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训练样本对TM尺度小麦种植面积测量精度影响研究(Ⅰ)——训练样本与分类方法间分类精度响应关系研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第11卷第6期 遥感 学 报 Vo1.11,No.6 2007年11月 JOURNAL OF REMOTE SENSING Nov.,2007 文章编号:1007—4619(2007)06・0826・12 训练样本对TM尺度小麦种植面积 测量精度影响研究(I) ——训练样本与分类方法间分类精度响应关系研究 朱秀芳,潘耀忠,张锦水,王 双,顾晓鹤,徐 超 (北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室,北京师范大学资源学院,北京100875) 摘要: 准确的遥感农作物类型识别和种植面积统计,不仅仅取决于不同分类方法的选择,同时还要看输入分类 器用以学习的训练样本数据,训练样本对分类精度的影响比分类技术本身对测量精度的影响还要大。训练样本对 测量精度的影响包含样本的质量和数量两个方面。为了探讨训练样本对农作物种植面积测量精度的影响,本文以 小麦为例,选择典型试验区,利用较常用的TM遥感影像,结合高分辨率SPOT数据和野外GPS数据,在构建标准训 练样本和检验样本数据集的基础上,在不同训练样本量下,分别对光谱角制图、平行六面体、马氏距离、最小距离、 最大似然和支持向量机6种方法进行了多次试验,并对测量结果进行了对比分析。研究结果表明:①不同样本量 下6种方法l0次测量的结果存在不同程度的波动,而且地块越破碎的地区波动越大,但这种波动随样本量的增加 会减少,说明目前在小麦面积测量中,用单次分类的结果作为最终的提取结果的做法存在一定的随机误差,在实际 的工作中,应尽可能多的获取训练样本,以提高小麦面积测量的稳定性,同时利用多次测量结果求均值的方式,来 消减或者抵消测量的随机误差;②相同样本量下,各种方法测量出的全区和破碎区的小麦像元个数(总量)不一致, 种植结构复杂且破碎的地区,各种方法测量出的小麦面积总量差异会更大,说明不同方法对同一地区小麦的识别 能力是不同的,同种方法对于不同地区小麦的识别能力也是不一样的,但是通过分析小麦识别的产品精度和用户 精度,可以判断出哪个结果最接近于真实总量。 关键词: 小麦;种植面积;训练样本;样本数量;TM 中图分类号:TP751.1 文献标识码:A The Effects of Training Samples on the Wheat Planting Area Measure Accuracy in TM Scale【I): The Accuracy Response of Different Classifiers to Training Samples ZHU Xiu-fang,PAN Yao-zhong,ZHANG Jin-shui,WANG Shuang,GU Xiao-he,XU Chao (Key Laboratory of Environment Change and Natural Disaster,Ministyr of Education of China,Being Normal University; CollegeofResources Science&Technology,BeijingNormal University。Beijing 100875,China) Abstract: Exact agricultural crops identification and planting area measure depend on not only classiifers but also training samples imported into classiifers.The effect of training samples,including sample quality and quantity,is greater than that of classifiers on measure accuracy.In order to probe into the effect of training sample on agricultural planting area measure,a representative wheat sowing section was taken as an example.A standard sample set was constructed based the popular TM image,SPOT一5 image with high resolution and field data from GPS.Then training samples with same features and difierent numbers were respectively input into six different classifiers to classify image and identify wheat,which are spectral angle mapper,parallelepiped, mahalanobis distance,minimum distance,maximum likelihood and support vector machine.Moreover。the 收稿日期:2006.05-19;修订日期:2006.10・12 基金项目:教育部新世纪优秀人才计划资助。 作者简介:朱秀芳(1982一),女,硕士研究生。现从事土地覆盖遥感监测研究。E-mail:Ⅸr@ires.cn。pyz@iers.ca。 维普资讯 http://www.cqvip.com 米秀芳等:训练样本对TM尺度小皮种植面移{测量精度影响研究(I) 第6期 训练样奉 分类 法『H】分类精度响应关系研究 827 experimentation was repeated ten times under different sample numbers.The results indicate:①Ten measure results fluctuate from six methods under diferent training sample numbers.The fluctuation is redueing with the increasing of training sample numbers,which is greater in more fragmentized plot.There are some random errors in the current common used method of wheat planting area measure.which always uses oBe time classification result as the final value.In the task of agriculture planting area mensure,samples should be used as many as possible in classification to advance the result stability and the average of lots of classification results is advised to counteract the random errors.