地球信息科学学报 ›› 2022, Vol. 24 ›› Issue (2): 310-325.doi: 10.12082/dqxxkx.2022.210034
收稿日期:
2021-01-20
修回日期:
2021-03-10
出版日期:
2022-02-25
发布日期:
2022-04-25
通讯作者:
*杜世宏(1975— ),男,甘肃靖远人,博士,研究员,主要从事空间信息智能处理与理解以及时空应用研究。 E-mail: dshgis@hotmail.com作者简介:
习文强(1993— ),男,湖北通城人,博士生,主要从事多时相和时间序列遥感影像分析研究。E-mail: xiwenqiang@pku.edu.cn
基金资助:
XI Wenqiang(), DU Shihong*(
), DU Shouji
Received:
2021-01-20
Revised:
2021-03-10
Online:
2022-02-25
Published:
2022-04-25
Contact:
DU Shihong
Supported by:
摘要:
基于多时相影像的耕地提取和变化分析是有效管理和保护耕地资源的重要手段。然而就多时相耕地的分类提取而言,现有方法对于多时相影像中地物的时空特征表达和时空上下文关系建模存在着局限性,导致耕地的提取精度不佳;其次,对于耕地的变化分析,现有方法往往只关注基于行政单元的耕地面积统计变化,而对耕地变化在空间上的相关性分布特点考虑较少。因此,本文首先提出了一种时空上下文分类方法,综合表达和利用多时相影像中地物的光谱、纹理和空间等特征,建模时空维度上地物间在特征和语义上的上下文关系,来提高耕地覆盖分类的精度;其次,基于耕地覆盖的提取结果,在规则格网和行政区划单元上,采用GIS空间统计方法分析耕地变化的空间相关性特点;最后,以北京市顺义区为例,以2015—2019年的多时相Sentinel-2影像为数据源对本文方法进行验证。结果表明,与常见的2种多时相影像分类方法相比,本文方法在多时相耕地分类上精度最高,平均用户精度和制图精度分别达到91.21%和90.53%,所有类别的总体精度为90.79%。这表明本文方法能精确提取多时相耕地覆盖信息。通过对耕地变化的空间分布特点进行分析,发现2015—2019年顺义区耕地变化存在区域聚集现象,主要呈现为集中减少特点,其中赵全营镇、高丽营镇、木林镇和杨镇地区耕地的聚集性减少较为明显,说明这些地区的耕地侵占和减少问题比较严重。
习文强, 杜世宏, 杜守基. 多时相耕地覆盖提取和变化分析:一种结合遥感和空间统计的时空上下文方法[J]. 地球信息科学学报, 2022, 24(2): 310-325.DOI:10.12082/dqxxkx.2022.210034
XI Wenqiang, DU Shihong, DU Shouji. Multi-temporal Cultivated Land Cover Extraction and Change Analysis: A Spatiotemporal Context Method Combining Remote Sensing and Spatial Statistics[J]. Journal of Geo-information Science, 2022, 24(2): 310-325.DOI:10.12082/dqxxkx.2022.210034
表2
类别转换矩阵 TM中参数设置
t | t+1 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
耕地 | 林地 | 草地 | 裸土 | 建筑物 | 道路 | 水体 | |
耕地 | 0.90 | 0.04 | 0.04 | 0.10 | 0.15 | 0.01 | 0.01 |
林地 | 0.02 | 0.90 | 0.02 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 |
草地 | 0.02 | 0.02 | 0.90 | 0.02 | 0.01 | 0.01 | 0.01 |
裸土 | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.90 | 0.10 | 0.02 | 0.01 |
建筑物 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.08 | 0.90 | 0.05 | 0.05 |
道路 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.02 | 0.01 | 0.90 | 0.01 |
水体 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.90 |
表5
2015—2019年5个时相上各土地利用类别的平均用户精度和制图精度
类别 | 分类方法 | |||
---|---|---|---|---|
NOC | PPC | ST-PC ST-CRF | ||
用户 精度 | 耕地 | 81.27 | 88.14 | 91.21 |
