T83WM9M07 :B33"(C5%$5
,D3B39L1:99D0X9:D6::D36WWLB6WZ0VWD67T383:3W:M07 B39L1:9L9M7T+()9M9DMTD3B:D67 :D6:0VB39L1:XM:D0L:+()5J39L1:
XM:D C aC XM780X9Mf3M90VDMTD39:6WWLB6WZ6E07T:D38MV3B37:+()9! 678 T373B616WWLB6WZ678 i6446W03VMWM37:M9
H$2==] 678 %2H%H C B3943W:MY31Z5
;-< =’/1"&<<火灾(地震等自然灾害和人为因素干扰常常导致
森林面积减少!类型和健康质量变化% 常规的地面调
查手段!难以监测大区域(不易达到区域的森林景观变
化% 遥感数据具有观测区域大(可以重复访问等优势!
在快速识别(监测森林景观类型变化方面发挥着重要
作用!对于生态恢复(景观重建等具有重要意义%
利用遥感数据进行变化检测!一直是遥感界重
要的研究热点 "j37937 ./0&5! &##=# JM88 ./0&5!
&##H# .L73:6./0&5! $%%%$% 迄今为止!国内外专家
学者已经开发出了众多的遥感变化检测识别算法!
包括图像差值(缨帽变换(分类后比较(光谱变化向
量分析等 "j37937! $%%C$!专家系统和神经网络也
已经应用到变化检测领域 ".L ./0&F! $%%!$% 在森
林景观变化研究方面!杨存建等"$%%%$利用植被指
数插值法提取了云南省泸水县的森林植被变化信
息# ’L7M1等"$%%!$用分类后比较方法进行地表覆
盖分类!获得了不同时期"&#!%9! &#I%9! &##%9$爱
荷华州国家公园管理区的森林(草地(农田等景观变
化信息# ’367 等"$%%C$对 .67896:数据进行缨帽变
换来监测植被的变化!获得了区域尺度上森林采伐
干扰引起的变化# jM7 等"$%%C$对缨帽变化湿度和
归一化水分指数探测森林干扰并进行了比较分析#
nkD678M6B等"$%%H$ 利用印度的 )J’ 卫星数据!采
用邻近相关图像分析技术进行了森林景观变化研
林 业 科 学 !" 卷<
究# 覃先林等"$%%I$利用 ;nQ)’ 数据!分别采用红
光 F近红外法(共生纹理矩阵法和基于相似度的变
化检测方法对我国东北林区的森林覆盖变化进行了
研究!探明了大尺度森林火灾干扰引起的变化%
邻近相关图像 " 73MTD[0BD008 W0BB316:M07 ME6T3!
+()$分析技术是一种新的变化检测方法")E./0&5!
$%%C# )E! $%%I$!利用 $ 个时相遥感图像中像元及
其周围像元之间的相关性进行变化探测% 这项技术
由 )E等"$%%C$提出!最初用于高分辨率图像城市
信息变化的检测!检测精度较高% 本文主要探讨基
于邻近相关图像和决策树分类的森林景观变化检测
方法!利用 $ 个时相遥感影像探测干扰条件下森林
景观的变化!包括森林景观类型和范围的变化!以期
为受灾林区(特别是自然保护区的生态恢复与重建
提供科学依据%
&<研究区与数据
>K>?研究区概况
以 C’&$ 汶川特大地震中森林遭受严重破坏的龙
溪)虹口国家级自然保护区为研究区% 该保护区位
于四川省都江堰市北部!地理位置 =&_%!‘)=&_$$‘+!