②The wheat pixel numbers(region whole area)differ each other among six methods under the same training numbers.And the diversity is larger in area with complex plant structure and fragmentized plots.Different classifier has different response to the same area,while same classifier has different response to different area.But it can be iudge and verdict,which result is nearer to the true value,through analyzing the product accuracy and user accuracy of wheat. Key words: wheat;planting area;training sample;sample amount;TM scale 产生重要的影响。高的分类精度,要求选用信息含 1 引 言 小麦作为中国第二大粮食作物,它的长势、播种 面积及其丰欠等,都是涉及国家政局稳定和人民安 居乐业的重大问题。及时了解、准确掌握小麦种植 面积数据,对制定农业和农村,准确估计粮 食产量,确保中国粮食安全具有重要的意义。自20 量大、质量可靠、能满足分类器分类法则、可以很好 代表不同地物特征的样本数据,同时样本数量也应 该足够大,以保证通过学习过程得到的分类法则可 以正确区分不同的地物类型。阎静等 在利用神 经元网络提取湖北省早稻种植面积时,对不同样本 点训练出的结果进行了初步比较分析,但总的来说, 目前有关训练样本(质和量)对农作物分类精度影 响的研究还很少。此外,在实际分类过程中,样本数 量的大小还和被研究区中各个地物类别之间的分离 世纪70年代美国等国率先开展主要农作物(小麦、 玉米、水稻等)种植面积和产量估算等工作 ’ 以 来,遥感技术在农作物种植面积测量领域已有了突 飞猛进的发展,一些成熟的技术也开始引入产业部 度有关 ,尤其在农作物识别中,很多同期作物表 现出近似的光谱特征,分离度较低,这更加大了选取 充足的高质量的训练样本的难度。那么,究竟多大 的样本量才足以描述出不同作物类别的特性,或者 区分出各类别的界限以满足分类的需要;不同的分 门,进行业务化运行 ,但其中遇到的一些关键问 题,还有待于进一步深入探讨。 农作物遥感识别方法总体可分为两类,即:目视 解译和自动分类。目视解译费时费力、可重复性较 类器或者学习规则对相同量的训练样本有何不同响 差,识别精度易受个人影响,目前在中高分辨率农作 物识别中主要用于训练样本和检验样本数据的选取 工作 。自动分类从早期的非监督分类¨ ,传 统的监督分类¨ 络 解 类 ,发展到后来的神经元网 ,支撑向量机分类方法 ,基于知识的分类 ,模糊分类法 应;不同样本下同种分类器的精度有何变化等,这些 都是在农作物识别过程中值得深入探讨的问题,也 是目前该领域中研究甚少的问题。 因此,本文针对农作物识别过程中训练样本与 测量精度之间的关系问题,以冬小麦为例,选择典型 (Suppofl Vector Machine,SVM),混合像元分 引,面向对象的分类 (如:决策树分类法) ” 和基于图斑思想的分 等,在分类方法上取得了长足的进步。无论 何种分类方法,其目的都是为了更好地区分开不同 试验区,利用目前较常用的TM遥感影像,结合高分 辨率SPOT遥感数据和野外GPS数据,在构建标准 训练样本和检验样本数据集的基础上,按照不同训 练样本数量的组合(0.25%,0.5%,l%,5%,10%, 15%,20%,35%,30%,40%),分别对光谱角制图 (Spectral Angle Mapper,SAM)、平行六面体 (Parallelepiped,Para)、马氏距离(Mahalanobis Distance,Maha)、最小距离(Minimum distance, 的地物类型,进而准确地统计区域农作物种植面积。 要达到这个目的,不仅要看分类器的选择,还要看输 入分类用以学习的样本数据。研究表明:不同分类 器对同一样本有着不同的响应,相同的分类器对 Min)、最大似然(Maximum Likelihood,MLC)和支持 向量基6种方法进行了反复试验和测量结果的对比 分析,以期找出训练样本数量与分类方法对冬小麦 同的样本也有着不同的响应 ,训练样本对分类精 度的影响比分类技术对精度的影响还要大 。 训练样本的质量和数量都会对农作物最终识别结果 测量精度的响应关系,为冬小麦种植面积测量提供 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 朱秀片等:训练样本对TM尺度小麦种植 积测幂精度影响研究(I) 第6 训练样小‘ 分类方法问分类精度响应火系研究 829 SPO F影像 SPOT预分类  据(经儿何校正、 (小麦、其他作物、 120%辐射校正) 居 用地、水体) (.5%,%,5,% ,。c0 1 0,% ,1 25%30%40%5)% , ,, lI  l: : 野 ̄t'GPS数据 各种地物 积 分比 (30m分辨率) 光谱角l制 1人 面体行 l马氏I最小I距离l曲!离l最人l似然1 l阳蛙机 支持 FM影像 判定 (经儿何校止、 (面积百分比最大的地物类型被 辐射校 ) 定义为该像, 所代表的地物) 各种方法的分类结果 (小麦、其他作物、居 用地、水体) ‘f,l 斋 蔫他 臻 I、 T M馨瓮 搠l l 占 地物类 ) 民用地、水体)l l ” 总体像Kappa l l小麦的产‘———。广——_J L_———_r———_J 1兀精度l l小麦的用户精度l品精度l I冬小麦像元个数  1(  敛区、种植 、破碎【 区,连 又=) 交运算 样本数据 (小麦、其他作物、居民片j地、水体) 位置精度 l l面积误差方向l l 【×=域总量精』叟 图2技术流程I刳 Fig.2 Flow chart 的方法。同时,为了避免由于不同作物生长期带来 (4)对s进行反复目视纠正,剔除任何不能完 的遥感时相k的地物类型差异及同一生长期作物长 全确定类型的像元,最终得到标准样本数据区图像。 势不同带来的光谱差异,本研究采取以下步骤最终 最终结果(163752个像元)占整幅TM研究区的 获得r所需的标准样本集数据。 62.9%,其中小麦样本75648个、其他作物15025 (1)结合野外GPS,对TM和SPOT影像分别利 个、裸地67088个、水体5991个。经检验地物类型 用最大似然法进行分类。