林地 | 80.01 | 87.96 | 90.03 | |
草地 | 80.36 | 87.32 | 88.92 | |
裸土 | 87.19 | 89.25 | 90.85 | |
建成区 | 88.82 | 84.16 | 91.84 | |
道路 | 89.73 | 83.58 | 90.41 | |
水体 | 96.79 | 95.06 | 96.62 | |
制图 精度 | 耕地 | 80.83 | 87.75 | 90.53 |
林地 | 80.94 | 87.24 | 89.72 | |
草地 | 81.59 | 88.38 | 90.98 | |
裸土 | 86.93 | 88.62 | 91.06 | |
建成区 | 88.95 | 84.76 | 91.17 | |
道路 | 88.57 | 84.19 | 90.64 | |
水体 | 96.02 | 95.86 | 96.93 |
表6
2015—2019年5个时相上3种分类的整体精度和Kappa系数
年份 | 分类方法 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
NOC | PPC | ST-PC | ||||||
OA | K | OA | K | OA | K | |||
2015 | 85.11 | 0.8462 | 87.37 | 0.8672 | 90.52 | 0.8993 | ||
2016 | 84.23 | 0.8359 | 88.28 | 0.8713 | 91.05 | 0.9113 | ||
2017 | 84.53 | 0.8427 | 87.54 | 0.8705 | 90.43 | 0.8947 | ||
2018 | 85.26 | 0.8471 | 88.32 | 0.8746 | 90.81 | 0.9016 | ||
2019 | 84.15 | 0.8303 | 87.27 | 0.8657 | 91.12 | 0.9092 | ||
平均值 | 84.66 | 0.8404 | 87.76 | 0.8699 | 90.79 | 0.9032 |
表7
2015—2019年顺义区各乡镇耕地面积
乡镇 | 耕地面积 | ||||
---|---|---|---|---|---|
2015年 | 2016年 | 2017年 | 2018年 | 2019年 | |
龙湾屯镇 | 955.91 | 875.59 | 675.13 | 695.92 | 642.11 |
北石槽镇 | 453.43 | 421.88 | 364.89 | 349.42 | 348.31 |
牛栏山地区 | 424.53 | 403.28 | 327.05 | 327.88 | 309.36 |
后沙峪地区 | 157.90 | 151.11 | 128.06 | 122.63 | 114.01 |
木林镇 | 2066.39 | 1624.53 | 1902.75 | 1778.64 | 1696.36 |
南法信地区 | 71.40 | 69.44 | 64.48 | 64.30 | 63.60 |
杨镇地区 | 5023.89 | 4761.19 | 4188.13 | 3803.21 | 3699.04 |
高丽营镇 | 2167.58 | 1740.40 | 1573.42 | 1554.92 | 1422.35 |
仁和地区 | 99.62 | 90.32 | 83.44 | 82.18 | 79.06 |
北小营镇 | 1007.41 | 922.73 | 636.51 | 635.73 | 639.36 |
南彩镇 | 629.17 | 628.17 | 518.16 | 517.08 | 518.78 |
李遂镇 | 2046.14 | 1975.79 | 1731.35 | 1722.20 | 1607.75 |
李桥镇 | 3170.52 | 2942.48 | 2465.86 | 1887.23 | 1878.01 |
北务镇 | 2409.29 | 2239.89 | 2136.82 | 2087.35 | 2035.42 |
天竺地区 | 53.52 | 47.11 | 42.96 | 42.93 | 42.74 |
大孙各庄镇 | 2747.66 | 2796.68 | 2421.17 | 2318.53 | 2103.64 |
赵全营镇 | 3171.98 | 2532.47 | 2088.10 | 1672.52 | 1501.54 |
张镇 | 1287.64 | 1272.60 | 1150.34 | 1061.18 | 987.65 |
马坡地区 | 124.73 | 124.25 | 121.81 | 121.35 | 110.45 |
街道区域 | 10.06 | 9.71 | 9.62 | 9.60 | 9.07 |
总面积 | 28 078.79 | 25 629.62 | 22 630.05 | 208 54.81 | 19 808.59 |
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