&%=_=$‘)&%=_!=‘*!总面积达=&% kE$# 属四川盆地
亚热带湿润气候区!年平均气温&% r!雨量丰沛!年
降水量约& I%% G& #%% EE!有*华西雨屏+之称% 整
体海拔由南向北递增!相对高差大!从低到高呈现亚
热带季风气候到寒温带的气候变化!植被也呈现明显
的垂直分布!由低到高依次为常绿阔叶林(常绿落叶
阔叶混交林(常绿针叶与落叶阔叶混交林(亚高山针
叶林(高山灌木林(高山草甸(高山流石滩植被%
>KJ?数据获取与数据处理
&2$2&<数据源<选取研究区域地震前后 $ 个时相的
.67896:C ,;多光谱卫星遥感数据!如图 & 所示% 地震
前数据的过境时间为 $%%"年 #月 &H 日!震后数据的过
境时间为 $%%H年 " 月 &H 日% 采用蓝波段",;&$(绿波
段",;$$(红波段",;=$(近红外波段",;!$和 $ 个短
波红外波段",;C!,;"$进行变化检测研究%
选择相同传感器的遥感数据保证了遥感观测
条件的基本一致!即卫星在同一地方(同一方向通
过同一地点!这样更利于图像的对比% 获取时间
均为夏季!减少了植被在不同物候条件下的光谱
响应差异% 以当地保护区管理局提供的植被图与
$%&% 年 H 月进行的野外实地调查灾害点的类型(
位置数据作为研究的辅助参考数据% 由于当地的
植被有垂直地带性分布的特点!获取了龙溪)虹
口国家级自然保护区范围的 =% E空间分辨率
图 &<不同时相的 ,;彩色合成图"JPA& !C=$
M^T5&<(010BW0E409M:30V,;ME6T39M7 8MV3B37::ME39
"JPA& !C=$
-’,*J全球数字高程数据"PQ*;$数据作为辅助
参考数据%
&2$2$<数据预处理<数据预处理包括辐射定标(大
气校正和几何校正% 首先对 $ 个时相影像进行辐射
定标!将其 Q+值转化为辐射亮度值!再使用 *+/)
软件中的 1^669D 模型对其进行大气校正!得到地面
真实反射率值# 尔后对 $ 个时相影像进行几何纠
正!配准误差小于 %2C 个像素# 对于影像区域中有
云(阴影的地方进行掩膜处理%
$<原理与方法
JK>?邻近相关图像分析原理
该方法是利用 $ 个时相遥感图像中一定区域的
像元值来计算该区域 $ 个时相影像光谱值的相关系
数!并采用最小二乘法得到该区域 $ 个时相像元值
回归方程的斜率和截距!并将值赋给该区域的中心
像元!最终得到整幅邻近相关图像& 相关系数图(斜
率图(截距图%
邻近相关图像能够反映出 $ 个时相影像在相
同区域内光谱值变化的数量和方向% 如果在 $ 个
时相图像中的特定区域内像元的光谱值发生变
化!则该区域内的相关系数就会降低!变化越大相
关系数越低!此时斜率和截距的增加或减少可以
反映出光谱变化的大小和方向% 假设没有发生任
何变化!特定区域内同名点的 $ 个时相亮度值点
对"E!:$应该在其二维散点图中处于 :dE的直线
上!此时斜率为 &!而截距为 %# 但如果发生了变
化!点对就远离 :dE这条直线!斜率不为 &!截距
不为 %!而且变化越大!斜率越远离 &!截距越远离
%!斜率和截距远离的方向代表着光谱变化的方
%"
<第 # 期 李世明等& 基于邻近相关图像和决策树分类的森林景观变化检测
向% 所以!斜率图像和截距图像可以辅助相关系
数图像来进行变化检测% 利用相关系数(斜率(截
距!结合专家系统分类方法可以提取详细的变化
类型信息%
JKJ?基于邻近相关图像和决策树的变化检测方法
基于邻近相关图像和决策树分类的变化检测流
程如图 $ 所示% 该流程主要包括 C 个步骤& &$ 数
据预处理!包括辐射定标(大气校正(几何纠正# $$
创建由不同窗口大小生成的相关系数图像(斜率图
像(截距图像# =$ 将 $ 个时相图像分别与不同窗口
的邻近相关图像叠加!结合辅助数据和调查数据!建
立训练点和检验点# !$ 利用训练点数据建立分类
规则!并生成变化检测图# C$ 利用检验点数据对变
化检测结果进行精度评价% 在该流程中!每一步都
至关重要!因为任何一步的误差都会影响到最终的
变化检测精度%
图 $<变化检测模型流程
M^T5$< 1^0X0VWD67T383:3W:M07 E0831
$2$2&<创建邻近相关图像 < 本研究利用 )Q.