根据实际情况,将研究区分 与野外GPS点完全一致,只有漏分、没有错分。各 为小麦、裸地(包括:居民用地、道路、休耕地等)、水 地物训练样本在不同波段的均值和方差见表1,J—M 体和其他作物4类。有关研究 表明,利用最大 距离和转换分离度见表2,从表中可以看出训练样 似然分类时,要求每个类型的训练样本个数至少是 本的分离度很高,完全可以满足试验的要求。 本身数据维数(波段数)的10—30倍,才能够正确 描述地物类型的均值和方差,因此本文对各种地物 3.2不同训练样本量下从TM影像提取冬小麦面 类型分别选用了超过波段数30倍的样本数进行最 积的方法 大似然分类,最后通过目视解译反复修正分类结果。 基于标准样本数据集,同时考虑研究区内不同 (2)将10m SPOT分类结果合并成30m分辨率的 地物类型的面积差异,为了保证小面积的地物类型 分类结果。合并原则:在合并的9个像元中,类型最多 (如水体)也能够获得同样数量的样本数据,本研究 Ⅱ面积百分比大于50%的定义为合并后像元的类型。 采用分层随机提取不同数量(0.25%,0.5%,1%, (3)提取标准样本数据区。本研究设计了式 5%,10%,15%,20%,30%,40%)的样本数据作为 (1)到式(3)的算法最终获得了理想标准样本数 训练样本,同时利用平行六面体、最小距离、马氏距 据集: 离、最大似然、光谱角制图和支撑向量机(核函数选 T={tl,t 一,t } (1) 用径向基函数Radial Basis Function)6种方法对试 P={P ,P ,…,P } (2) 验区TM遥感影像进行分类,类别包括小麦、水体、 S=T n P (3) 居民用地和其他作物4种。为分析随机误差,每个 式中,71表示TM分类结果的集合,P表示SPOT分 样本量下6种方法均做了10次试验,一共得到480 类的30m分辨率合成结果的集合,k表示分类的次 张分类结果图。图3是样本量为40%时,6种方法 数(即集合中元素的个数,为了保证样本数据的准 第一次试验结果的分类图。 确性,在实际操作,本研究分别对TM和SPOT进行 同时为了统一误差分析标准,本研究还随机抽 了10次分类,即k取值为10),S为集合71和P的交 取了一组5%的样本作为检验样本,对上述480张 集,表示最终的标准样本数据。 分类结果图进行了统一的误差分析。 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 朱秀芳等:训练样本对TM尺度小麦种植面积测量精度影响研究(I) 第6期 ——\ 三训练样本与分类方法问分类精度响应关系研究 83l 0 域内识别出的小麦像元总数,即区域总量精度 4不同训练样本量下TM影像冬小麦 测量结果的比较和分析 4.1评价分析指标 (Wheat pixels,WP)5个指标,对不同样本量下、不 样 同方法的测量结果进行了比较和分析。其中总体像 元精度和Kappa系数反映了小麦空间分布的准确程 0 3% 加绳㈦ 度;区域总量反映了一定区域内统计总量的绝对精 ∞ 度;产品精度反映小麦漏分的程度(小麦识别为其 日dd 他地物的程度),用户精度可以反映小麦错分的程 0 0 0 0 通常的遥感分类精度评价和检验方法是从绝对 位置精度(像元精度)角度出发的,即评价分类结果 的每个像元的精度,但用户和产业部门除关心分类 结果的位置精度外,有时更关心分类结果在一定自 然或行政单元内的统计总量是否准确,即总量精度。 为全面分析训练样本量对冬小麦提取方法的影响, 本研究选取了总体像元精度(Overall Accuracy, OA)、Kappa系数(Kappa coefficient,Kappa)、小麦 度(其他地物识别为小麦的程度),这两个指标的差 值可以反映整个区域总量误差的方向和大小,既包 ∞ 含了空问位置信息,也包含了区域总量信息。 4.2测量结果比较分析 4.2.1位置精度比较分析 \ 蠢 芒 、 图4是根据6种方法在各个样本量下l0次测 的产品精度(Wheat Produce Accuracy,WPA)、小麦 的用户精度(Wheat User Accuracy,WUA)、一定区 0 707 \.\ 暑量结果作出的总体像元精度和Kappa系数随样本量 90.5  三 90.0 三三 、 &0.700 89.5 0.693 89.0 -:-3 .0.686 0 10 20 30 40 88.5 0 10 20 30 40 样本量,% (a1 90.0 89.5 89.0 88.5 样本量,% (b) 95 94 样本量,% & (C) 0 样本量,% 日Ag 0 (d) 0 爱0 0 踞 盯 0 芝93 圭92 -9 91 0 10 20 30 40 0样 譬88.0 87.5 87.0 加韫㈤ 如% 样本量,% (g) -._∞ 88.0 87.6 87.2 86.8 86.4 86 0 85.6 0.81 0.8O o 0 78 0 10 2O 30 40 样本量,% 一样本量,% (J) 第2次实验结果一一第3次实验结果 一样本量,% (k) 样本量,% (1) (i) 第1次实验结果一第7次实验结果一第4次实验结果一一第5次实验结果一一第6次实验结果 均值 第8次实验结果一一第9次实验结果 一第10次实验结果— 一最小值 +最大值 +图4 10次试验的总体像元精度和Kappa系数图 (a)光谱角制图的总体像元精度;(b)光谱角制图的Kappa系数;(c)最小距离的总体像元精度;(d)最小距离的Kappa系数; (e)平行六面体的总体像元精度;(f)平行六面体的Kappa系数;(g)最大似然的总体像元精度;(h)最大似然的Kappa系数; (i)马氏距离的总体像元精度;(j)马氏距离的Kappa系数;(k)支持向量机的总体像元精度;(1)支持向量机的Kappa系数 Fig.4 The overall accuracy and Kappa coefficient of ten times tests (a)OA of SAM;(b)Kappa of SAM;(c)OA of Min;(d)Kappa of Min;(e)OA of Para;(f)Kappa of Para; (g)OA of MLC;(h)Kappa of MLC;(i)OA of Maha;(j)Kappa of Maha;(k)OA of SVM;(1)Kappa of SVM 维普资讯 http://www.cqvip.com 832 遥 感学报 第1 1卷 变化的曲线,其中横坐标均表示样本量,红、绿、蓝三 条线分别表示l0次测量结果的均值、最小值和最大 值,其余曲线分别表示l0次测量结果的精度值。 分析图4,对同一种方法来说: (1)相同样本量下多次测量的的像元精度和 Kappa系数均存在不同程度的波动,只要达到一定 程度的训练样本量(满足统计要求),其均值是相对 稳定的,说明实际工作中常常用单次分类结果作为 最终小麦提取的结果,存在不准确性和随机误差,最 好用多次测量结果来抵消测量的像元误差。 (2)随着样本量的增加,l0次测量的像元精度 和Kappa系数的极差值(最大值减去最小值)逐渐 减小,说明样本量的增加可以减少单次分类引起的 随机误差,使分类结果逐渐稳定。 