基于Sentinel-1A与Sentinel-2A数据的城市绿地提取研究

来源 :浙江师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tuniao1
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城市绿地作为调节城市生态环境、景观格局、温度等的重要组成部分,研究其在城市中分布情况具有重要意义,同时随着遥感技术的发展,使用遥感数据与雷达多源数据提取地物具有很大优势,国内外有学者结合Sentinel-1A与Sentinel-2A进行土地覆被等研究,但未针对城市绿地进行研究,故本文旨在研究新型Sentinel-1A和Sentinel-2A影像数据在城市绿地提取上的应用。本文以金华市二环内城区为研究区,以Sentinel-1A和Sentinel-2A为数据源,采用面向对象分类方法,进行土地分类并重点提取绿地,通过六种数据方案,探索S2红边波段、S1雷达数据及纹理特征等在绿地提取上相比单一数据的优势。同时,对比所有特征参与的面向对象分类、随机森林特征优选后分类、结合类层次构建与特征优选分类三种方法,选出最优分类方案,分析金华市二环内市中心区域绿地空间分布及季节变化分析。主要研究结果为:(1)多源数据较单一光学数据在城市绿地提取中有明显优势,S2A红边波段及S1A雷达数据对城市用地提取均有利,红边波段尤其对绿地的提取有利,雷达数据对城市人工建设用地提取有利。结合Sentinel-1A和Sentinel-2A数据,使用面向对象的分类方法,分类算法选择随机森林算法,分为建设用地、交通用地、水体、裸地、农业用地、草地、林地7种地类,使用六种方案分类。方案一仅使用S2A七个可见光波段,方案二加入3个红边波段,方案三再加入S1A的VV、VH波段,比较前三种方案,结果表明:方案一分类精度78.99%,Kappa系数0.75,分类结果较差,方案二加入3个S2A红边波段,分类精度达80.93%,Kappa系数0.77,均有提高,分析分类结果图,绿地提取明显更好;方案三加入VV、VH雷达波段,精度达84.44%,Kappa系数0.81,分类结果更好,尤其对城市人工建设用地提取更有利。(2)加入植被指数纹理等特征,有利于地物分类,但由于所有特征均参与分类,导致数据冗余,分类效果提升不明显,使用随机森林进行特征优选后分类结果更好。方案四为方案三数据加上红边指数、植被指数、及S1A、S2A的纹理特征,共计42个特征组合,整体分类精度比方案三提高约2%,但仍存在较多草地农用地混淆,由于特征过多,有的特征对地物提取贡献较小,加入后造成数据冗余,反而影响分类效果。故方案五先使用随机森林进行特征重要性评分,分析各类特征重要性,选择出最优特征组合,再进行随机森林分类,分类结果更好,分类精度达87.55%,Kappa系数0.85,但房屋间小面积绿地及大棚种植区仍未正确提取,故加入方案六分层分类方法。(3)分析随机森林重要性评价结果,各类特征整体重要性排序为:光谱特征>植被指数>红边指数>S1纹理特征>S2纹理特征。方案五对特征使用随机森林重要性评分,结果表明:重要性得分前10的特征中,光谱特征有6个,所有光谱特征均在前20内,证明光谱特征的重要性;植被指数与红边指数排名也靠前,对分类贡献较大;纹理特征整体排序靠后,均在20以后,但S1A雷达的纹理特征比S2纹理特征排序靠前,证明Sentinel-1雷达数据获取的纹理特征优于Sentinel-2纹理特征。最终,分类最优特征组合为排名前25的特征,所有的光谱、植被指数、红边指数均被选取,纹理特征仅选择S1A的3个。(4)在六种分类方案中,方案六结合类层次构建的面向对象方法,分类结果最优,尤其利于市中心复杂地物提取及城市绿地细分。由于城市地物较为复杂,不同地物适合不同尺度分割,使用一个分割尺度,会存在对象欠分割或过度分割现象,故先按52、33、24、21分割尺度构建四个层次,在不同层提取不同地类,按由易到难、由大到小依次分类。在L4层提取水体,L3层提取工业用地等单一规则的建设用地,L2层对绿地进行细分,L1层细分混合地物较多的中心区域,并继承汇总前几层所有子类别。L4、L3层地物较易发现分类规则,故直接分析地物波谱特征,使用隶属度函数规则分类;L2、L1类别较难直接找到规则,使用特征优选的随机森林方法进行分类。最终该方案分类精89.1%,Kappa系数达0.869,比较分类结果图,该方法更有利于较小复杂区域地物的提取,对建筑间绿地及大棚类农业用地等提取更佳,方案六为最优分类方案。(5)分析金华市区绿地空间分布及季节变化,绿地占总土地面积的33.72%,城市绿地占比较高,草地、农用地季节变化显著,林地变化甚微。使用方案六对研究区四季各一期影像进行分类,得到四季分类图,分析金华市绿地分布情况及季节变化。研究表明:金华市区绿地面积占总面积的33.72%,城市绿地占比较高,其中,草地最多,农用地次之,林地最少。草地分布较为分散,农用地分布于二环路外围,集中于市区西北部及东南部,林地集中分布于几大公园内。绿地季节变化中,草地包含道路沿江附属绿地、行道树、公园内草坪、荒草地等,总体季节变化较大,夏天草地最多,春秋次之,冬季多转化为裸地、面积最小;农用地包含大棚种植与露天种植区,二者季节变化规律不同,但整体春夏面积较大、秋冬次之;林地主要为公园内树木形成的疏林地,多为常绿植被,季节变化相对较小。
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