"M7:3B6W:MY386:6167TL6T3$编程!并选取不同窗口大
小"= a=!C aC!" a"!# a# $创建邻近相关图像
"+()9$!以探索变化检测模型的最佳配置窗口大
小% 将最高变化检测精度所对应的窗口大小认为是
该区域的最佳窗口% 相关系数(斜率(截距的计算公
式如式"&$ G"!$所示&
,H
W0Y&$
3&3$
! "&$
W0Y&$ H
%
)
+H&
"A/+& I#&$"A/&$ I#$$
) I&
! "$$
0 H
W0Y&$
3$&
! "=$
>H
%
)
+H&
A/+$ I0%
)
+H&
A/+&
)
% "!$
式中&,是皮尔逊相关系数!W0Y&$是在一定区域"如
= a=窗口$内 $ 个时相图像所有波段亮度值的协方
差!3&!3$ 是前(后时相图像的特定区域内所有波段
亮度值的标准差!A/+&是前一时相图像的一定区域
内所有波段的第 +个像元亮度值!A/+$是后一时相
图像的一定区域内所有波段的第 +个像元亮度值!)
是特定区域内所有波段的像元总数!#& 和 #$ 分别
是 $ 个时相图像特定区域内所有波段像元亮度值的
平均值!0 和 >分别是斜率和截距")E./0&F! $%%C$%
$2$2$<提取训练点b检验点数据<在试验区域随机
生成 "%% 个点!根据研究区域在森林干扰条件下的
实际破坏情况和森林分布情况定义了 " 个变化类和
" 个不变化类% 变化类别包括& 阔叶林 F裸地
"A^ @A.$(针叶林 F裸地 "(^ @A.$(混交林 F裸地
";^ @A.$(灌木林 F裸地 "’ @^A.$(草地 F裸地
"P.@A.$(高山流石滩植被 F裸地" /^@A.$(植被 F
水体"堰塞湖!/@e$# 不变化类别包括& 阔叶林
"A^ $(针叶林" (^ $(混交林" ;^ $(灌木林" ’ $^ (草
地"P.$(高山流石滩植被 " /^$(裸地 "A.$% 参考
保护区植被类型图!并结合 $%&% 年 H 月野外调查样
点 P>’ 数据!确定 "%% 个点的所属类别!其中 !%% 个
作为训练点!=%% 个作为检验点!所有点的类别信息
见表 &% 将 $ 个时相图像的 &$ 个波段!分别与不同
&"
林 业 科 学 !" 卷<
窗口大小的邻近相关图像 "+()@=!+()@C!+()@"!
+()@#$和该区域Q*;进行图层叠加处理!形成包括
多个数据图层的输入数据% 不同变化检测方法的输
入数据见表 $%
表 >?各类别所选的训练点与检测点
5&+@>?5/&$($(. &(1#-"#1&#& $()’/%&#$’()’/-&76#<9-
类别 ,Z43 A^ @A. (^ @A. ;^ @A. ’ @^A. P.@A. /^@A. /@e A^ (^ ;^ ’^ P. /^ A.