对于不同方法来说: (1)在相同样本量下用同一套样本数据得到的 像元精度和Kappa系数是不同的,总的来说支持向 量机法得到的小麦位置精度最高,其次是最大似然 法和最小距离,平行六面体、马氏距离较差,而光谱 角制图位置精度最差(像元精度仅有80%,Kappa 系数仅为0.70)。造成光谱角制图法精度最低的原 因,可能是由于该分类器采用光谱角(具有同样波 长范围的两个光谱向量在光谱空间上所形成的夹 角)作为衡量光谱向量相似性的指标 。该指标是 一种全局性的描述指标,对局部特征变换不敏感,容 易受训练样本光谱向量误差的影响,最终光谱单元 的选择直接影响分类结果的精度。¨ 。尽管本文标 准训练样本库中的像元有很高的分离度,但是由于 TM只有7个波段等原因,可能使得标准样本库中 的像元在光谱角上的差异比较小。另外由于光谱角 制图仅仅应用待识别参考向量的角度信息,而没有 顾及向量的模,可能使得谱形相似而反射强度差异 明显的地物被分为同一个类别 。 (2)在相同样本量下,l0次测量像元精度波动 程度也是不一样的,波动最小的也是支持向量机方 法(样本量超过5%后,其像元精度可以稳定在94% 以上,Kappa系数0.94以上)。说明利用SVM进行 小麦的识别和提取可以得到最高的位置精度,同时 也具有最好的稳定性,如果将l0次测量结果看作是 不同作业员进行的分类操作,也可以说SVM受人为 主观因素影响最小。 (3)随着样本量的增加,SVM的平均总体像元 精度和Kappa系数都有增加的趋势,而其他5种方 法基本无变换,这是由于SVM法和传统基于统计的 分类方法对样本要求不同。最小距离分类器仅用到 光谱均值,马氏距离和最大似然法除均值以外还用 到方差和协方差,平行六面则是设定每个类别的光 谱特征上限和下限值,而光谱角是计算具有同样波 长范围的两个光谱向量在光谱空间上所形成的夹 角。对于这些方法来说,当样本个数足以刻画整个 影像像元DN值的分布规律或者能够区分不同地物 类型光谱向量的角度特征后,样本数量的增加对分 类精度的提高影响不大,而SVM法中对分类精度起 影响的是支持向量的那部分像元 ,随着样本数量 的增加,支持向量的那部分像元也必然随之增加,因 此随着总体样本量的增加,SVM的平均总体像元精 度和Kappa系数也在增加。 但高的位置精度是不是一定能够得到理想的总 量精度,还需进一步从区域总量精度方面进行讨论。 4.2.2区域总量精度分析 图5是根据6种方法在各个样本量下l0次测 量的结果作出的全区(Whole Area,WA)和破碎区 (Fragmentation Zone,FZ)识别出的小麦像元个数 (Wheat Pixels,WP)随样本量变化的曲线(横坐标 均为样本量,各条曲线的含义与图4一致)。 分析图5,从同种方法来说:(1)相同样本量下 l0次测量出的小麦像元个数存在不同程度的波动, 且破碎区小麦测量的面积波动大于全区,这说明在 地块破碎、种植结构复杂的地方,单次测量会产生更 大的随机误差。(2)随样本量的增加全区和破碎区 识别出的小麦像元个数的极差百分比(最大值与最 小值之差再除以最大值,从图中最大最小两条曲线 问的距离可以看出)逐渐减小,说明样本量的增加 可以使小麦种植面积测量结果趋于稳定。 从不同方法来说:(1)相同样本量下各种方法 测量出的小麦像元的个数不一致。如在40%样本 量下,全区l0次测量的平均小麦像元个数SVM最 大(99533个),光谱角制图最小(88994个),两者极 差百分比达到了10.7%;破碎区SVM仍为最大 (36106个),最大似然最小(32385个),两者级差百 分比达到10.3%,此时最大似然全区识别出的小麦 像元个数为9ll25和SVM的级差百分比为8.4%; 这说明不同方法对同一地区小麦的识别能力不同, 同种方法对于不同地区小麦的识别能力也是不一样 的,种植结构复杂、地块破碎的地区,各种方法测量 出的小麦差异会更大。(2)随着样本量的增加, SVM法测量出的全区和破碎区的小麦面积有下滑 的趋势,而其他5种方法l0次测量的均值基本不 维普资讯 http://www.cqvip.com 朱秀芳等:训练样本对TM尺度小麦种植面积测量精度影响研究(I) 第6期 ——训练样本与分类方法间分类精度响应关系研究 ,833 38O00 37500 37000 36500 35O00 9O750 9020o 89650 89100 88550 88000 87450 * 34500 34000 33500 誊33000 32500 32O00 釜36000 髫35500 35O00 34500 98O00 97O00 37O00 96000 二95000 3600o × 35000 葛 , 一 * 94000 93000 型34000 33O00 0 10 20 30 40 槎 92O00 91O00 0 10 20 30 40 样本量/% (e) 样本量/% (f) 嘶 咖咖咖咖咖 样本量/% (i) 一一样本量/% (j) 样本量/% (k) 样本量/% 第1次实验结果一第2次实验结果一第3次实验结果一一第4次实验结果一~第5次实验结果~4 4 3 3 3 3 最小值第7次实验结果一’一第8次实验结果一一第9次实验结果一一第10次实验结果十图5 1O次试验的全区和破碎区识别出的小麦像元个数 舢 灿灿砌 (a)光谱角制图的全区识别出的小麦像元个数;(b)光谱角制图的破碎区识别出的小麦像元个数;(c)最小距离的全区识别出的小麦像元个数; (d)最小距离的破碎区识别出的小麦像元个数;(e)平行六面体的全区识别出的小麦像元个数;(f)平行六面体的破碎区识别出的小麦像元个数; (g)最大似然的全区识别出的小麦像元个数;(h)最大似然的破碎区识别出的小麦像元个数;(i)马氏距离的全区识别出的小麦像元个数; (j)马氏距离的破碎区识别出的小麦像元个数;(k)支持向量机的全区识别出的小麦像元个数;(1)支持向量机的破碎区识别出的小麦像元个数 Fig 5 The wheat pixels in whole area and sample area 一 一 (1) 第6次实验结果 均值 —▲一最大值 +(a)WP of SAM in WA;(b)wP of SAM in FZ;(c)WP of Min in WA;(d)WP of Min in FZ;(e)WP of Para in WA;(f)wP of Para in FZ; (g)WP of MLC in WA;(h)wP of MLC in FZ;(i)WP of Maha in WA;(J)WP of Maha in FZ;(k)WP of SVM in WA;(1)WP of SVM in FZ 变。这种下滑的趋势,精度是提高了还是降低了,还 要看下一节分类误差方向的分析。 4.2.3分类误差方向分析 标为样本量,图中各曲线的含义和图4一致)。 分析图6,从同种方法来说:(1)相同样本量下 l0次测量的小麦产品精度和用户精度存在不同程 度的波动,除SVM外其他5种方法的小麦产品精度 表3是6种方法l0次测量结果的小麦用户精度 的均值和小麦产品精度的均值之差。均值之差用于 反映小麦面积测量的误差方向,因为小麦的产品精度 都要大于用户精度,这说明其他5种方法对小麦的 种内光谱差异更敏感,样本质量的好坏对分类结果 的影响更大。