训练点 ,B6M7M7T86:6 =$ =% =& $" $H &% && =C =H == =$ =H =$ $=
检验点 ,39:86:6 $C $$ $! &H $& " H $" $" $I $I $# $= &"
表 J?不同变化检测方法使用的输入数据
5&+@J?:(90#1&#& )’/1$))-/-(#76&(.-1-#-7#$’(%-#6’1"
变化检测方法
(D67T383:3W:M07
E3:D089
不使用 +()
eM:D0L:+()
+()@= +()@C +()@" +()@#
输入数据
)74L:86:6
两时相影像
,X0@:3E40B61
ME6T39cQ*;
两时相影像
,X0@:3E40B61ME6T39c
Q*;c+()@=
两时相影像
,X0@:3E40B61ME6T39c
Q*;c+()@C
两时相影像
,X0@:3E40B61ME6T39c
Q*;c+()@"
两时相影像
,X0@:3E40B61ME6T39c
Q*;c+()@#
$2$2=<训练分类规则$生成变化检测图<本研究使
用 qLM7167 的机器学习程序"(C2%$来开发决策树分
类规则!采用属性信息增益率"T6M7 B6:M0$来选择属
性!最大信息增益率是属性选择及样本分类的准则%
作为非参数算法!(C2% 算法对训练样本点的分布没
有特殊要求!可以同时处理连续和离散数据!生成的
分类规则易于理解!生成规则和利用规则分类速度
较快% 机器学习的决策树分类!其输入数据不但可
以包括原始波段数据和波段运算生成的各种指数数
据!还可以包括各种 P)’ 数据!如 Q*;(坡度(坡向
信息等% 本研究的输入数据由 $ 个时相影像数据(
Q*;数据和不同窗口大小的邻近相关图像组成%
为了检测结果!不同变化检测方法使用相同的训练
点和检验点!提取所有图层数据!导入 (C2% 开发分
类规则% 由表 $ 可知& 输入数据差异主要表现为是
否有 +()以及不同窗口大小的 +()数据!这样可以
有效验证 +()对变化检测精度的影响%
$2$2!<精度评价<在分类结果精度评价中!主要是
将分类结果与地表真实信息进行比较!最常采用的
方法是基于误差矩阵的统计方法% 通过计算得到基
本的精度估计量!如分类总体精度(制图精度(用户
精度!但这些指标的客观性依赖于采样样本以及方
法% i6446分析采用离散的多元技术来克服以上的
缺点!是一种测定 $ 幅图像之间吻合度或精度的指
标!其计算公式如下&
B%
,
+H&
E+ I%
,
+H&
"E+WEW+$
B$ I%
,
+H&
"E+WEW+$
% "C$
式中& ,是误差矩阵中总行数# E+是误差矩阵中第 +
行(第 +列上样本数# E+c和 Ec+分别是第 +行和第 +
列的总样本数# B是用于精度评价的总样本数%
=<结果与讨论
本研究采用方形窗口作为滤波窗口!C aC 窗口
生成的龙溪)虹口保护区地震前后邻近相关图像局
部图如图 = 所示% 相关系数图中灰度值低的像元表
示变化区域"图 =6$# 而斜率和截距图中中等灰度
值像元表示非变化区域!较高和较低灰度值的像元
则表示变化区域"图 =[!W$%
图 =<邻近相关图像"+()@C$
M^T5=<+3MTD[0BD008 W0BB316:M07 ME6T3L9M7TC aC XM780X9Mf3"+()@C$
$"
<第 # 期 李世明等& 基于邻近相关图像和决策树分类的森林景观变化检测
<<图 ! 分别列出了不使用 +()和分别使用 +()@
=!+()@C!+()@"!+()@#!并结合决策树分类生成的森
林景观变化检测图!图 ! 中红色区域即为地震所导
致的森林破坏区域% 表 = 为不同分类方法得到的地
类变化面积! 其中是否结合 +()图像!分类结果中
地类变化面积有较大差异%
图 !<使用不同 +()生成的变化检测图
M^T5!<(D67T383:3W:M07 E649L9M7TY6BM0L9+()9
表 L?不同地类的面积变化
5&+@L?*/-& 76&(.-"’)1$))-/-(#B&(1#<9-" DE$
类别 ,Z43 A^ @A. (^ @A. ;^ @A. ’ @^A. P.@A. /^@A. /@e 合计 ,0:61
不使用 +()eM:D0L:+() !"&2" & !!!2= C#I2$ I#C2= $&=2= !$#2% I!2! = #&!2$
+()@= HC"2! & I$=2" H&!2I H&&2= !&H2= !=I2" !=2$ C %%C2$
+()@C HHI2# & I$"2H H%H2= H&$2! !&C2C !=C2C !!2! C %=%2H
+()@" H=#2= & I%=2! H&&2I H&!2$ !$!2" !!!2= !&2# ! #"#2!