(2)随着样本量的增加l0次测量结 果的小麦产品精度极差值和小麦用户精度极差值逐 可以反映出小麦漏分的程度,用户精度可以反映出小 麦和其他地物类型错分的程度,理论上当用户精度和 产品精度相等时,识别出的小麦的总量接近于真实 值,当用户精度>产品精度时,识别出的小麦总量> 真实值,反之N/J,于真实值。图6是根据6种方法在 各个样本量下的l0次测量结果数值作出的小麦产品 精度和小麦用户精度随样本量变化的折线图(横坐 渐减小,说明样本量的增加可以使小麦识别的结果 更加稳定;另外,小麦产品精度和用户精度的均值差 随样本量的增加,符号保持不变,SVM在各样本量 下的误差方向均为正,小麦面积识别多了,而其他5 种方法都识别少了,说明样本量的增加不会改变小 维普资讯 http://www.cqvip.com 834 遥 感学报 第11卷 表3不同样本量下各种方法的小麦产品精度和用户精度均值差 Table 3 The diference of Produce accuracy and User accuracy of wheat with six Algorithms under diferent training sample amount .. .一 一 O 、 、 三: -2.  # , :; 样本量,% (a) 97.5 97.0 96.5 96.O 95.5 98 8 样本量,% (b) 样本量,% (c) 6 样本量,% (d) 、2 8 4 。? ≮; 堡98 4 婆98.0 三97.6 97 2 一 : 95.0 —94 5 94 0 O lO 2O 3O 40 0 lO 2O 3O 40 O lO 2O 3O 40 O lO 2O 3O 40 样本量,% (e) 样本量,% (f) lo0 样本量,% (g) 99 98 样本量,% (h) 、 、 三: =三 最 : 交97 99. 96 : 一 95 99. 94 O lO 2O 3O 40 样本量,% (i) 一一样本量,% (j) 样本量,% (k) 样本量,% (J) 第1次实验结果一第2次实验结果一一第3次实验结果 第4次实验结果一. 第5次实验结果一第6次实验结果 第7次实验结粜一。一第8次实验结果一一第9次实验结果 第lO次实验结果十最小值 +最大值 +均值 图6 10次试验的小麦产品精度和小麦用户精度图 (a)光谱角制图的小麦产品精度;(b)光谱角制图的小麦用户精度;(C)最小距离的小麦产品精度;(d)最小距离的小麦用户精度; (e)平行六面体的小麦产品精度;(f)平行六面体的小麦用户精度;(g)最大似然的小麦产品精度;(h)最大似然的小麦用户精度; (i)马氏距离的小麦产品精度;(j)马氏距离的小麦用户精度;(k)支持向量机的小麦产品精度;(1)支持向量机的小麦用户精度 Fig.6 The wheat produce accuracy and user accuracy of ten times tests (a)WPA of SAM;(b)WUA of SAM;(C)WPA ofMD;(d)WUA ofMD;(e)WPA of Para;(f)WUA of Para; (g)WPA ofMLC;(h)WUA ofMLC;(i)WPA ofMaha;(j)WUA ofMaha;(k)WPA of SVM;(1)WUA of SVM 维普资讯 http://www.cqvip.com 朱秀芳等:训练样本对TM尺度小麦种植面积测量精度影响研究(I) 第6期 ——训练样本与分类方法问分类精度响应关系研究 835 麦面积测量的误差方向。 从不同方法来说:(1)相同样本量下各种方法 的小麦产品精度和用户精度是不一样的。其中小麦 产品精度最高的是SVM方法,说明SVM方法基本 没有漏分的情况,可以最大程度识别出是小麦的像 元,漏分最严重的是光谱角制图法;小麦用户精度最 高的是最大似然分类,说明最大似然法错分误差最 小,有很少的非小麦像元被误分进来。而最小距离 法的小麦产品精度和用户精度基本相等,它们的均 值差接近于0(介于一0.47%与一0.35%之间),说 明该方法漏分错分的程度相当,尽管小麦的空间分 布存在错误,但最终测量出的小麦面积与真实值是 最接近的。在样本量为40%时对应的均值差最小, 此时10次测量的平均小麦像元个数为99329,这个 数值可以认为是最接近于真实值的。并且与SVM 方法40%时的像元个数99533基本一致。(2)随 着样本量的增加,SVM方法的小麦产品精度和用户 精度的均值差减小,这是因为随着样本量的增加, SVM的用户精度逐渐增大,由错分引起的误差越来 越少,而SVM的产品精度都在99.6%以上,由漏分 引起的误差基本不变,总的区域总量精度不断的提 高。所以上节中SVM法测量出的全区和破碎区的 小麦面积下滑的趋势是精度提高的表现。结合 4.2.1节对SVM的分析,可以看出随着总体样本量 的增加,支持向量的那部分训量样本的数量也在增 加,SVM法小麦测量的像元精度和区域总量精度都 随之增加。 5结论与讨论 5.1 结论 本研究结合高分辨率SPOT遥感数据和野外 GPS数据,在构建标准训练样本和检验样本数据集 的基础上,提取不同量的训练样本数据,分别利用平 行六面体、最小距离、马氏距离、最大似然、光谱角制 图和支持向量机6种方法对研究区TM影像分类, 提取冬小麦。最后,从位置精度和总量精度两个方 面对各类方法测量的结果进行了评价、比较和分析, 得到了以下结论: 对于同种方法来说:(1)在相同样本量下,测量 结果的像元精度和区域总量精度都存在一定程度的 波动,且地块越破碎的地区,波动越大,说明实际工 作中常常用单次分类结果作为最终小麦提取的结 果,存在不准确性和随机误差,最好用多次测量结果 来抵消测量误差;(2)随着样本量的增加,10次测 量结果的波动减小,说明样本量的增加可以减少单 次分类引起的随机误差,使分类结果逐渐稳定。 对于不同方法来说:(1)在相同样本量下,各种 方法测量出的全区和破碎区的小麦像元的个数不一 致。不同方法对同一地区小麦的识别能力不同,同 种方法对于不同地区小麦的识别能力也不同,种植 结构复杂、地块破碎的地区,各种方法测量出的小麦 面积总量差异会更大。但是通过比较小麦的产品精 度和用户精度,可以得到各种方法面积测量的误差 方向和大小,从而判定哪个结果更接近于真实值; (2)随着样本量的增加,各种方法由于对样本要求 的不同,表现也不同。对于传统的分类方法来说,当 样本个数足以刻画整个影像像元DN值的分布规律 后,样本数量的增加对分类精度的提高影响不大了, 而SVM法中对分类精度起影响的是支持向量的那 部分像元,随着样本数量的增加,支持向量的那部分 像元也随之增加,因此随着总体样本量的增加,SVM 的总体像元精度和区域精度都在增加。 5.2讨论 通过以上分析,可以知道在不同样本量下,SVM 法提取的小麦都具有最高的位置精度,随着样本量 的增加,SVM法提取的小麦区域面积精度不断提 高,而且其10次测量结果的波动很小,在能够获取 到足够多的训练样本时,应该优先考虑利用SVM法 测量小麦种植面积。 另外本文只讨论了样本数量对分类精度的影 响,而没有考虑样本质量的影响,在文章的第二部 分,笔者会进一步就样本质量对小麦种植面积测量 的影响展开研究和讨论,同时也会在其他的不同地 貌类型和种植结构的典型作物区进行试验,测试本 文中结论的适用性。 参考文献(References) [1] IJi Y z.Crop Development and Prospects of Yield Estimation by Meteorology Satelite Remote Sensing[J].Meteorological Science and Technology,1997,(3):29—35.[李郁竹.农作物气象 卫星遥感监测和估产研究进展及前景探讨[J].气象科技, 1997,(3):29—35.] [2]Liu H Q,Jing M Y,Gong W P.Application of Remote Sensing in Agriculture in the United States[J]. ̄uranl of China Agricultural Resources and Regional Planning,1 999,20(2): 56—60.[刘海启,金敏毓,龚维鹏.美国农业遥感技术应用 状况概述[J].中国农业资源与区划,1999,20(2):56— 60.] 维普资讯 http://www.cqvip.com 836 遥感学报 第11卷 [3]MacDonMd R B,Hall F G.Global Crop Forecasting[J]. Science,1980,(208):67O—_679. [4] Moran M S,Inoue Y,Barnes E M.Opportunities and Limitations for Image—Based Remote Sensing in Precision Crop Management [J].Remote Sensing ofEnvironment,1997,(61):3l9—346. [5] Zhou Q B.Status and Tendency for Development in Remote Sensing of Agriculture Situation[J]. Journal of China Agricultural Resources and Regional Planning,2004,50(1O): 9一l4.[周清波.国内外农情遥感现状与发展趋势[J].中国 农业资源与区划,2004,50(1O):9一l4.] [6] FAO,Estimation Des Superficies Cultive es et des Rendements Dans les Statistiques Agricoles.Etude FAO:de Veloppement e Conomiqeu et Social 22.Food and A culture Organization, Rome.1982. [7]Jiang X D,Xu Z Y,Lou J.Study on Monitoring Winter Wheat— Sown Areas in Northern AnHui Province by Use of the CERBS一1 Satellite Remote Sensing Image[J].Geology foAnhui,2001,11 (4):297--302.[蒋旭东,徐振宇,娄径.应用CBERS一1卫星 数据进行安徽省北部冬小麦播种面积监测研究[J].安徽地 质,2001,11(4):297--302.] [8]Liu T,Ren Y L,Yang C H.The Application of“3S” Technologies in the Estimate to the Production of Winter Wheat by Remote Sensing[J].Henan Sciecne,2001,19(4):429~ 432.[刘婷,任银玲,杨春华.“3s”技术在河南省冬小麦遥感 估产中的应用研究[J].河南科学,2001,19(4):429~ 432.] [9]Jiang X B,Li A N,Zhou W C.A Study on Winter Wheat Yield— estimation in Southwest China by Remote eSnsing,GIS and GPS: Based on Four Counties of the Anning River Basin[J]. eGographical Research,2002,21(5):585--592.[江晓波,李 爱农,周万村.3s一体化技术支持下的西南地区冬小麦估 产——以安宁河谷四县为例[J].地理研究,2002,21(5): 585--592.] [1O] Fang H L.A Discussion on Two Strategies Applied to Estimate Rice Planting Area of an Administrative Division Using Remote Sensing Technique[J].Acta Geographica Sinica,1998,53(1): 58—63.[方红亮.两种水稻种植面积遥感提取方案的分析 [J].地理学报,1998,53(1):58__63.] [11]Huang X J;He W,Zhang Y B,et a1.Wheat Area Investigation in JiangSu Province using TM image[J].Jiansu Agricultural Sciecnes,2003,(4):85—87.[黄晓军,何维,张云柏等.利 用TM卫星资料进行江苏部分地区小麦面积调查[J].江苏 农业科学,2003,(4):85—87.] [12]Zhang Y Z,Zhang S W,Chang L P,et a1.The Study on Experiment and Effect of Maize Yield Estimation Using Remote Sensing Data[J].Scientia Geographica Sinica,1995,(2): 144--153.[张养贞,张树文,常丽萍等.县级玉米遥感估产实 验及其效果研究[J].地理科学,1995,(2):144--153.] [1 3] Campbell J B.Intorduction to Remote Sensing[M].Guilford Press,New York,1987. [14]Zhang S W,Zheng H L,Zhao H C.Crop Yield Estimation Using Remote Sensing in JinYuetang of Chanehun[J].Remote Sensing Technology and Applciatoin,1995,6(1O):l4一l9.[张树文, 郑洪来,赵华昌.长春净月潭遥感实验区玉米遥感估产模式 研究[J].遥感技术与应用,1995,6(1O):l4一l9.] [15]Wu B F,Liu H Y.The Operational Methods for Rice Area Estimation Using Remote Sensing[J].JDurnal of Remote Sensing,1997,1(1):1~7.