+()@# H=H2" & I&!2I "#H2= H%H2C !&$2I !$=2H !=2" ! #!%2$
<<本研究对选取的 =%% 个检测点分别计算了 C 种
分类结果的误差矩阵!相关的精度信息见表 ! %
通过表 ! 可以看出&
&$ 不使用 +()的变化检测分类总体精度为
"C2%%]!i6446系数为%2"$H H!利用+()@= 到+()@#
的变化检测分类总体精度和 i6446系数分别为&
="
林 业 科 学 !" 卷<
<<< 表 M?不同检测方法的结果精度
5&+@M?*770/&7< ’)1$))-/-(#%-#6’1"’)76&(.-1-#-7#$’(
变化检测方法
(D67T383:3W:M07 E3:D08
总体精度
P373B616WWLB6WZ"]$
i6446系数
i6446W03VMWM37:
不使用 +(1eM:D0L:+() "C2%% %2"$H H
+()@= H%2I" %2"#% !
+()@C H$2== %2H%H C
+()@" "#2%% %2""$ I
+()@# "H2II %2"I# %
图 C<变化类别分布详图"+()@C$
M^T5CH%2I"]和 %2"#% !! H$2==]和 %2H%H C! "#2%%]和
%2""$ I!"H2II]和%2"I# %%通过比较!可以发现使
用邻近相关分析图像的分类精度会高一些!+()@C
的变化检测精度最高% +()提高变化检测精度主要
体现在对变化类别的识别上!因为邻近相关图像可
以有效反映影像中的变化信息!且生成的决策树规
则 I%]以上都与邻近相关变量有关% 图 C 为 +()@C
的变化类别分布详图%
$$ 利用 +()的变化检测精度从高到低为
+()@C p+()@= p+()@" p+()@#!C aC 窗口被认为是
创建该研究区域 +()的最佳窗口大小% 由于 =% E
分辨率图像中的高频信息已很少!选取越大的窗口
+()图像越平滑!越不利于突出变化信息!因此变化
监测的精度有所降低%
使用该变化检测模型应该注意以下几点& !多
时相图像的高精度几何校正是正确探测森林景观变
化的前提# +多时相影像的不同视角问题也会带来
误差!所以应该选择相同传感器(相同时期和视角的
遥感数据# ,样本的精度决定了变化检测结果!选
取高精度(高质量的样本非常重要# -由于森林生
态系统的复杂性!反映到影像上常会出现同物异谱(
同谱异物的现象!因而如何有效地减少森林自身变
化的影响!还需进一步探讨%
!<结论
本文主要探讨在地震干扰的条件下利用邻近相
关图像和决策树分类技术相结合的遥感变化检测方
法来识别森林景观变化状况% 研究表明& &$ 该变
化检测方法可有效监测森林景观变化!自动化程度
高并且节省大量成本# $$ 邻近相关图像包含变化
信息!有助于提高变化检测的精度!其中 C aC 邻近
窗口大小监测森林景观变化精度最高!为 H$2=]%
参 考 文 献
覃先林!陈尔学!李增元!等5$%%I5基于 ;nQ)’ 数据的森林覆盖变
化监测方法研究5遥感技术与应用!$&"=$ & &"H F&H=5
杨存建!欧晓昆!党承林!等5$%%%5森林植被动态变化信息的遥感
检测5地球信息科学!"!$ & "& F"!5
)E j! j37937 jJ5 $%%C5 - WD67T3 83:3W:M07 E0831[6938 07
73MTD[0BD008 W0BB316:M07 ME6T3 6761Z9M9 678 83WM9M07 :B33
W1699MVMW6:M075J3E0:3’379M7T0V*7YMB07E37:!##"=$ & =$I F=!%5
)Ej5$%%I5+3MTD[0BD008 W0BB316:M07 ME6T36761Z9M9V0BWD67T383:3W:M07
L9M7T8MV3B37:946:M61B3901L:M07 ME6T3BZ5i0B367 j0LB7610VJ3E0:3
’379M7T!$$"C$ & ==" F=C%5
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j37937 jJ5$%%C5)7:B08LW:0BZ8MTM:61ME6T34B0W399M7T& 6B3E0:3
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!责任编辑<石红青"
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