[吴炳方,刘海燕.水稻种植面积 估计的运行化遥感方法[J].遥感学报,1997,1(1):l一7.] [16]Zhou H M,Yang X W.A Study on Dynamical Extraction of Crop Plnating Area Using Method of Remote Sensing[J].Acta Agreiluturae Shanghai,1998,14(8):l—4.[周红妹,杨星卫. 应用遥感方法动态求取小麦油菜面积[J].上海农业学报, 1998,14(8):1—4.] [17]Lai G Y,Yang X W.Analysis of Feasibility of Professional Operating on Estimating Rich Planting Area of Hilly Region In Southern China Using Remote Sensing Technique[J].Remote Sensing Technology and Applciation,1998,13(3):1—7.[赖格 英,杨星卫.南方丘陵地区水稻种植面积遥感信息提取的可 行性分析[J].遥感技术与应用,1998,13(3):1m7.] [18] Zhang S W,Bo L Q.Study on Ecoland Classification of Remote Sensing Image in Crop Estimate[J].Scientia Geographica Sicna, 2000,12(2O):569—572.[张树文,薄立群.遥感图像生态 土地分类法在农作物种植面积提取中的应用[J].地理科 学,2000,12(2O):569—572.] [19]Hang S Q,Liu S M.Application of MODIS Data to Monitor Winter Wheat Acreage in Tianjin[J].Journal of Tianjin Agricultural College,2004,11(2):26—28.[韩素芹,刘淑 梅.EOS/MODIS卫星资料在监测冬小麦面积中的应用[J]. 天津农学院学报,2004,11(2):26—28.] [2O] Chen Q,Wang R C.Estimation of the Rice Planting Area Using Digital Elevation Model and Muhitemporal Moderate Resolution Image Spectroradiometer[J].Transactiosn ofthe CSAE,2005, 21(5):89—92.[程乾,王人潮.数字高程模型和多时相 MODIS数据复合的水稻种植面积遥感估算方法研究[J].农 业工程学报,2005,21(5):89—92.] [21] Wang X P,Zhang Y Z.The Study on Decomposing AVHRR Mixed Pixels by Means of Neural Network Model[J].Journal of Remote Sensing,1998,2(2):51—56.[王喜鹏,张养贞.应用 神经网络模型分解AVHRR混合像元[J].遥感学报,1998, 2(2):51—56.] [22]Yang J,Wang W,Li X G.Extracting the Rich Planting Areas Using an Artificial Neural Network[J].1ournal of Remote Sensing,2001,5(3):227—231.[阎静,王汶,李湘阁.利用 神经网络方法提取水稻种植面积——以湖北省双季早稻为 例[J].遥感学报,2001,5(3):227—231.] [23] wu J P,Yang X W.Estimating Paddy Area in Shanghai Region Using NOAA/AVHRR Data[J].Quarterly Journal of Appleid Meteorology,1996,7(2):l9O—l94.[吴健平,杨星卫.用 NOAA/AVHRR数据估算上海地区水稻种植面积[J].应用 气象学报,1996,7(2):l9O—l94.] [24] Li Y Z,Zeng Y.Study on Methods of Rice Planting Area Estimation at Regional Scale Using NOAA/AVHRR Data[J]. 1ournal ofRemote Sensing,1998,22(2):l25一l3O.[李郁竹, 维普资讯 http://www.cqvip.com 朱秀芳等:训练样本对TM尺度小麦种植面积测量精度影响研究(I) 第6期 ——训练样本与分类方法间分类精度响应关系研究 1999,(12):2443--2460. 837 曾燕.应用NOAA/AVHRR数据测算局地水稻种植面积方法 研究[J].遥感学报,1998,zz(2):l25一l30.] [25]You S C,Zhang W,Yang T L.The Application of Fuzzy Classiifcation to Crop Classiifcation[J].Remote Sensing for ,ld &Resources,2000,(I):39__43.[尤淑撑,张玮,严泰来.模 糊分类技术在作物类型识别中的应用[J].国土资源遥感, 2000,(I):39—43.] [26] Zhu X H,Xu X R.Application of Aerial Remote Sensing Technique in Winter Wheat Yield Estimation[J】.Aerospace [35]Anys H,He D C,Wang L,et a1.Classiifcation ofMuhipolarized Airborne Radar Data in Agriculture[J].Internatioaln Journal of Remote Sensing,1994,(18):3831—3838. [36] Schotten C G J,Van Rooy W W L,Janssen L L F.Assessment of the Capabilities of Multi-Temporal ERS一1 SAR Data to Discriminate between Agricultural Crops[J].International Journal ofRemote Sensing,1995,(14):2619--2637. [37]Mather P M.Computer Processing of Remotely Sensed Images China,1991,(7):l2一l6.[朱晓红,徐希孺.航天遥感技术 在冬小麦估产中的应用[J].中国航天,1991,(7):l2一l6.] [27] Jiang N,He L H.Study on Paddy Yield Estimation in Jiangsu Province with Remote Sensing Method[J].Resources and Enviornment in the Yangtze Valley,1996,5(2):l60一l65.[江 南,何隆华.江苏省水稻遥感估产研究[J].长江流域资源与 环境,1996,5(2):l60一l65.] [28]David B Lobell,Gregory P Asner.Cropland distribution form Temporal Unmixing of MODIS Data[J].Remote Sensing& Enviornment,2004,(93):412—422. [29]Zhang F,wu B F,Huang H P,et a1.Study of Ploughed Field Information Extraction in Rice Area of Thailand[J].Journal of Natural Resources,2003,18(6):766—772.[张峰,吴炳方,黄 慧萍等.泰国水稻种植区耕地信息提取研究[J].自然资源 学报,2003,18(6):766—772.] [30]wu B F,Xu W B,Sun M,et a1.Quickbird Imagery for Crop Pattern Mapping[J].Journal ofRemote Sensing,2004,8(6): 688__695.[吴炳方,许文波,孙明等.高精度作物分布图制作 [J].遥感学报,2004,8(6):688—695.] [31]Wang N B,Qin P,Zhou Y C.A Study on ExtratingWinterArea Automatically From TM Imagery Using Pattern Recognition Technology[J].Remote Sensing Technology and Application, 1993,8(4):28—33.[王乃斌,覃平,周迎春.应用TM图像 采用模式识别技术自动提取冬小麦播种面积的研究[J].遥 感技术与应用,1993,8(4):28—33.] [32]Cao W B,Yang B J,Song J P.Spectral Information Based Model ofr Cotton Identiifcation on Landsat TM Image[J].Transactoisn fothe CSAE,2004,20(4):1l2一ll5.[曹卫彬,杨邦杰,宋金 鹏.TM影像中基于光谱特征的棉花识别模型[J].农业工程 学报,2004,20(4):1l2一ll5.] [33]Maxwell S K,Nuckols】R,Ward M H,et a1.An Automated Approach to Mapping Cron from Landsat Imagery[J].Computers and Electronics in Agriculture,2004,(43):43—54. [34]Tso B,Mather P M.Crop Discrimination Using Muhitemporal SAR Imagery[J].International Journal of Remote Sensing, (3rd ed.)[M].Chichester7 Wiley,2004. [38] Campbell J B.Introduction to Remote Sensing(3rd ed.). London:Taylor and Francis,2003. [39]Hixon M,Scholz D,Fuhs N.Evaluation of Several Schemes for Classiifcation of Remotely Sensed Data[J].Photogrammetrci Engineering and Remote Sensing,1980,(46):l547一l553. [40]Yang J,Wang W,Li X G.Extracting the Rich Planting Areas Using anArtiifcialNeural[J].JournalofRemote Sensing,2001, 5(3):227—231.[阎静,王汶,李湘阁.利用神经网络方法提 取水稻种植面积——以湖北省双季早稻为例[J].遥感学 报,2001,5(3):227—231.] [41] Giles M Foody,Ajay Mathur.Toward Intelligent Training of Supervised Image Clsasiifcations:Diercting Training Data Acquisition for SVM Classiifcation[J].Remote Sensing& Environment,2001,(93):l07一ll7. [42]Piper J.Variability and Bias in Experimentally Measured Clsasiifer Error Rates[J].Pattern Recognitoin Letters,1992, (13):685— 92. [43]Tang H,Du P J,Fang T,et a1.The Analysis of Error Sources ofr SAM and Its Improvement Algorithms[J].Spectroscopy and Spectral Armlysis,2005,25(8):1180一l183.[唐宏,杜培军, 方涛等.光谱角制图模型的误差源分析与改进算法[J].光 谱学与光谱分析,2005,25(8):1l80一l183.] [44]wu J,He T,Chen P G.Study on Land Degradation Mapping by Using Hyperion Data in Hyperion Data in HengShang Region of China[J].Pmgre ̄in Geography,2006,25(2):131一l39. [吴剑,何挺,程朋根.基于Hyperion高光谱数据的土地退化 制图研究——以陕西省横山县为列[J].地理科学进展, 2006,25(2):131一l39.] [45]Linag X L,Li H T,Zhang J x.Feasibility Analysis of Classiifcation wiht Un-radiometric Correction of Hyperspectral Remote Sensing Data[J].Science of Surveying and Mapping, 2004,29(4):37—39.[梁欣廉,李海涛,张继贤.未辐射校 正高光谱数据应用于分类的可行性分析——应用光谱角制 图法[J].测绘科学,2004,29(4):37—39.] 

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